新穎高效的交流電機(jī)調(diào)速

1、新穎高效的交流電機(jī)調(diào)速裝置   摘要：重點(diǎn)介紹了內(nèi)反饋繞線式異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速裝置。該裝置是應(yīng)用現(xiàn)代電力電子技術(shù)控制內(nèi)反饋繞線式異步電動(dòng)機(jī)的一種新穎調(diào)速系統(tǒng)，其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著。同時(shí)給出了2000kW大型繞線式異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速裝置實(shí)例。 關(guān)鍵詞：電機(jī)調(diào)速；內(nèi)反饋；斬波；晶閘管 1    引言     隨著變流技術(shù)和電力電子器件的飛速發(fā)展，國(guó)內(nèi)近幾年（以北方公司為代表）悄然興起一種以繞線式異步電動(dòng)機(jī)為控制對(duì)象的內(nèi)反饋交流調(diào)速系統(tǒng)。在一些領(lǐng)域，它成為傳統(tǒng)串級(jí)調(diào)速的換代產(chǎn)品，已在幾十家水廠和電廠運(yùn)行，并獲得極大成功。大

2、量的測(cè)試實(shí)驗(yàn)報(bào)告表明，該系統(tǒng)節(jié)電效果顯著，有很高的經(jīng)濟(jì)效益；它啟動(dòng)特性好、對(duì)電網(wǎng)污染小、效率高、運(yùn)行控制可靠、成本低、投資回報(bào)率高。而進(jìn)口的同等容量的其它調(diào)速設(shè)備價(jià)格昂貴，維護(hù)比較困難。因此，這種內(nèi)反饋調(diào)速系統(tǒng)便有了它極其廣闊的發(fā)展空間。 2    裝置性能 2.1    適用范圍     該系統(tǒng)最適用于水廠和電廠的高電壓、大容量繞線式異步電動(dòng)機(jī)。同時(shí)也適用于恒轉(zhuǎn)矩類負(fù)載的繞線式電機(jī)，如提升、起重電機(jī)等。電機(jī)的容量為2002000kW。 2.2    技術(shù)指標(biāo)  &

3、#160;  調(diào)速范圍最高轉(zhuǎn)速/最低轉(zhuǎn)速=2，例如，4極電機(jī)可從750r/min1480r/min連續(xù)調(diào)節(jié)，這在實(shí)際工程應(yīng)用中已經(jīng)滿足需要；     平均效率    90（包括電機(jī)）；     最高節(jié)電    45；     諧波分量    <5；     靜差率    <1（加閉環(huán)后）；     投資回收

4、年限    2年。 3    內(nèi)反饋調(diào)速原理     內(nèi)反饋調(diào)速的實(shí)質(zhì)在于將部分轉(zhuǎn)子功率（稱為轉(zhuǎn)差功率）通過(guò)調(diào)速裝置和置于電機(jī)定子內(nèi)的第三繞組，亦稱調(diào)節(jié)繞組（調(diào)節(jié)繞組是通過(guò)多層嵌套方式安置在電機(jī)定子槽中的）反饋給電網(wǎng)。轉(zhuǎn)子通過(guò)調(diào)速裝置反饋給調(diào)節(jié)繞組的功率越多，則余下來(lái)轉(zhuǎn)化為軸功率輸出的就越少，電機(jī)轉(zhuǎn)速越低。反之，轉(zhuǎn)子反饋給調(diào)節(jié)繞組的功率越少，電機(jī)的軸功率輸出則越多，電機(jī)轉(zhuǎn)速越高。因而通過(guò)改變轉(zhuǎn)差功率使電機(jī)轉(zhuǎn)速得以連續(xù)調(diào)節(jié)。和傳統(tǒng)串級(jí)調(diào)速相比，省去了一個(gè)逆變變壓器，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了節(jié)能和節(jié)材。 如果從能量平衡的

5、角度考慮，則更容易理解這一原理。圖1是忽略了損耗功率的理想狀態(tài)。Ps為轉(zhuǎn)差功率，Pe為定子功率，兩者之和P是電機(jī)額定功率。開(kāi)始時(shí)，電機(jī)是以滿功率全速運(yùn)行，如圖1（a）所示。在這種狀態(tài)下，從電網(wǎng)吸收的定子功率約等于軸輸出功率，轉(zhuǎn)差功率為零。進(jìn)入調(diào)速狀態(tài)后，如圖1（b）所示。轉(zhuǎn)差功率Ps漸漸加大，由于調(diào)速裝置吸收的轉(zhuǎn)差功率通過(guò)調(diào)節(jié)繞組反饋給電網(wǎng)，因而定子功率Pe相應(yīng)減少，軸輸出功率也減少，轉(zhuǎn)速漸漸下降。反之，當(dāng)轉(zhuǎn)數(shù)調(diào)大時(shí)，轉(zhuǎn)差功率Ps減少，而定子功率Pe相應(yīng)增大，軸輸出功率增大，電機(jī)從電網(wǎng)中吸收的功率也相應(yīng)增大。當(dāng)轉(zhuǎn)差功率Ps減少到零時(shí)，電機(jī)又回到了全速運(yùn)行狀態(tài)。 (a) 不 調(diào) 速 狀 態(tài)(b)

6、 調(diào) 速 狀 態(tài)圖 1    內(nèi) 反 饋 調(diào) 速 的 能 量 原 理4    YQT2B型斬波式內(nèi)反饋調(diào)速裝置     YQT2B型斬波式內(nèi)反饋調(diào)速裝置由于采用直流斬波技術(shù)，提高了設(shè)備工作的穩(wěn)定性和功率因數(shù)，使調(diào)速系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到了最優(yōu)狀態(tài)。下面以在福州自來(lái)水公司運(yùn)行的2000kW（6000V）電機(jī)調(diào)速裝置為例作一簡(jiǎn)要介紹，其主電路原理圖如圖2所示。 圖2    內(nèi) 反 饋 調(diào) 速 裝 置 主 電 路 原 理 圖圖 中 ：1KM，2KM，3KM真 空 開(kāi) 關(guān) ；RB整 流 橋

7、 ；IB逆 變 橋 ；CB關(guān) 斷 橋 （ 由S3，S4，S5，S6 4只晶 閘 管 構(gòu) 成 ） ；S1，S2斬 波 晶 閘 管 ；Rf為 啟 動(dòng) 頻 敏 電 阻 。4.1    整流橋     由6只整流二極管組成不可控的三相整流橋,把從轉(zhuǎn)子經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)2KM引出的交流電變換為直流,整流后D點(diǎn)的電壓波形見(jiàn)圖3(a)。 4.2    逆變橋     整流后的電流經(jīng)過(guò)L1，D1，L2及逆變橋，逆變成與定子同頻同相的交流電反饋給電機(jī)調(diào)節(jié)繞組。這里不同于傳統(tǒng)串級(jí)調(diào)速的是，超前角（=23&

8、#176;）固定不變。因此，功率因數(shù)大大提高（cos=cos23°=0.92），同時(shí)諧波幅值減小、干擾減少，使裝置更加穩(wěn)定、可靠。B點(diǎn)電壓波形見(jiàn)圖3(d)。 4.3    斬波器     濾波電感L1之后接有由S1，S22只晶閘管并聯(lián)組成的電流型并聯(lián)斬波器（恒頻調(diào)寬方式），通過(guò)它的電流形成轉(zhuǎn)子軸功率。它的導(dǎo)通由主控制板發(fā)出的驅(qū)動(dòng)脈沖控制，關(guān)斷則是通過(guò)關(guān)斷橋的電容C1反向放電來(lái)實(shí)現(xiàn)的?？刂茢夭ㄆ鞯恼伎毡?就可控制逆變電流（因?yàn)锳點(diǎn)的電流等于逆變電流與斬波電流之和），于是控制了轉(zhuǎn)差功率，即調(diào)節(jié)了轉(zhuǎn)速。A點(diǎn)電壓波形如圖3(b)所示

9、。 4.4    關(guān)斷橋     關(guān)斷橋的任務(wù)是根據(jù)主控制板的指令輪流導(dǎo)通橋上對(duì)角線方向的兩組晶閘管（S3，S6和S4，S5）從而對(duì)關(guān)斷電容C1進(jìn)行充電和放電，達(dá)到適時(shí)關(guān)斷S1和S2的目的。 4.5    DCL吸收回路     由二極管D1，電容C2和電感L2組成的緩沖電路是系統(tǒng)可靠運(yùn)行的重要保證，沒(méi)有它斬波器將無(wú)法工作。圖3(c)中vc是C2的電壓波形。 (a) D點(diǎn)    (b) A點(diǎn)(c) C點(diǎn)    (d)

10、 B點(diǎn)圖3    電 路 各 點(diǎn) 波 形 圖4.6    脈沖控制電路     主控制板采用數(shù)字電路脈沖列觸發(fā)。斬波用固定頻率的可調(diào)脈沖觸發(fā)，關(guān)斷脈沖輪流觸發(fā)關(guān)斷橋?qū)蔷€方向的2組晶閘管。逆變電路是有源逆變，超前角固定，觸發(fā)脈沖為間隔60°的雙窄脈沖，還增加了鎖相環(huán)電路，從而大大地提高了可靠性。設(shè)置了完善的保護(hù)電路，對(duì)裝置的過(guò)流、過(guò)壓、缺相、停電等進(jìn)行保護(hù)。 4.7    啟動(dòng)電路及操作過(guò)程     頻敏電阻Rf和真空開(kāi)關(guān)1KM，2KM

11、，3KM組成啟動(dòng)電路。啟動(dòng)過(guò)程如下：     1）合上電機(jī)進(jìn)線高壓斷路器的隔離開(kāi)關(guān)（圖2中沒(méi)有畫(huà)出）后，1KM吸合，使轉(zhuǎn)子電路通過(guò)頻敏電阻Rf接通，完成了啟動(dòng)前的準(zhǔn)備工作；     2）按啟動(dòng)按紐，斷路器閉合，電機(jī)啟動(dòng)，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定值時(shí)，2KM吸合，短接Rf使電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)一步提高，并達(dá)到全速運(yùn)行狀態(tài)；     3）全速轉(zhuǎn)調(diào)速狀態(tài)需按調(diào)速按紐，真空開(kāi)關(guān)3KM吸合，1KM延時(shí)斷開(kāi)，2KM仍保持吸合，此時(shí)，運(yùn)行人員可以觀察設(shè)備上的轉(zhuǎn)速表，調(diào)節(jié)速度調(diào)節(jié)旋紐，得到所需要的轉(zhuǎn)速；   

12、0; 4）若需要停車或者轉(zhuǎn)全速運(yùn)行，只需再按停車或者全速按紐，控制電路會(huì)自動(dòng)按程序完成操作指令。 4.8    調(diào)速裝置的結(jié)構(gòu)、工藝設(shè)計(jì)     1）外形該裝置由六個(gè)機(jī)柜組成，外形正視圖見(jiàn)圖4?？刂泼姘灏惭b在控制柜的門上，它上面裝有轉(zhuǎn)速表和各種操作按紐。斬波柜、逆變柜的門上也裝有電流、電壓表。 圖4    調(diào) 速 裝 置 正 視 圖圖 中 ：1頻 敏 柜2啟 動(dòng) 柜3整 流 柜4斬 波 柜5逆 變 柜6控 制 柜    2）內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖5是調(diào)速裝置的前、后視圖。4只頻敏電阻器由

13、型鋼牢固連接在一起，固定在基礎(chǔ)上（因?yàn)樗鼏?dòng)時(shí)振動(dòng)很大）。真空開(kāi)關(guān)安裝在啟動(dòng)柜中，下面是濾波電感L1。關(guān)斷電容C1裝在整流柜中間，上面是由ABS標(biāo)準(zhǔn)功率單元組成并配置冷卻風(fēng)機(jī)的整流橋組。關(guān)斷橋和斬波器安置在斬波柜上部，中間有電感L3，下面有輔助冷卻系統(tǒng)。逆變橋裝在逆變柜上部，它下面是3KM開(kāi)關(guān)，再下面是熔斷器F，最下面是電感L2?？刂乒裰兄饕惭b二次繼電電路元件，主控制板就裝在透明的密封盒內(nèi)，這樣可以防止干擾并保護(hù)其免受腐蝕和損壞。緩沖電容C2放在最下面。6個(gè)機(jī)柜采用高檔的組合機(jī)箱，它們用螺栓連成一個(gè)整體，再固定在地基上。從而確保了整個(gè)裝置的穩(wěn)定可靠。所有連接銅母排都作鍍錫處理并且可靠固定，盡

14、量減少接觸電阻，并使外形美觀。 (a) 正 視 圖                (b) 后 視 圖圖 5    調(diào) 速 裝 置 結(jié) 構(gòu) 布 置 圖圖 中 ： 1 頻 敏 電 阻 器 組   2 真 空 開(kāi) 關(guān) （ 1KM， 2KM）    3 關(guān) 斷 電 容C1  4 風(fēng) 機(jī)5 整 流 橋 組 件   6 關(guān) 斷 橋 和 斬 波 器 組

15、 件   7 逆 變 橋 組 件    8 真 空 開(kāi) 關(guān) （ 3KM）9 主 控 制 板 盒    10 繼 電 器 板   11 機(jī) 箱   12 電 容C2   13 熔 斷 器 （ F）    14 電 感L2     15 輔 助 冷 卻 系 統(tǒng)   16 電 感L3    17 電 感L1  &#

16、160; 18 銅 母 排 組4.9    裝置現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況     該裝置1999年投入運(yùn)行，表1是現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的運(yùn)行參數(shù)。這套裝置是目前內(nèi)反饋調(diào)速系統(tǒng)中最大的一套，在國(guó)內(nèi)調(diào)轉(zhuǎn)差率的調(diào)速系統(tǒng)中也是屈指可數(shù)的?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)試過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)和處理了一些有價(jià)值的問(wèn)題，為今后改進(jìn)設(shè)計(jì)積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。 表1    2000kW內(nèi)反饋調(diào)速裝置現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試參數(shù) 占空比D/ 轉(zhuǎn)速n/(r/min) 電源電壓/V 電源電流/A 轉(zhuǎn)子電壓/V 轉(zhuǎn)子電流/A 逆變電壓/V 逆變電流/A 10 475 6300 140 380 600 570

17、 305 30 480 6300 145 360 620 570 290 60 520 6250 172 260 750 565 240 80 555 6230 190 150 850 565 160 95 580 6200 205 75 910 560 60 5    內(nèi)反饋調(diào)速裝置的特點(diǎn)     內(nèi)反饋調(diào)速裝置由于它新穎的構(gòu)思和科學(xué)的原理，逐步為人們所認(rèn)識(shí),大有取代傳統(tǒng)串級(jí)調(diào)速之勢(shì)。概括起來(lái)有以下幾大特點(diǎn)。     1）效率提高     與傳統(tǒng)串級(jí)調(diào)速相比，內(nèi)反饋調(diào)速不需

18、要逆變變壓器，自然就減少損耗，提高了效率。     2）結(jié)構(gòu)筒單     它沒(méi)有逆變變壓器，內(nèi)反饋電機(jī)只是在定子槽中嵌入調(diào)節(jié)繞組，電機(jī)尺寸改變不大。這就使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大為筒化。     3）諧波減少     斬波型調(diào)速裝置定子電流畸變率<5，而傳統(tǒng)串級(jí)調(diào)速的反饋電流畸變率高達(dá)30。由于采用了固定的小超前角，大大提高了功率因數(shù)，降低了高次諧波影響。另外，反饋電流沒(méi)有直接輸入定子繞組，也增加了對(duì)諧波的隔離作用。     4）價(jià)格低廉  &

19、#160;  內(nèi)反饋調(diào)速的結(jié)構(gòu)和控制方式都較為筒單，沒(méi)有逆變變壓器，因此成本大為減少（一個(gè)逆變變壓器室的建設(shè)投資就是逆變變壓器的2倍）。     5）控制方式科學(xué)合理     由于是在轉(zhuǎn)子側(cè)實(shí)行控制，轉(zhuǎn)子電壓不高，不必（象變頻調(diào)速那樣）承受電源的高壓。以這套2000kW電機(jī)調(diào)速為例，電機(jī)電壓6000V，可轉(zhuǎn)子電壓只有1387V，電流878A。而逆變側(cè)電壓只有560V，電流326A?？梢?jiàn)實(shí)現(xiàn)了用低電壓控制高電壓，小功率控制大功率。內(nèi)反饋調(diào)速裝置的容量遠(yuǎn)小于電動(dòng)機(jī)的容量（逆變器的容量只是電動(dòng)機(jī)容量的14.8,而變頻調(diào)速的容量要大于電機(jī)的容量）。因此在高電壓、大容量繞線式電動(dòng)機(jī)調(diào)速方面，從性能、價(jià)格比來(lái)考慮，內(nèi)反饋調(diào)速要優(yōu)于變頻調(diào)速和傳統(tǒng)串級(jí)調(diào)速。 自動(dòng)扶梯的核心部件是兩根鏈條，它們繞著兩對(duì)齒輪進(jìn)行循環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)。在扶梯頂部，有一臺(tái)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)齒輪，以轉(zhuǎn)動(dòng)鏈圈。典型的自動(dòng)扶梯使用100馬力的發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪。發(fā)動(dòng)機(jī)和鏈條系統(tǒng)都安裝在構(gòu)架中，構(gòu)架是指在兩個(gè)樓層間延