雙異步電機組合移相調速方法的研究

0 引言

現(xiàn)行的采用PWM 方式對異步電動機進行VVVF調速的技術，由于采用可關斷電力電子器件與反饋整流器件及其較復雜的控制環(huán)節(jié)，使調速裝置的造價較高。再則，現(xiàn)有的變頻技術對異步電動機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行回饋，因而在較低的功率因數(shù)下產生電能損耗。在轉子回路中串入附加電勢而改變其理想空載轉速的串級調速技術，也存在最大轉矩下降和功率因數(shù)較低等問題。對于同軸傳動的兩臺繞線式異步電動機如何進行簡易的調速，本文提出一種組合移相調速的觀點并對此進行初淺的討論。

1 雙電機移相調速的思路

異步電動機的旋轉磁場將定子的電磁功率傳輸給轉子，傳輸效率在主磁通椎m為常量時較高。所謂的理想空載轉速實質上是電磁功率與電磁轉矩之比，并隨轉子合成電勢量的改變而變化，進而在轉子電動勢這個物理量的改變中使其轉速變化。據(jù)此，我們設法對轉子電動勢采用間接控制的辦法，應用一種“曲折移相調速”技術將異步電動機改變?yōu)殡p定子的結構，或將兩臺繞線式異步電機同軸組合為一體，具體用調節(jié)兩只定子繞組電勢相量的電勢合成原理對兩臺電機進行聯(lián)動調速。因為分成雙定子鐵心及繞組，其中之一的副繞組要相對主繞組進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構而提高功率因數(shù)，運用了“組合移相調速”技術。

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)為一體的轉子電勢的調速方法，一方面是基于用普通晶閘管構成變流裝置而降低造價;另一方面是基于用電容器進行變流而提高功率因數(shù)及獲得綜合的節(jié)電效果。

2 組合移相調速電路的結構及控制方式

在將兩臺同型號及同功率的繞組轉子異步電動機的輸出軸直接相聯(lián)或間接相聯(lián)時，主電機的三相轉子繞組Wa1、Wb1、Wc1 與副電機的三相轉子繞組Wa2、Wb2、Wc2，經分別的滑環(huán)及碳刷并用三根導線以相同的電勢相位方式連接成回路，如圖1所示。主電機的三相定子繞組WA1、WB1及WC1連接成三角形或星形接線，并經三相交流開關K1連接于三相工頻電源的A、B、C三端。副電機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，三個輸入端經交流開關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，三個交流端分別經串聯(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為：6只晶閘管按照T1—T2—T3—T4—T5—T6 的順序依次并循環(huán)地進行觸發(fā)導通，并按照分別導通120~180°的電角度而進行六節(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、負幅值相等并間隔一定時間的交流電壓量。例如，晶閘管T1的觸發(fā)導通使儲存電荷的電容器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在電流過零時自行關斷;間隔一定時間觸發(fā)晶閘管T4導通時，換流電容C1 反向儲存的電荷經由濾波電容器C02 與繞組WA2形成反方向的放電回路，使電機繞組流過與其幅值相等的負向脈波電流。在6 只晶閘管循環(huán)地觸發(fā)導通時，三相定子繞組隨其形成相位可轉移的旋轉磁場，并同相對地經交流開關K1接通于三相電源的另一臺電機的三相繞組以磁場相量合成的方式共同經氣隙磁場作用于串聯(lián)的兩只轉子繞組。

3 移相變流的調速原理

因為異步電動機的轉矩與轉子電流成正比，其組合的轉子回路的電流數(shù)值又取決于合成電勢相量的數(shù)值及轉差率，因此采用轉移兩只定子繞組的電勢相位角的方式來間接改變組合轉子繞組合成的電勢相量。同軸連接的轉子轉速變化的特點是：在三相定子繞組WA2、WB2、WC2的感應電勢相量相對另一臺電機的三相定子繞組WA1、WB1、WC1的電勢相量分別一致時，其轉速穩(wěn)定運行于額定轉速;在定子繞組的電勢相量的相角差向180°變化時，其轉速將趨近于零。因為轉子繞組的電勢相量依賴于對應定子繞組的電勢相量，因此，在調速控制中僅須對定子繞組進行相應的電勢相量的相位轉移而無須變動頻率。在兩只繞線式轉子的三相繞組串聯(lián)連接時，運轉中的轉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)導通順序中，副電機的定子繞組的感應電勢相量受旋轉磁場的主導作用仍是正弦波形，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，并在其容量與電機輸入功率接近于相等時，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 與轉子繞組Wa2、Wb2、Wc2用等值電路表示其參數(shù)，按額定轉速及額定負載將電機的每相電路折算為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，經拉氏變換及運算可寫出回路的動態(tài)電流為

這是衰減振蕩曲線，其第一個波形近似為正弦波。

經小型試驗發(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的電壓值。因此，可先選擇在每只換流電容器的容量值、電機輸入的每相功率值相等時開始進行調試，之后再根據(jù)實際的變化情況進行修正。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斷相應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)轉子的電勢值而改變轉速這一點來看，與低同步串級調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差功率。因為在兩只轉子繞組的感應電勢相對曲折轉移至某一琢角時，對應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 的轉移，使經由氣隙磁場的對定子繞組的去磁作用處在磁勢平衡的關系中，而使定子繞組電流增大的比例隨琢相角的增大而減小。由于兩臺電機的氣隙磁通椎m保持恒定，因此兩個轉子合成的電勢量與理想空載轉速成正比關系。在電勢量隨移相角增大而變小時，理想空載轉速也隨著下降，并使得兩臺電機輸入的電磁功率對應降低。

5 結語

在兩臺繞線式異步電動機同軸連接或將其定子鐵心及繞組分隔成獨立磁路的結構時，利用雙定子繞組的磁場相量的合成作用可使轉子電勢及其轉矩變化。采用串聯(lián)電容器及普通晶閘管的組合變流方式，不僅使其調速性能在平滑調節(jié)的過程中可實現(xiàn)零速至額定轉速的全范圍調速，還具有變流裝置的結構簡單、造價低、功率因數(shù)較高和可靠性高的優(yōu)點。本文提出的雙定子結構及變換兩只定子繞組的電勢相量而進行相量合成的調速方法，其實質是通過改變電磁功率進而改變其理想空載轉速，從而以簡易的電路結構和較高的節(jié)能效果實現(xiàn)了對組合異步電動機的調速。