交—交變頻低頻電源的研發(fā)與應(yīng)用

前言

對于少數(shù)低速大功率設(shè)備而言,采用交--直--交變頻驅(qū)動生產(chǎn)將可能產(chǎn)生一些必不可少的副面影響,因此采用大都交交變頻方案,由晶閘管全控整流電路組合形成控制部分,通過對輸出電流的大小和方向的組合控制,使負(fù)載得到一個電壓和頻率(通常低于工頻電源頻率)可調(diào)的交流電,在低速,大功率電力拖動設(shè)備中有廣泛的應(yīng)用價值,如軋鋼機(jī),礦井提升機(jī),大型風(fēng)機(jī),電力設(shè)備中的調(diào)速控制系統(tǒng)中,交交變頻發(fā)揮的巨大作用.針對這類設(shè)備,在生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)具有如下優(yōu)點:1 變頻環(huán)節(jié)減少,減低了換流所導(dǎo)致的損耗,變換效率高;2可控性好,采用電流自然換相,不必添置另外的換流電路;3可實現(xiàn)四相限運(yùn)行,應(yīng)用范圍廣.

2004年我單位接到客戶請求, 要求研制一臺供電電源,用于對油田低溫高蠟油井的原油進(jìn)行開采前和開采過程中的加熱處理.根據(jù)客戶提供的現(xiàn)場信息以及調(diào)查報告,高黏油和稠油難以開采,負(fù)載情況復(fù)雜多變,加熱點距離較遠(yuǎn),工作條件惡劣.分析了上述情況后,經(jīng)過綜合考慮,我們決定采用低頻加熱電源,由交交變頻轉(zhuǎn)換得到低壓,大電流的電源,此時的負(fù)載原則上可以視為純阻性負(fù)載,加熱均勻,操作簡單可靠,同時效率較高,避免了采用直流加熱而引起的原油離子化,電離腐蝕管壁和中頻加熱的負(fù)載增大,損耗大以及工頻加熱的電流不平衡,電耗大,可靠性低等缺點.因此而言是最為理想的設(shè)計方案,在低頻狀態(tài)下加熱,升溫快,溫度高,效果更好,而且可以節(jié)約電能,這就是低頻加熱電源.根據(jù)以往經(jīng)驗,我們采用傳統(tǒng)工藝與現(xiàn)代控制理論相結(jié)合的理念,在廣泛吸收借鑒國內(nèi)外其他形式變頻設(shè)備的基礎(chǔ)上,確定了最終方案.

設(shè)計方案介紹:

主電路設(shè)計采用單相輸出交交變頻,其根本為一套三相橋式無環(huán)流反并聯(lián)可控整流裝置,其中可控硅???制信號Ust是直流信號,相應(yīng)輸出也是直流;若Ust是交流信號,則變頻電源的輸出也是交流.由于該設(shè)備無中間直流環(huán)節(jié),故稱為交交直接變頻,其輸出波形如圖.

交交變頻調(diào)速系統(tǒng)是一種不經(jīng)過中間直流環(huán)節(jié)，直接將較高固定頻率的電壓變換為頻率較低而可變輸出電壓的變頻調(diào)速系統(tǒng)。其每一相均由兩組（正、負(fù)組）三相全波變流器反并聯(lián)構(gòu)成。輸出的整流電壓為：
Ud=Ud0cosαp±Ud0cosαN ┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉ (1)
式中：αp——正組整流器控制角；
αN——負(fù)組整流器控制角；
Ud0——α=0°輸出電壓平均值。

交交變頻器輸出電壓的基波為正弦波，即：
Ud = Ud msinω1t ┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉ (2)
則 cosαp=(Udm/Ud0)sinω1t=ksinω1t┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉ (3)
式中：k——輸出電壓比，k=Udm/ Ud0；
ω——輸出電壓基波的角頻率。

通過改變正、負(fù)兩組整流器觸發(fā)角的頻率，即可改變輸出電壓的頻率；改變輸出電壓比k值，即可改變輸出電壓值。

交交變頻器通過兩組反并聯(lián)的晶閘管交替工作來產(chǎn)生一相低頻的交流電壓供給負(fù)載，存在環(huán)流問題。在可逆直流傳動中采用的工作方式（如邏輯無環(huán)流、錯位無環(huán)流、可控環(huán)流）一般在交交變頻器中均可適用。交交變頻器的主電路及基本控制部分可采用直流傳動的相同組件和技術(shù)。

輸入電流諧波分析:

用解析方法計算調(diào)制波形的頻譜有相當(dāng)難度,而且必要性也不是很大,通常采用 仿真方法分析頻譜,首先通過仿真得到輸入電流波形,然后用FFT求得頻譜,結(jié)果顯示,除基波外還有下列頻率的諧波:
fl=I(Pm±1)fi±|Fl+2lf0|
其中f0 ---輸出頻率;
l----正整數(shù)0,1,2,3---
與fl=(Pm±1)fi 相比,增加了±2lf0的旁頻,但是各諧波的有效值比直流傳動時的諧波有效值小許多.出現(xiàn)該旁頻的原因是:變頻裝置由正反兩組整流橋組成,一組提供正向輸出電流,而另一組提供反向輸出電流.輸出電流波形只與輸出電流大小有關(guān),而與輸出電流方向無關(guān).
I(ω0t)=ii(ω0π+π) ω0=2πωf0.有輸入電流幅值和相位的調(diào)制的角頻率2ω0,因而在輸出電流的頻率中會出現(xiàn)2l f0的旁頻.

控制模塊分析:

直流電流的電流控制是通過電流調(diào)節(jié)器實現(xiàn)的,由于PI調(diào)節(jié)器是觸發(fā)電流的控制信號,因此只要存在電流誤差,出發(fā)脈沖就會移相,直至電流誤差消失.因為交交變頻輸出輸出電流隨正弦規(guī)律變換，因此電流調(diào)節(jié)始終處于動態(tài)，于是跟蹤誤差出現(xiàn)，輸出的電流總比給定有所滯后，為克服該缺點,在設(shè)計中我們采用引入電壓前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié),該功能由加法器AUR實現(xiàn).輸入為電壓給定- U0和電壓調(diào)節(jié)器UAUR輸出UAUR信號供觸發(fā)移相用,如果忽略SCR的非線性影響,則UAUR與變頻設(shè)備輸出電壓成正比.在無環(huán)流切換過程中,電流前饋可完成有準(zhǔn)備的切換任務(wù)(指切換前后整流裝置輸出電壓不變).正組和反組移相特性重合,因此只要UAUR的值恒定,U0就保持恒定.在設(shè)置了電壓前饋環(huán)節(jié)后,UAUR大約為0,- U0和U0切換前后不變,自動滿足了有準(zhǔn)備切換的要求.

觸發(fā)脈沖的產(chǎn)生:

這里采用集成函數(shù)發(fā)生器ICL8038構(gòu)成掃頻信號發(fā)生器,它主要用于直接測量各種頻響特性,其輸出信號頻率在一定范圍內(nèi)反復(fù)變化,內(nèi)部主要有矩形波,三角波和鋸齒波發(fā)生電路和三角波變正弦波電路.該集成模塊常用引腳如圖所示.該電路具有結(jié)構(gòu)簡單,實用可靠的特點,采用單電源供電.Vcc=±5V---±15V.這里采用±15V輸出頻率1---600KHz,輸出矩形波的占空比為避免2%----98%,在本次設(shè)計中,輸出頻率為9—10Hz,

觸發(fā)電路:本觸發(fā)器采用自主研發(fā)的SCR觸發(fā)模塊,它將相控電壓轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的大功率觸發(fā)脈沖,用來跟蹤SCR主電路工作.該模塊具有下列特點:
1,方便與調(diào)節(jié)系統(tǒng)匹配,αmin,βmin 自動限制,脈沖可靠;
2,雙脈沖輸出,功放管耗散功耗低,損耗電流小;
3,同步網(wǎng)絡(luò)濾波,不受電源中波畸變和換流缺口干擾;
4,各相脈沖均衡,無需調(diào)整;
5,該模塊集成度高體積小巧,運(yùn)行可靠,維護(hù)方便,可用于其他調(diào)壓使用環(huán)境;

其原理圖如下:

在經(jīng)過脈沖變電等轉(zhuǎn)換后同步電壓經(jīng)RC電路移相60°,送入模塊與相控電壓Uk進(jìn)行電流比較后,輸出六路雙窄脈沖,依次間隔60°,脈寬20°左右,確保可靠觸發(fā).經(jīng)過功放可輸出300—800A的驅(qū)動電流.該模塊觸發(fā)極性為正,即移相控制電壓Uk增大,輸出導(dǎo)通也隨之增大.其各項參數(shù)如下:
1功能:晶體管三相恒壓整流輸出控制
2三相同步輸入信號: ±15V(DC) 電流200mA
3觸發(fā)脈沖寬度20°
4移相范圍-6V---0V---+9V
5各相脈沖不均衡度1°
6手動控制電位器 1K
7工作環(huán)境:
環(huán)境溫度-15---70
相對濕度:70% RH
外形尺寸:73mm×32mm×23mm
實驗條件及結(jié)果波形

根據(jù)以上示波器圖形我們可以看出，在正常實驗條件下，該低頻電源所轉(zhuǎn)換的電壓和電流圖形非常令人滿意。

總結(jié):

采用交一交變頻方法的加熱電源，實現(xiàn)了真正的平滑起動，減小了起動沖擊和起動電流。由于保留了傳統(tǒng)電子式軟起動器的硬件結(jié)構(gòu)，只是改變了晶閘管觸發(fā)脈沖的產(chǎn)生順序和控制方法，因而不會增加成本支出;而在起動性能上卻可大大優(yōu)于傳統(tǒng)的降壓軟起動器，可實現(xiàn)近似于變頻器的軟起動性能。采用分級交一交變頻方法的軟起動器還可以方便地實現(xiàn)短時低速運(yùn)行和低速反轉(zhuǎn)制動功能，以便實現(xiàn)準(zhǔn)確停車。。經(jīng)過該低頻電源的研制,使我增長了許多系統(tǒng)設(shè)計方面的知識,從多方面獲得了寶貴的經(jīng)驗.目前我國配套電源尚不齊全,應(yīng)用于各工業(yè)領(lǐng)域的電源系統(tǒng)缺口很大,希望有實力和經(jīng)驗的單位和個人多多交流,共同促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展.

參考書目:

1 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 童詩白 北京：高等教育出版社　1993。
2電力電子學(xué) 賈正營 北京：中國電力出版社
3通用變頻器設(shè)計及應(yīng)用 滿永奎 韓安榮等 北京：機(jī)械工業(yè)出版社
4電氣變頻調(diào)速設(shè)計技術(shù) 杜金誠 北京：中國電力出版社
5 大功率交交變頻調(diào)速及矢量控制技術(shù) 馬小亮 北京：機(jī)械工業(yè)出版社
6 變頻器設(shè)計及其應(yīng)用 馮垛生 張淼 北京:機(jī)械工業(yè)出版社 2000
7 變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用 王樹 北京:機(jī)械工業(yè)出版社 2005

作者簡介: 肖英輝,男, (1974---),中級工程師,曾多年從事某上市企業(yè)技術(shù)及設(shè)備管理工作,現(xiàn)為山東科技大學(xué)測控專業(yè)研究生,研究方向為電力電子技術(shù)及應(yīng)用.