雙異步電機(jī)組合移相調(diào)速方法的研究

0 引言

現(xiàn)行的采用PWM 方式對異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行VVVF調(diào)速的技術(shù)，由于采用可關(guān)斷電力電子器件與反饋整流器件及其較復(fù)雜的控制環(huán)節(jié)，使調(diào)速裝置的造價(jià)較高。再則，現(xiàn)有的變頻技術(shù)對異步電動(dòng)機(jī)的無功電流缺乏克制辦法，幾乎是慣例性的用反饋二極管進(jìn)行回饋，因而在較低的功率因數(shù)下產(chǎn)生電能損耗。在轉(zhuǎn)子回路中串入附加電勢而改變其理想空載轉(zhuǎn)速的串級調(diào)速技術(shù)，也存在最大轉(zhuǎn)矩下降和功率因數(shù)較低等問題。對于同軸傳動(dòng)的兩臺(tái)繞線式異步電動(dòng)機(jī)如何進(jìn)行簡易的調(diào)速，本文提出一種組合移相調(diào)速的觀點(diǎn)并對此進(jìn)行初淺的討論。

1 雙電機(jī)移相調(diào)速的思路

異步電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場將定子的電磁功率傳輸給轉(zhuǎn)子，傳輸效率在主磁通椎m為常量時(shí)較高。所謂的理想空載轉(zhuǎn)速實(shí)質(zhì)上是電磁功率與電磁轉(zhuǎn)矩之比，并隨轉(zhuǎn)子合成電勢量的改變而變化，進(jìn)而在轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢這個(gè)物理量的改變中使其轉(zhuǎn)速變化。據(jù)此，我們設(shè)法對轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢采用間接控制的辦法，應(yīng)用一種“曲折移相調(diào)速”技術(shù)將異步電動(dòng)機(jī)改變?yōu)殡p定子的結(jié)構(gòu)，或?qū)膳_(tái)繞線式異步電機(jī)同軸組合為一體，具體用調(diào)節(jié)兩只定子繞組電勢相量的電勢合成原理對兩臺(tái)電機(jī)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)調(diào)速。因?yàn)榉殖呻p定子鐵心及繞組，其中之一的副繞組要相對主繞組進(jìn)行幅值恒定而相位變化的移相控制，考慮到移相控制中可用電容器簡化變流電路結(jié)構(gòu)而提高功率因數(shù)，運(yùn)用了“組合移相調(diào)速”技術(shù)。

這種通過改變兩只定子繞組相對的電勢相量而間接控制串聯(lián)為一體的轉(zhuǎn)子電勢的調(diào)速方法，一方面是基于用普通晶閘管構(gòu)成變流裝置而降低造價(jià);另一方面是基于用電容器進(jìn)行變流而提高功率因數(shù)及獲得綜合的節(jié)電效果。

2 組合移相調(diào)速電路的結(jié)構(gòu)及控制方式

在將兩臺(tái)同型號及同功率的繞組轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)的輸出軸直接相聯(lián)或間接相聯(lián)時(shí)，主電機(jī)的三相轉(zhuǎn)子繞組Wa1、Wb1、Wc1 與副電機(jī)的三相轉(zhuǎn)子繞組Wa2、Wb2、Wc2，經(jīng)分別的滑環(huán)及碳刷并用三根導(dǎo)線以相同的電勢相位方式連接成回路，如圖1所示。主電機(jī)的三相定子繞組WA1、WB1及WC1連接成三角形或星形接線，并經(jīng)三相交流開關(guān)K1連接于三相工頻電源的A、B、C三端。副電機(jī)的定子繞組與其組合變流裝置的接線方式是：三相定子繞組WA2、WB2、WC2連接成其中性端為E0 的星形接線;采用普通整流管D1~D6連接成三相橋式整流電路，三個(gè)輸入端經(jīng)交流開關(guān)K2連接于三相工頻電源的A、B、C端，直流輸出端E1與E2兩端連接兩只濾波電容器C01與C02;采用普通晶閘管T1~T6連接成三相橋式逆變器，三個(gè)交流端分別經(jīng)串聯(lián)的換流電容器C1、C2、C3與三相星形接線的定子繞組連接，并將繞組的中性端與兩只濾波電容器之間的E0端連接。

三相逆變橋的控制及通流順序?yàn)椋?只晶閘管按照T1—T2—T3—T4—T5—T6 的順序依次并循環(huán)地進(jìn)行觸發(fā)導(dǎo)通，并按照分別導(dǎo)通120~180°的電角度而進(jìn)行六節(jié)拍的換流。

3 只換流電容器C1、C2、C3利用連接的感性繞組起到吸收并釋放電磁能量的作用，在逆變橋以正向或以反向的通流順序中，形成正、負(fù)幅值相等并間隔一定時(shí)間的交流電壓量。例如，晶閘管T1的觸發(fā)導(dǎo)通使儲(chǔ)存電荷的電容器C1 的電壓從幅值減小至零并反向充電，繞組WA2中的電流從零逐漸上升至幅值，再逐漸下降至零，并使晶閘管T1在電流過零時(shí)自行關(guān)斷;間隔一定時(shí)間觸發(fā)晶閘管T4導(dǎo)通時(shí)，換流電容C1 反向儲(chǔ)存的電荷經(jīng)由濾波電容器C02 與繞組WA2形成反方向的放電回路，使電機(jī)繞組流過與其幅值相等的負(fù)向脈波電流。在6 只晶閘管循環(huán)地觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)，三相定子繞組隨其形成相位可轉(zhuǎn)移的旋轉(zhuǎn)磁場，并同相對地經(jīng)交流開關(guān)K1接通于三相電源的另一臺(tái)電機(jī)的三相繞組以磁場相量合成的方式共同經(jīng)氣隙磁場作用于串聯(lián)的兩只轉(zhuǎn)子繞組。

3 移相變流的調(diào)速原理

因?yàn)楫惒诫妱?dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子電流成正比，其組合的轉(zhuǎn)子回路的電流數(shù)值又取決于合成電勢相量的數(shù)值及轉(zhuǎn)差率，因此采用轉(zhuǎn)移兩只定子繞組的電勢相位角的方式來間接改變組合轉(zhuǎn)子繞組合成的電勢相量。同軸連接的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化的特點(diǎn)是：在三相定子繞組WA2、WB2、WC2的感應(yīng)電勢相量相對另一臺(tái)電機(jī)的三相定子繞組WA1、WB1、WC1的電勢相量分別一致時(shí)，其轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)行于額定轉(zhuǎn)速;在定子繞組的電勢相量的相角差向180°變化時(shí)，其轉(zhuǎn)速將趨近于零。因?yàn)檗D(zhuǎn)子繞組的電勢相量依賴于對應(yīng)定子繞組的電勢相量，因此，在調(diào)速控制中僅須對定子繞組進(jìn)行相應(yīng)的電勢相量的相位轉(zhuǎn)移而無須變動(dòng)頻率。在兩只繞線式轉(zhuǎn)子的三相繞組串聯(lián)連接時(shí)，運(yùn)轉(zhuǎn)中的轉(zhuǎn)子相電流的方程式為

在6 只晶閘管依次相差0.02/6 s的觸發(fā)導(dǎo)通順序中，副電機(jī)的定子繞組的感應(yīng)電勢相量受旋轉(zhuǎn)磁場的主導(dǎo)作用仍是正弦波形，換流電容器與整流器疊加的脈沖電壓量主要作用于定子繞組的漏抗X1上。在選擇400~500 V的電力電容器作為換流電容器，并在其容量與電機(jī)輸入功率接近于相等時(shí)，可使系統(tǒng)的功率因數(shù)接近于1.0。定子繞組的漏抗X1受換流電容器的充放電作用，也使其影響輸出轉(zhuǎn)矩的降壓作用基本消除。

4 移相變流電路的參數(shù)選擇及功率傳輸?shù)姆治?/p>

在定子繞組WA2、WB2、WC2 與轉(zhuǎn)子繞組Wa2、Wb2、Wc2用等值電路表示其參數(shù)，按額定轉(zhuǎn)速及額定負(fù)載將電機(jī)的每相電路折算為R 與L 的串聯(lián)支路，用EC表示換流電容器交流電壓的幅值，并用E01表示濾波電容器的直流電壓，經(jīng)拉氏變換及運(yùn)算可寫出回路的動(dòng)態(tài)電流為

這是衰減振蕩曲線，其第一個(gè)波形近似為正弦波。

經(jīng)小型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，換流電容器的交流電壓的幅值接近于逆變器直流側(cè)的電壓值。因此，可先選擇在每只換流電容器的容量值、電機(jī)輸入的每相功率值相等時(shí)開始進(jìn)行調(diào)試，之后再根據(jù)實(shí)際的變化情況進(jìn)行修正。對三相低壓整流器的整流管與逆變器的晶閘管的電壓值，可選擇為1 000~1 500 V，其額定電流按2~3倍的電機(jī)銘牌電流值選取。逆變器的觸發(fā)控制回路基本類似于普通的三相可控整流器的常規(guī)回路，但須配置在某一換流過程中要可靠地關(guān)斷相應(yīng)的晶閘管后才允許觸發(fā)同一橋路的另一只晶閘管的聯(lián)鎖環(huán)節(jié)。

移相變流電路從改變串聯(lián)轉(zhuǎn)子的電勢值而改變轉(zhuǎn)速這一點(diǎn)來看，與低同步串級調(diào)速的原理有一定的相似之處，但是移相變流電路不必用電力電子器件回饋轉(zhuǎn)差功率。因?yàn)樵趦芍晦D(zhuǎn)子繞組的感應(yīng)電勢相對曲折轉(zhuǎn)移至某一琢角時(shí)，對應(yīng)的兩只定子繞組的電勢相量勢必分別發(fā)生相位角為琢/2 的轉(zhuǎn)移，使經(jīng)由氣隙磁場的對定子繞組的去磁作用處在磁勢平衡的關(guān)系中，而使定子繞組電流增大的比例隨琢相角的增大而減小。由于兩臺(tái)電機(jī)的氣隙磁通椎m保持恒定，因此兩個(gè)轉(zhuǎn)子合成的電勢量與理想空載轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系。在電勢量隨移相角增大而變小時(shí)，理想空載轉(zhuǎn)速也隨著下降，并使得兩臺(tái)電機(jī)輸入的電磁功率對應(yīng)降低。

5 結(jié)語

在兩臺(tái)繞線式異步電動(dòng)機(jī)同軸連接或?qū)⑵涠ㄗ予F心及繞組分隔成獨(dú)立磁路的結(jié)構(gòu)時(shí)，利用雙定子繞組的磁場相量的合成作用可使轉(zhuǎn)子電勢及其轉(zhuǎn)矩變化。采用串聯(lián)電容器及普通晶閘管的組合變流方式，不僅使其調(diào)速性能在平滑調(diào)節(jié)的過程中可實(shí)現(xiàn)零速至額定轉(zhuǎn)速的全范圍調(diào)速，還具有變流裝置的結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低、功率因數(shù)較高和可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。本文提出的雙定子結(jié)構(gòu)及變換兩只定子繞組的電勢相量而進(jìn)行相量合成的調(diào)速方法，其實(shí)質(zhì)是通過改變電磁功率進(jìn)而改變其理想空載轉(zhuǎn)速，從而以簡易的電路結(jié)構(gòu)和較高的節(jié)能效果實(shí)現(xiàn)了對組合異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。