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交流調(diào)速的功率控制原理與斬波內(nèi)饋調(diào)速

作者: 時(shí)間:2018-08-24 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201808/387660.htm

轉(zhuǎn)子電磁調(diào)速技術(shù)的關(guān)鍵為:

1)由于轉(zhuǎn)子電壓的頻率為變化的轉(zhuǎn)差頻率,因此必須要進(jìn)行頻率變換,以使轉(zhuǎn)子和附加電源進(jìn)行有功交換;

2)能夠連續(xù)地Pes的大小,以獲得平滑的無級(jí)調(diào)速。

另外,要合理確定Pes額定值,它將決定調(diào)速范圍。上述的技術(shù)要點(diǎn)是設(shè)計(jì)調(diào)速裝置應(yīng)該注意的原則。

附加電源是轉(zhuǎn)子電磁控制的結(jié)構(gòu)要點(diǎn),它是Pes傳輸所必須的。傳統(tǒng)的方法例如串級(jí)(Cascade Control)、雙饋(Double Feed)等調(diào)速的附加電源都由

外部來提供,但外附電源使系統(tǒng)復(fù)雜化,而且在低同步調(diào)速時(shí)造成Pes在定子至外附電源之間的無謂循環(huán),增大了定子損耗。較好的方法是在我國(guó)首創(chuàng)的斬波內(nèi)饋調(diào)速,其原理如圖5所示。

該系統(tǒng)的突出特征是采用了內(nèi)饋調(diào)速的特殊異步機(jī),在內(nèi)饋電機(jī)的定子槽中,與原邊繞組同槽嵌放一個(gè)內(nèi)饋繞組(前亦稱調(diào)節(jié)繞組),內(nèi)饋繞組在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下,感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)E3,其頻率為固定的電源工頻頻率。內(nèi)饋繞組與變流控制裝置的輸出端聯(lián)接,接受從轉(zhuǎn)子移出的電轉(zhuǎn)差功率P3,此時(shí)內(nèi)饋繞組處于發(fā)電狀態(tài),并通過電磁感應(yīng)抵消定子原邊輸入的多余電功率。定子的有功功率由調(diào)速前的P1變?yōu)镻1-P3,此時(shí)的定子有功功率為

P1K=P1-P3=PM+ΣP (25)

分析表明,定子有功功率不含電轉(zhuǎn)差功率,只隨機(jī)械功率而變化,而且電機(jī)的損耗功率沒有增大。

內(nèi)饋調(diào)速的調(diào)速范圍取決于電轉(zhuǎn)差功率的大小,Pes越大調(diào)速下限越低,調(diào)速范圍越大;反之Pes越調(diào)速范圍越小。Pes的大小取決于內(nèi)饋繞組的感應(yīng)電勢(shì)E3的量值,當(dāng)E3=E20(轉(zhuǎn)子開路電勢(shì))時(shí)調(diào)速可以從零開始。但無謂地?cái)U(kuò)大調(diào)速范圍必須付出相應(yīng)的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)代價(jià),因此,對(duì)于像風(fēng)機(jī)、泵類調(diào)速范圍不需要很大的負(fù)載,就沒有必要把調(diào)速范圍設(shè)計(jì)得很寬。

內(nèi)饋調(diào)速是基于轉(zhuǎn)子的電磁功率控制調(diào)速,與串級(jí)調(diào)速相比,由于加強(qiáng)了電機(jī)調(diào)速的內(nèi)因,所以內(nèi)饋調(diào)速?zèng)]有外附的變壓器,而且定子不含無謂循環(huán)傳輸?shù)碾娹D(zhuǎn)差功率,進(jìn)一步減小了電損耗。因此,內(nèi)饋調(diào)速具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,調(diào)速效率高的明顯優(yōu)點(diǎn),同目前的高壓變頻、串級(jí)等高效率調(diào)速相比,內(nèi)饋調(diào)速是更高效、更經(jīng)濟(jì)的調(diào)速。

6 內(nèi)饋調(diào)速的斬波控制

6.1 問題的提出

前已敘及,調(diào)速控制時(shí)要盡量避免產(chǎn)生感性無功功率以提高功率因數(shù),減小無功損耗。否則將使內(nèi)饋調(diào)速電機(jī)的激磁電流和激磁功率劇烈增大,導(dǎo)致定子原繞組和內(nèi)饋繞組無功損耗增大,嚴(yán)重影響電機(jī)的正常運(yùn)行。

現(xiàn)在把注意力集中在調(diào)速控制的變流裝置上,問題出現(xiàn)在變流控制中有源逆變器的控制方式上。

為了連續(xù)控制從轉(zhuǎn)子移出的功率即內(nèi)饋繞組的功率,實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的無級(jí)調(diào)節(jié),傳統(tǒng)的方法是采用移相控制。由于內(nèi)饋繞組的功率

這樣,當(dāng)內(nèi)饋調(diào)速電機(jī)的有功功率隨逆變角茁的增大而減小時(shí),而無功功率卻在相應(yīng)增大,從而使電機(jī)運(yùn)行惡化。

另外,移相控制的缺點(diǎn)是可靠性差。眾所周知,有源逆變對(duì)觸發(fā)脈沖的要求是嚴(yán)格的,任何觸發(fā)失誤都將導(dǎo)致逆變顛覆造成短路,不僅嚴(yán)重影響運(yùn)行的可靠性,而且檢修也困難(無法在故障狀態(tài)進(jìn)行分析、查找)。造成移相控制可靠性低的原因是:

1)觸發(fā)脈沖的移動(dòng)。觸發(fā)線路復(fù)雜而且要求具有快速響應(yīng)性,觸發(fā)線路抗干擾能力就降低。因?yàn)榭垢蓴_強(qiáng)的觸發(fā)電路必然具有大時(shí)間常數(shù)的慣性環(huán)節(jié),這和快速響應(yīng)是矛盾的。

2)逆變器的容量較大,換相困難。移相控制的全部受控功率都要經(jīng)過逆變器,逆變器的容量相對(duì)就要增大,致使換相矛盾突出,難度加大。實(shí)際上晶閘管有源逆變器的可靠性關(guān)鍵就在換相上,一旦換相失敗,逆變器就會(huì)發(fā)生短路故障,且無法自動(dòng)恢復(fù)。

限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平,串級(jí)調(diào)速和第一、二代的內(nèi)饋調(diào)速,采用的都是移相觸發(fā)控制,逆變器承擔(dān)著頻率變換和功率調(diào)節(jié)的雙重任務(wù),怎樣改進(jìn)都難免顧此失彼,多年的實(shí)踐證明,要從根本上解決問題只能另辟蹊徑。

6.2 斬波控制的調(diào)速原理

要克服移相控制的缺點(diǎn),只有改為對(duì)逆變電流進(jìn)行控制,簡(jiǎn)單的方法是在直流回路實(shí)行斬波控制。圖6所示的斬波控制原理電路是在逆變器NB 兩端并聯(lián)一個(gè)斬波開關(guān)K。

斬波開關(guān)對(duì)功率的控制作用是通過對(duì)電流平均值的控制實(shí)現(xiàn)的,斬波開關(guān)通常以恒頻調(diào)寬方式工作,即工作頻率一定,而開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間可調(diào)。這樣,當(dāng)斬波開關(guān)導(dǎo)通時(shí),轉(zhuǎn)子電流經(jīng)K而成回路,電流不流過逆變器,逆變器輸出功率P3=0,轉(zhuǎn)子的電磁功率轉(zhuǎn)化為機(jī)械功率。

當(dāng)開關(guān)K打開時(shí),轉(zhuǎn)子電流被迫流入逆變器,電流所產(chǎn)生的功率轉(zhuǎn)化為反饋功率。

根據(jù)電機(jī)調(diào)速的功控原理,電機(jī)轉(zhuǎn)速?zèng)Q定于機(jī)械功率(或反饋功率)的大小,在電流連續(xù)條件下,斬波電流和反饋電流互補(bǔ),因此,只要分析其中任意一個(gè)電流對(duì)功率的控制作用,就可以說明調(diào)速機(jī)理了。

斬波控制的電機(jī)調(diào)速等效電路如圖7所示。

分析可知,電機(jī)轉(zhuǎn)速正比于機(jī)械功率,而機(jī)械功率正比于斬波開關(guān)電流,因此,調(diào)速就成為單只改變斬波開關(guān)電流的問題了。

為了簡(jiǎn)化分析,設(shè)負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變,轉(zhuǎn)子直流電流為定值,即Id=C。斬波開關(guān)工作時(shí),斬波電流iK和逆變閥端電流iN波形如圖8所示。

可見改變占空比即可實(shí)現(xiàn)對(duì)反饋功率P3的控制,從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制。

斬波控制實(shí)際上是數(shù)字化的功率控制,它較好地克服了移相控制的缺點(diǎn),目前已成為電力電子技術(shù)的發(fā)展方向。把斬波技術(shù)與內(nèi)饋調(diào)速有機(jī)結(jié)合所形成的斬波內(nèi)饋調(diào)速,具有功率因數(shù)高、諧波分量小、逆變器和內(nèi)饋繞組容量小、產(chǎn)品可靠性高等一系列優(yōu)點(diǎn),使內(nèi)饋調(diào)速取得了質(zhì)的提高,也是第三代內(nèi)饋調(diào)速的典型特征。

7 新異步機(jī)調(diào)速分類與結(jié)論

電機(jī)調(diào)速P理論揭示了電機(jī)調(diào)速的實(shí)質(zhì),使調(diào)速原理和調(diào)速性能有機(jī)聯(lián)系起來,結(jié)束了傳統(tǒng)電機(jī)學(xué)調(diào)速分類缺乏科學(xué)性的歷史。根據(jù)P理論,新異步機(jī)調(diào)速分類如圖9所示。

8 結(jié)語(yǔ)

1)電機(jī)調(diào)速的實(shí)質(zhì)是基于功率控制。功率控制原則有兩種,一種是電磁功率控制,所改變的是電機(jī)理想空載轉(zhuǎn)速,調(diào)速是高效率的節(jié)能型調(diào)速;另一種是損耗功率控制,增大電機(jī)轉(zhuǎn)速降,調(diào)速是低效率、耗能型調(diào)速。電機(jī)轉(zhuǎn)速普遍表達(dá)為理想空載轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)速降之差,所有電機(jī)調(diào)速方法都?xì)w結(jié)于功率控制原理之中,或是從屬電磁功率控制原則,或是從屬損耗功率控制原則。

2)交流異步機(jī)調(diào)速的實(shí)質(zhì)在于功率控制,電磁功率控制改變的是理想空載轉(zhuǎn)速,損耗功率控制增大轉(zhuǎn)速降。調(diào)速效率只取決于功率控制的屬性而與其它無關(guān)。

3)經(jīng)典的調(diào)速理論按變f 、變s、及變P劃分調(diào)速方法缺乏科學(xué)性,電機(jī)學(xué)中的異步機(jī)轉(zhuǎn)速表達(dá)式是人為定義式而非公式,不能視為指導(dǎo)交流調(diào)速的理論依據(jù)。

4)內(nèi)饋調(diào)速與變頻調(diào)速同屬電磁功率控制調(diào)速,只有作用對(duì)象區(qū)別,沒有本質(zhì)區(qū)別。

5)凡電磁功率控制的調(diào)速,無論是以定子還是轉(zhuǎn)子為控制對(duì)象,調(diào)速都是高效率的,機(jī)械特性為平行曲線;而增大損耗功率的調(diào)速,調(diào)速效率較低,機(jī)械特性為匯交曲線。兩種調(diào)速的機(jī)械特性曲線的區(qū)別如圖10所示。

反之,凡機(jī)械特性為平行曲線的調(diào)速必然是電磁功率控制的高效率調(diào)速;而機(jī)械特性為匯交曲線的調(diào)速必然是增大損耗功率的低效率調(diào)速。這種簡(jiǎn)明的推論對(duì)交流調(diào)速的選擇、應(yīng)用具有十分簡(jiǎn)便的指導(dǎo)意義。


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