泵站電機交流勵磁調速的控制技術

1引言

為減少洪澇災害，我國在大江大河流域建設了許多電力排灌站。一般電力排灌站設計為固定揚程。在洪澇期間，外江水位超過設計揚程時，泵站被迫停機，使內河漬水不能及時排出，給國家和人民財產帶來嚴重損失。如果此時能使電機超同步運行如提速5％，則水泵揚程可提高10％左右，這可在很大程度上解決水泵因外江水位過高而被迫停機的問題，減少內河澇災損失。因此實現此類電機的超同步運行具有很大的社會與效益。

由于泵用電動機定子側供電電壓為高壓，在定子側采用變頻調速時，調速設備價格昂貴，且升速受供電電壓限制。如采用雙饋調速，則因泵機要求調速范圍有限（僅為±10％），變頻設備容量比在定子側調速要小得多，經濟上合算。采用雙饋調速的另一個重要優(yōu)點是：它從電網吸收的無功功率可通過調節(jié)勵磁電流的大小及相位進行調整，即電機的功率因數可調，還可進相運行。由于該類泵站機組數量大，所以采用此技術以后，對節(jié)約電能及改善當地電網功率因數將起到重要作用。

交流勵磁雙饋調速電機轉子變頻器既可選用交直交變頻器，也可選用交交（AC/AC）變頻器。由于交交變頻器低頻運行時性能優(yōu)于交直交變頻器，因此泵站電機雙饋調速采用交交變頻是十分合適的[1][2][3]。本文介紹采用三相零式交交變頻、以16位單片機為控制核心并采用現場可編程芯片作為存儲器與邏輯電路實現的調速系統設計方案，提出了以期望的功率因數為參數、對轉速進行反饋調節(jié)時轉子電流幅值、相位等給定值的計算方法，給出了系統的軟硬件設計。

2系統結構

雙饋調速系統由線繞電機M、勵磁變壓器T、交交變頻器及控制電路等構成。系統結構如圖1所示。

圖1泵站雙饋電機交流勵磁調速系統框圖

圖2電機矢量關系

圖3兩相到三相矢量變換示意圖

交交變頻主電路在控制電路作用下實現向電機轉子供電（超同步運行）或將轉子能量回饋到電網(低同步運行)。為使轉子電流較為平滑、限制誤觸發(fā)瞬時短路電流，主電路中加入了平衡電抗器LP。

控制電路主要完成定子功率因數、轉子電流及轉速等檢測，并依據給定轉速、功率因數與相應實際值的差別，根據反饋控制的基本思想，按照一定的控制算法，計算轉子供電頻率、電流幅值與相位的期望值，進而確定各晶閘管的觸發(fā)角以實現對晶閘管的控制。實現系統在給定轉速（ω＊）和給定功率因數角（φ＊）附近的穩(wěn)定運行。

對于既定形式的主電路，其參數可依據電機基本數據如額定功率、輸入電壓、轉子感應電勢，及調速范圍要求等來確定。

3控制方法

如前所述，改變轉速是通過調節(jié)轉子的供電參數來實現的，即通過控制轉子的供電頻率、轉子電流的幅值與相位來調速。

31轉子供電頻率

設ω1為同步轉速對應的電源角頻率，ω為電機實際轉速對應的電角頻率，ωS為轉子供電角頻率。則穩(wěn)態(tài)時有：

ωS=ω1－ω

當實際轉速和期望轉速不同時，可調整轉子供電頻率使實際轉速向期望值靠擾。為使電機轉速平穩(wěn)變化，采用下式計算轉子供電頻率的給定值ωS＊：

ωS＊=ω1－αω＊－(1－α)ω

這里0α≤1,α可隨轉速變化有所改變，特別是當實際轉速接近期望轉速時，可取α=1。

32轉子電流幅值與相位設穩(wěn)態(tài)時定子電壓空間矢量為，定子電流空間矢量為，轉子電流空間矢量為，不記定子電阻影響，有[4](1)

如果控制系統的功率因素角φ（超前φ記為負值，滯后為正）具有期望值φ＊，并在運行中保持不變，則調節(jié)定子電流大小即可調節(jié)輸出有功大小，從而也可調節(jié)轉速。反過來，當對速度進行反饋調節(jié)時，速度調節(jié)器的輸出可認為是定子電流大小的期望值I1＊。為保證實際功率因素角φ=φ＊，應選擇轉子電流幅值與相位，使得對期望的I1＊及φ＊，電機矢量關系式（1）成立。

由圖2可知：

xmI2sinθ=x1I1cosφ

U1－x1I1cosφ=xmI2cosθ故選轉子電流幅值、與夾角θ的期望值分別為：I2＊=θ＊=arcsin

當φ＊=0時，定子只從電網吸收有功功率，在泵機提速時可充分利用電機容量。