一種改進(jìn)型串級調(diào)速系統(tǒng)的研究與設(shè)計

1 引言
三相異步電機(jī)拖動的風(fēng)機(jī)和水泵耗電量占全國發(fā)電總量的40%以上。目前大多數(shù)的風(fēng)機(jī)水泵采用閥門、擋板或其它低效調(diào)速方法來調(diào)節(jié)流量滿足負(fù)載要求，浪費電能嚴(yán)重。因而高效節(jié)能調(diào)速具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會效益。在高效節(jié)能調(diào)速方面有串級調(diào)速、變頻調(diào)速兩種，兩者的區(qū)別是變流控制裝置控制點不同。變頻調(diào)速控制電機(jī)的定子側(cè)，而串級調(diào)速控制電機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)。變頻裝置需要承受供電電壓和全部功率，因而在低壓小容量電機(jī)上廣泛應(yīng)用，大容量電機(jī)上則存在諸多問題 [1]。而串級調(diào)速承受的轉(zhuǎn)子電壓和比額定功率小得多的轉(zhuǎn)差功率，因而在高壓大容量電機(jī)調(diào)速上具有突出的優(yōu)勢。本文對傳統(tǒng)的串級調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了研究，并針對其缺點進(jìn)行了改進(jìn)，提出了一種改進(jìn)串級調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計方案。

2 傳統(tǒng)串級調(diào)速系統(tǒng)的工作原理分析
傳統(tǒng)的串級調(diào)速系統(tǒng)將繞線電機(jī)的轉(zhuǎn)子回路通過變流器及逆變變壓器與電網(wǎng)相連[2]。如圖1所示。

圖1 串級調(diào)速系統(tǒng)示意圖

圖1中U1為三相不控整流裝置，U2為三相可控整流裝置，L為平波電抗器。繞線電機(jī)轉(zhuǎn)子的相電動勢sEr0經(jīng)U1整流輸出直流電壓Vd。U2提供可調(diào)直流電壓Vi作為電機(jī)調(diào)速所需要的附加直流電動勢外，還可以將U1整流輸出的轉(zhuǎn)差功率逆變，通過逆變變壓器回饋到電網(wǎng)。不考慮電機(jī)轉(zhuǎn)子與變壓器繞組內(nèi)阻以及晶閘管換相重疊角壓降的影響，可以寫出轉(zhuǎn)子直流回路的電壓平衡方程式：
（1）
或
（2）
式中K1、K2分別為U1和 U2裝置電壓的整流系數(shù)，V2為變壓器的二次相電壓，α為U2裝置的逆變角，R為轉(zhuǎn)子直流回路總電阻。由電機(jī)學(xué)可知，轉(zhuǎn)子電流方程為：
（3）
CT與電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)的常數(shù)；Φm是電機(jī)主磁通，電機(jī)供電電壓穩(wěn)定時，近似為常數(shù)；cosΦ2為轉(zhuǎn)子功率因數(shù)，當(dāng)電機(jī)穩(wěn)定運行時，轉(zhuǎn)差率變化不大，因此轉(zhuǎn)子電流Ir近似與轉(zhuǎn)速無關(guān)，與電機(jī)負(fù)載大小有直接關(guān)系。下面從起動、調(diào)速與停車三種情況分析系統(tǒng)工作原理。
（1）起動
電動機(jī)起動時要有足夠大的轉(zhuǎn)子電流或足夠大的整流后的直流電流Id。由式（2）可知，控制α使Vd與Vi有足夠大的差值來產(chǎn)生滿足啟動需要的電流Id，但不超過額定值。這樣電機(jī)在一定轉(zhuǎn)矩下加速起動，隨著轉(zhuǎn)速的提高，轉(zhuǎn)子電動勢減小，增大α角以減小Vi值來維持起動電流的恒定，當(dāng)達(dá)到期望的轉(zhuǎn)速時，不再調(diào)整α角，電機(jī)在此轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運行。
（2）調(diào)速
控制α角的大小就可以調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。當(dāng)增大α角時，由式（2）可知逆變電壓就會減小，Id將增大，電磁轉(zhuǎn)矩也將增大，使電機(jī)加速。隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速提高，轉(zhuǎn)子相電動勢減小，Id減小，直到產(chǎn)生新的平衡，電機(jī)在增高了的轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運行。同理，減小α角可以使電機(jī)在降低的轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運行。
（3）停車
電機(jī)停車有制動停車和自由停車兩種。因為U1為不控整流裝置，因此不能依靠轉(zhuǎn)子側(cè)輸入功率實現(xiàn)電氣制動，只能靠減小α角逐漸減速，依靠負(fù)載轉(zhuǎn)矩停車。

3 改進(jìn)型串級調(diào)速系統(tǒng)的分析設(shè)計
傳統(tǒng)串級調(diào)速系統(tǒng)控制晶閘管的觸發(fā)角實現(xiàn)無級平滑調(diào)速，把繞線電機(jī)的轉(zhuǎn)差功率回饋給電網(wǎng)，提高系統(tǒng)效率。但是存在明顯的缺點：不能通過轉(zhuǎn)子側(cè)輸入功率實現(xiàn)電氣制動；逆變器的移相角隨著調(diào)速范圍變化而變化，當(dāng)移相角比較大時，逆變器從電網(wǎng)吸收的無功功率比較多，因而系統(tǒng)功率因數(shù)比較低，同時諧波含量也比較大；圖1中的變壓器主要作用是取得能與轉(zhuǎn)子電壓相匹配的逆變電壓，隨著系統(tǒng)調(diào)速范圍的變寬，該變壓器容量也需要增大，增加了系統(tǒng)的體積與成本[3]。因此，需要對傳統(tǒng)串級調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。
為了實現(xiàn)繞線電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)輸入電功率制動，將圖1中的U1不控整流單元設(shè)計為能夠工作在有源逆變的可控整流單元。因為在大功率條件下，晶閘管的性價比明顯好于MOSFET，因此可控整流單元采用晶閘管作為功率開關(guān)器件。因為晶閘管的單向?qū)щ娦?，用一個電流方向始終恒定、大小可變的恒流源作為電能在電網(wǎng)與電機(jī)間的傳遞裝置。改進(jìn)后的串級調(diào)速系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 改進(jìn)型串級調(diào)速系統(tǒng)原理圖

（1）起動
當(dāng)繞線電機(jī)啟動時，轉(zhuǎn)差功率從轉(zhuǎn)子側(cè)流向電網(wǎng)，此時設(shè)置U1的觸發(fā)角α90°，為了提高功率因數(shù)，減少電流諧波含量，防止轉(zhuǎn)矩抖動，可設(shè)α=0°；U2的逆變角β90°，為增大轉(zhuǎn)矩，同時保證晶閘管可靠換流，設(shè)置β=30°，此時V1和V2均大于0，通過設(shè)定恒流源電流值為額定值，實現(xiàn)最大轉(zhuǎn)矩啟動。
（2）調(diào)速
因為U1、U2單元的控制角不變，調(diào)節(jié)恒流源電流值，必然引起轉(zhuǎn)子電流的Ir改變，當(dāng)電機(jī)在某轉(zhuǎn)速n0下穩(wěn)定運行，此時轉(zhuǎn)子電流為Ir0。增大恒流源電流值，轉(zhuǎn)子電流也增大，電磁轉(zhuǎn)矩變大，電機(jī)加速，轉(zhuǎn)子電壓降低，轉(zhuǎn)子電流減小。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到期望值n1時，控制單元通過控制恒流源電流值使轉(zhuǎn)子電流仍為Ir0，此時電機(jī)在提高的轉(zhuǎn)速n1下穩(wěn)定運行。同理，反之可以實現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速降低。次同步調(diào)速時，轉(zhuǎn)差功率為正，從轉(zhuǎn)子側(cè)流向電網(wǎng)；超同步調(diào)速，轉(zhuǎn)差功率為負(fù)，從電網(wǎng)流向電機(jī)。因為電機(jī)超同步運行用來滿足某些特殊負(fù)載，同時對電機(jī)要求比較高，應(yīng)用范圍比較窄。
（3）停車
當(dāng)電機(jī)制動時，轉(zhuǎn)子側(cè)從電網(wǎng)吸收能量。設(shè)置U1逆變角β=30°，U2觸發(fā)角α=0°。此時V1和V2均小于0，V1與轉(zhuǎn)子電流的夾角θ90°，此時電機(jī)輸入功率為負(fù)，電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，將電機(jī)軸上的機(jī)械能及轉(zhuǎn)子側(cè)傳入的電能由定子側(cè)傳入電網(wǎng)，并產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩加快停車，通過恒流源實現(xiàn)電氣制動。
改進(jìn)型串級調(diào)速系統(tǒng)與傳統(tǒng)串級調(diào)速系統(tǒng)相比，具有以下優(yōu)勢：
（1）不需要實時調(diào)節(jié)晶閘管的觸發(fā)角，而是通過恒流源控制實現(xiàn)調(diào)速，使系統(tǒng)功率因數(shù)大大提高，同時減小了逆變變壓器體積，節(jié)約了系統(tǒng)空間，降低了成本；
（2）由于系統(tǒng)拓?fù)涞母淖?，實現(xiàn)了電機(jī)四象限運行，既可以次同步調(diào)速，也可以實現(xiàn)超同步調(diào)速，而且能夠?qū)崿F(xiàn)電氣制動；
（3）通過恒流源直接控制轉(zhuǎn)子電流，使調(diào)速精度大大提高；
（4）轉(zhuǎn)子直流回路電阻減小，使系統(tǒng)機(jī)械特性增強(qiáng)。
隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的改變，轉(zhuǎn)子側(cè)的相電動勢的幅值、頻率是變化的，因此必須使U1的觸發(fā)脈沖與轉(zhuǎn)子側(cè)相電動勢保持同步。數(shù)字移相觸發(fā)器具有控制精度高，輸出脈沖不對稱度小等優(yōu)點[4]。因此，采用數(shù)字移相觸發(fā)器產(chǎn)生轉(zhuǎn)子側(cè)晶閘管所需要的6路觸發(fā)脈沖，如圖3所示。當(dāng)U1工作于整流狀態(tài)時，觸發(fā)角α=0°，轉(zhuǎn)子采樣電壓經(jīng)過過零比較器，產(chǎn)生方波進(jìn)入移相器。當(dāng)信號為高時，移相器輸出高電平，輸入信號為低時輸出為低電平。雙窄脈沖發(fā)生器根據(jù)晶閘管的導(dǎo)通順序產(chǎn)生雙脈沖，經(jīng)驅(qū)動器放大后，送至晶閘管的門極。當(dāng)U1工作于逆變狀態(tài)時，逆變角β=30°，移相器輸入信號為高電平時，計數(shù)器1清零后計數(shù)至輸入信號達(dá)低電平為止，設(shè)計數(shù)值為nT，此時輸出為低電平；輸入信號為低電平時，計數(shù)器2清零后計數(shù)至nc，然后輸出高電平至雙窄脈沖發(fā)生器，產(chǎn)生6路觸發(fā)脈沖，經(jīng)驅(qū)動器放大后控制晶閘管。因為轉(zhuǎn)子相電動勢上半周期與下半周期寬度變化不大，所以。

圖3 數(shù)字式移相觸發(fā)器原理圖

4 兩種調(diào)速系統(tǒng)的仿真與比較分析
根據(jù)前面所述的傳統(tǒng)與改進(jìn)型串級調(diào)速系統(tǒng)的原理，以繞線式異步電動機(jī)YZR-355-L1-10作為研究對象，利用MATLAB軟件分別構(gòu)建仿真模型如圖4和圖5所示。繞線電機(jī)YZR-355-L1-10其銘牌參數(shù)如下：功率P=110kW，極對數(shù)p=5，額定電壓UN=380V、額定電流IN=217A、額定頻率fN=50HZ、額定功率因數(shù)cosφ=0.88、額定轉(zhuǎn)速nN=582 r/min、額定轉(zhuǎn)矩TN=1804 n.m、轉(zhuǎn)動慣量J=17.08 kg.m2、空載電流104.3A、重量1764kg。

圖4 改進(jìn)型串級調(diào)速系統(tǒng)仿真模型

圖5 傳統(tǒng)串級調(diào)速系統(tǒng)仿真模型

在負(fù)載轉(zhuǎn)矩為600n.m時，對傳統(tǒng)與改進(jìn)型串級調(diào)速系統(tǒng)啟動進(jìn)行仿真，啟動電磁轉(zhuǎn)矩如圖6所示?？梢钥闯?，盡管啟動時間基本相同，但是改進(jìn)型串級調(diào)速系統(tǒng)啟動時電磁轉(zhuǎn)矩大于傳統(tǒng)串級調(diào)速系統(tǒng)，而且轉(zhuǎn)矩平滑。因此當(dāng)負(fù)載變大時，改進(jìn)型串級調(diào)速系統(tǒng)啟動速度要比傳統(tǒng)的快。

圖6 改進(jìn)型與傳統(tǒng)串級調(diào)速系統(tǒng)啟動轉(zhuǎn)矩圖

圖7 改進(jìn)型與傳統(tǒng)串級調(diào)速系統(tǒng)制動轉(zhuǎn)速圖

圖8 改進(jìn)型串級調(diào)速系統(tǒng)電氣制動電磁轉(zhuǎn)矩圖

在負(fù)載為300n.m條件下，電機(jī)啟動并達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，4秒時，改進(jìn)型串級調(diào)速系統(tǒng)通過改變轉(zhuǎn)子側(cè)和電網(wǎng)側(cè)晶閘管的觸發(fā)角實現(xiàn)電氣制動，傳統(tǒng)串級調(diào)速系統(tǒng)通過斷電實現(xiàn)自然制動。兩個系統(tǒng)制動時的轉(zhuǎn)速圖如圖7所示，顯然改進(jìn)型串級調(diào)速系統(tǒng)的制動速度快于傳統(tǒng)串級調(diào)速系統(tǒng)。改進(jìn)型串級調(diào)速系統(tǒng)的電磁轉(zhuǎn)矩圖如圖8所示，此時繞線電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩作用方向與轉(zhuǎn)速方向相反，電機(jī)處于回饋制動狀態(tài)。電機(jī)軸上輸入的機(jī)械功率轉(zhuǎn)換成電功率回饋到電網(wǎng)中。
綜合分析，改進(jìn)型的串級調(diào)速系統(tǒng)啟動轉(zhuǎn)矩大于傳統(tǒng)串級調(diào)速系統(tǒng)，啟動時間快，而且能夠?qū)崿F(xiàn)回饋制動，減小了制動時間，提高了生產(chǎn)效率。

5 結(jié)論
本文針對傳統(tǒng)串級調(diào)速系統(tǒng)不能實現(xiàn)電氣制動的不足進(jìn)行了改進(jìn)，并通過仿真驗證了方案的可行性，為實現(xiàn)大功率繞線電機(jī)在頻繁啟動、制動的工作環(huán)境下的節(jié)能調(diào)速提供了理論依據(jù)。

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作者簡介
張興起（1984 --），男，河北唐山，碩士研究生，主要從事港口大型電機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)的研究?！?/p>