一種改進型串級調速系統(tǒng)的研究與設計

1 引言
三相異步電機拖動的風機和水泵耗電量占全國發(fā)電總量的40%以上。目前大多數(shù)的風機水泵采用閥門、擋板或其它低效調速方法來調節(jié)流量滿足負載要求，浪費電能嚴重。因而高效節(jié)能調速具有重要的經(jīng)濟和社會效益。在高效節(jié)能調速方面有串級調速、變頻調速兩種，兩者的區(qū)別是變流控制裝置控制點不同。變頻調速控制電機的定子側，而串級調速控制電機的轉子側。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上廣泛應用，大容量電機上則存在諸多問題 [1]。而串級調速承受的轉子電壓和比額定功率小得多的轉差功率，因而在高壓大容量電機調速上具有突出的優(yōu)勢。本文對傳統(tǒng)的串級調速系統(tǒng)進行了研究，并針對其缺點進行了改進，提出了一種改進串級調速系統(tǒng)的設計方案。

2 傳統(tǒng)串級調速系統(tǒng)的工作原理分析
傳統(tǒng)的串級調速系統(tǒng)將繞線電機的轉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。繞線電機轉子的相電動勢sEr0經(jīng)U1整流輸出直流電壓Vd。U2提供可調直流電壓Vi作為電機調速所需要的附加直流電動勢外，還可以將U1整流輸出的轉差功率逆變，通過逆變變壓器回饋到電網(wǎng)。不考慮電機轉子與變壓器繞組內阻以及晶閘管換相重疊角壓降的影響，可以寫出轉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為轉子直流回路總電阻。由電機學可知，轉子電流方程為：
（3）
CT與電機結構參數(shù)有關的常數(shù)；Φm是電機主磁通，電機供電電壓穩(wěn)定時，近似為常數(shù)；cosΦ2為轉子功率因數(shù)，當電機穩(wěn)定運行時，轉差率變化不大，因此轉子電流Ir近似與轉速無關，與電機負載大小有直接關系。下面從起動、調速與停車三種情況分析系統(tǒng)工作原理。
（1）起動
電動機起動時要有足夠大的轉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生滿足啟動需要的電流Id，但不超過額定值。這樣電機在一定轉矩下加速起動，隨著轉速的提高，轉子電動勢減小，增大α角以減小Vi值來維持起動電流的恒定，當達到期望的轉速時，不再調整α角，電機在此轉速下穩(wěn)定運行。
（2）調速
控制α角的大小就可以調節(jié)電動機的轉速。當增大α角時，由式（2）可知逆變電壓就會減小，Id將增大，電磁轉矩也將增大，使電機加速。隨著電機轉速提高，轉子相電動勢減小，Id減小，直到產生新的平衡，電機在增高了的轉速下穩(wěn)定運行。同理，減小α角可以使電機在降低的轉速下穩(wěn)定運行。
（3）停車
電機停車有制動停車和自由停車兩種。因為U1為不控整流裝置，因此不能依靠轉子側輸入功率實現(xiàn)電氣制動，只能靠減小α角逐漸減速，依靠負載轉矩停車。

3 改進型串級調速系統(tǒng)的分析設計
傳統(tǒng)串級調速系統(tǒng)控制晶閘管的觸發(fā)角實現(xiàn)無級平滑調速，把繞線電機的轉差功率回饋給電網(wǎng)，提高系統(tǒng)效率。但是存在明顯的缺點：不能通過轉子側輸入功率實現(xiàn)電氣制動；逆變器的移相角隨著調速范圍變化而變化，當移相角比較大時，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子電壓相匹配的逆變電壓，隨著系統(tǒng)調速范圍的變寬，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)串級調速系統(tǒng)進行改進。
為了實現(xiàn)繞線電機轉子側輸入電功率制動，將圖1中的U1不控整流單元設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器件。因為晶閘管的單向導電性，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)與電機間的傳遞裝置。改進后的串級調速系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 改進型串級調速系統(tǒng)原理圖

（1）起動
當繞線電機啟動時，轉差功率從轉子側流向電網(wǎng)，此時設置U1的觸發(fā)角α90°，為了提高功率因數(shù)，減少電流諧波含量，防止轉矩抖動，可設α=0°；U2的逆變角β90°，為增大轉矩，同時保證晶閘管可靠換流，設置β=30°，此時V1和V2均大于0，通過設定恒流源電流值為額定值，實現(xiàn)最大轉矩啟動。
（2）調速
因為U1、U2單元的控制角不變，調節(jié)恒流源電流值，必然引起轉子電流的Ir改變，當電機在某轉速n0下穩(wěn)定運行，此時轉子電流為Ir0。增大恒流源電流值，轉子電流也增大，電磁轉矩變大，電機加速，轉子電壓降低，轉子電流減小。當電機轉速達到期望值n1時，控制單元通過控制恒流源電流值使轉子電流仍為Ir0，此時電機在提高的轉速n1下穩(wěn)定運行。同理，反之可以實現(xiàn)電機轉速降低。次同步調速時，轉差功率為正，從轉子側流向電網(wǎng)；超同步調速，轉差功率為負，從電網(wǎng)流向電機。因為電機超同步運行用來滿足某些特殊負載，同時對電機要求比較高，應用范圍比較窄。
（3）停車
當電機制動時，轉子側從電網(wǎng)吸收能量。設置U1逆變角β=30°，U2觸發(fā)角α=0°。此時V1和V2均小于0，V1與轉子電流的夾角θ90°，此時電機輸入功率為負，電機處于發(fā)電狀態(tài)，將電機軸上的機械能及轉子側傳入的電能由定子側傳入電網(wǎng)，并產生制動轉矩加快停車，通過恒流源實現(xiàn)電氣制動。
改進型串級調速系統(tǒng)與傳統(tǒng)串級調速系統(tǒng)相比，具有以下優(yōu)勢：
（1）不需要實時調節(jié)晶閘管的觸發(fā)角，而是通過恒流源控制實現(xiàn)調速，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)拓撲的改變，實現(xiàn)了電機四象限運行，既可以次同步調速，也可以實現(xiàn)超同步調速，而且能夠實現(xiàn)電氣制動；
（3）通過恒流源直接控制轉子電流，使調速精度大大提高；
（4）轉子直流回路電阻減小，使系統(tǒng)機械特性增強。
隨著電機轉速的改變，轉子側的相電動勢的幅值、頻率是變化的，因此必須使U1的觸發(fā)脈沖與轉子側相電動勢保持同步。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)器產生轉子側晶閘管所需要的6路觸發(fā)脈沖，如圖3所示。當U1工作于整流狀態(tài)時，觸發(fā)角α=0°，轉子采樣電壓經(jīng)過過零比較器，產生方波進入移相器。當信號為高時，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)晶閘管的導通順序產生雙脈沖，經(jīng)驅動器放大后，送至晶閘管的門極。當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)至輸入信號達低電平為止，設計數(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，產生6路觸發(fā)脈沖，經(jīng)驅動器放大后控制晶閘管。因為轉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)與改進型串級調速系統(tǒng)的原理，以繞線式異步電動機YZR-355-L1-10作為研究對象，利用MATLAB軟件分別構建仿真模型如圖4和圖5所示。繞線電機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、額定轉速nN=582 r/min、額定轉矩TN=1804 n.m、轉動慣量J=17.08 kg.m2、空載電流104.3A、重量1764kg。

圖4 改進型串級調速系統(tǒng)仿真模型

圖5 傳統(tǒng)串級調速系統(tǒng)仿真模型

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

圖6 改進型與傳統(tǒng)串級調速系統(tǒng)啟動轉矩圖

圖7 改進型與傳統(tǒng)串級調速系統(tǒng)制動轉速圖

圖8 改進型串級調速系統(tǒng)電氣制動電磁轉矩圖

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

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

參考文獻
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[2] 陳伯時. 電力拖動自動控制系統(tǒng)——運動控制系統(tǒng)[M]. 機械工業(yè)出版社, 2009
[3] 郭建軍. 串級調速發(fā)展與現(xiàn)狀. 裝備制造技術. 2008(7):110-111
[4] 馮暉, 林爭輝. 三相全數(shù)字移相觸發(fā)電路. 國外電子元器件. 2002(3): 21-23

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節(jié)能控制系統(tǒng)的研究?！?/p>