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。大量的測試實(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200～2000kW。

2.2    技術(shù)指標(biāo)

    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/min～1480r/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)子通過調(diào)速裝置反饋給調(diào)節(jié)繞組的功率越多，則余下來轉(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) 調(diào) 速 狀 態(tài)

圖 1    內(nèi) 反 饋 調(diào) 速 的 能 量 原 理  [!--empirenews.page--]

4    YQT－2B型斬波式內(nèi)反饋調(diào)速裝置

    YQT－2B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)。下面以在福州自來水公司運(yùn)行的2000kW（6000V）電機(jī)調(diào)速裝置為例作一簡要介紹，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 關(guān) ；RB—整 流 橋 ；

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 ；

R_f—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)過開關(guān)2KM引出的交流電變換為直流,整流后D點(diǎn)的電壓波形見圖3(a)。

4.2    逆變橋

    整流后的電流經(jīng)過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)串級調(diào)速的是，超前角β（=23°）固定不變。因此，功率因數(shù)大大提高（cosβ=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)斷則是通過關(guān)斷橋的電容C₁反向放電來實(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。

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)通橋上對角線方向的兩組晶閘管（S₃，S₆和S₄，S5）從而對關(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，沒有它斬波器將無法工作。圖3(c)中v_c是C₂的電壓波形。

(a) D點(diǎn)    (b) A點(diǎn)

(c) C點(diǎn)    (d) B點(diǎn)

圖3    電 路 各 點(diǎn) 波 形 圖  [!--empirenews.page--]

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，對裝置的過流、過壓、缺相、停電等進(jìn)行保護(hù)。

4.7    啟動(dòng)電路及操作過程

    頻敏電阻R_f和真空開關(guān)1KM，2KM，3KM組成啟動(dòng)電路。啟動(dòng)過程如下：

    1）合上電機(jī)進(jìn)線高壓斷路器的隔離開關(guān)（圖2中沒有畫出）后，1KM吸合，使轉(zhuǎn)子電路通過頻敏電阻R_f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R_f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，真空開關(guān)3KM吸合，1KM延時(shí)斷開，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；

    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 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 件   7－ 逆 變 橋 組 件    8－ 真 空 開 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    18－ 銅 母 排 組

4.9    裝置現(xiàn)場運(yùn)行情況

    該裝置1999年投入運(yùn)行，表1是現(xiàn)場測試的運(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)場調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)和處理了一些有價(jià)值的問題，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)場測試參數(shù)

    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)串級調(diào)速之勢。概括起來有以下幾大特點(diǎn)。 [!--empirenews.page--]

    1）效率提高

    與傳統(tǒng)串級調(diào)速相比，內(nèi)反饋調(diào)速不需要逆變變壓器，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，反饋電流沒有直接輸入定子繞組，也增加了對諧波的隔離作用。

    4）價(jià)格低廉

    內(nèi)反饋調(diào)速的結(jié)構(gòu)和控制方式都較為筒單，沒有逆變變壓器，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?？梢妼?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)格比來考慮，內(nèi)反饋調(diào)速要優(yōu)于變頻調(diào)速和傳統(tǒng)串級調(diào)速。

6    結(jié)語

    如同其它新技術(shù)一樣，雖然它取得了很大成功，但是還有一些需要解決的問題。例如，容量如何做得更大，如何解決大容量時(shí)的可靠性和抗干擾問題等。另外，這種調(diào)速方法目前只能在同步轉(zhuǎn)數(shù)以下運(yùn)行，再者，還不能利用原有的電動(dòng)機(jī)，需要購置專用的內(nèi)反饋電動(dòng)機(jī)（但它不用昂貴的逆變變壓器）。

    隨著科技進(jìn)步和新技術(shù)、新理論的不斷完善，內(nèi)反饋調(diào)速這一新技術(shù)的應(yīng)用，將會(huì)向著更高性能、更大容量和自動(dòng)化、智能化的方向發(fā)展，將令為我國的電機(jī)調(diào)速事業(yè)做出更大貢獻(xiàn)。