新颖高效的交流电机调速装置

新颖高效的交流电机调速装置  

摘要：重点介绍了内反馈绕线式异步电动机调速装置。该装置是应用现代电力电子技术控制内反馈绕线式异步电动机的一种新颖调速系统，其经济效益和社会效益显著。同时给出了2000kW大型绕线式异步电动机的调速装置实例。

关键词：电机调速；内反馈；斩波；晶闸管

1    引言

    随着变流技术和电力电子器件的飞速发展，国内近几年（以北方公司为代表）悄然兴起一种以绕线式异步电动机为控制对象的内反馈交流调速系统。在一些领域，它成为传统串级调速的换代产品，已在几十家水厂和电厂运行，并获得极大成功。大量的测试实验报告表明，该系统节电效果显著，有很高的经济效益；它启动特性好、对电网污染小、效率高、运行控制可靠、成本低、投资回报率高。而进口的同等容量的其它调速设备价格昂贵，维护比较困难。因此，这种内反馈调速系统便有了它极其广阔的发展空间。

2    装置性能

2.1    适用范围

    该系统最适用于水厂和电厂的高电压、大容量绕线式异步电动机。同时也适用于恒转矩类负载的绕线式电机，如提升、起重电机等。电机的容量为200～2000kW。

2.2    技术指标

    调速范围最高转速/最低转速=2，例如，4极电机可从750r/min～1480r/min连续调节，这在实际工程应用中已经满足需要；

    平均效率    90％（包括电机）；

    最高节电    45％；

    谐波分量    <5％；

    静差率    <1％（加闭环后）；

    投资回收年限    2年。

3    内反馈调速原理

    内反馈调速的实质在于将部分转子功率（称为转差功率）通过调速装置和置于电机定子内的第三绕组，亦称调节绕组（调节绕组是通过多层嵌套方式安置在电机定子槽中的）反馈给电网。转子通过调速装置反馈给调节绕组的功率越多，则余下来转化为轴功率输出的就越少，电机转速越低。反之，转子反馈给调节绕组的功率越少，电机的轴功率输出则越多，电机转速越高。因而通过改变转差功率使电机转速得以连续调节。和传统串级调速相比，省去了一个逆变变压器，进一步实现了节能和节材。

如果从能量平衡的角度考虑，则更容易理解这一原理。图1是忽略了损耗功率的理想状态。Ps为转差功率，Pe为定子功率，两者之和P是电机额定功率。开始时，电机是以满功率全速运行，如图1（a）所示。在这种状态下，从电网吸收的定子功率约等于轴输出功率，转差功率为零。进入调速状态后，如图1（b）所示。转差功率Ps渐渐加大，由于调速装置吸收的转差功率通过调节绕组反馈给电网，因而定子功率Pe相应减少，轴输出功率也减少，转速渐渐下降。反之，当转数调大时，转差功率Ps减少，而定子功率Pe相应增大，轴输出功率增大，电机从电网中吸收的功率也相应增大。当转差功率Ps减少到零时，电机又回到了全速运行状态。

(a) 不 调 速 状 态

(b) 调 速 状 态

图 1    内 反 馈 调 速 的 能 量 原 理

4    YQT－2B型斩波式内反馈调速装置

    YQT－2B型斩波式内反馈调速装置由于采用直流斩波技术，提高了设备工作的稳定性和功率因数，使调速系统各项指标达到了最优状态。下面以在福州自来水公司运行的2000kW（6000V）电机调速装置为例作一简要介绍，其主电路原理图如图2所示。

图2    内 反 馈 调 速 装 置 主 电 路 原 理 图

图 中 ：1KM，2KM，3KM—真 空 开 关 ；RB—整 流 桥 ；

IB—逆 变 桥 ；CB—关 断 桥 （ 由S₃，S₄，S₅，S₆ 4只晶 闸 管 构 成 ） ；S₁，S₂—斩 波 晶 闸 管 ；

R_f—为 启 动 频 敏 电 阻 。

4.1    整流桥

    由6只整流二极管组成不可控的三相整流桥,把从转子经过开关2KM引出的交流电变换为直流,整流后D点的电压波形见图3(a)。

4.2    逆变桥

    整流后的电流经过L₁，D₁，L₂及逆变桥，逆变成与定子同频同相的交流电反馈给电机调节绕组。这里不同于传统串级调速的是，超前角β（=23°）固定不变。因此，功率因数大大提高（cosβ=cos23°=0.92），同时谐波幅值减小、干扰减少，使装置更加稳定、可靠。B点电压波形见图3(d)。

4.3    斩波器

    滤波电感L₁之后接有由S₁，S₂₂只晶闸管并联组成的电流型并联斩波器（恒频调宽方式），通过它的电流形成转子轴功率。它的导通由主控制板发出的驱动脉冲控制，关断则是通过关断桥的电容C₁反向放电来实现的。控制斩波器的占空比,就可控制逆变电流（因为A点的电流等于逆变电流与斩波电流之和），于是控制了转差功率，即调节了转速。A点电压波形如图3(b)所示。

4.4    关断桥

    关断桥的任务是根据主控制板的指令轮流导通桥上对角线方向的两组晶闸管（S₃，S₆和S₄，S5）从而对关断电容C₁进行充电和放电，达到适时关断S₁和S₂的目的。

4.5    DCL吸收回路

    由二极管D₁，电容C₂和电感L₂组成的缓冲电路是系统可靠运行的重要保证，没有它斩波器将无法工作。图3(c)中v_c是C₂的电压波形。

(a) D点    (b) A点

(c) C点    (d) B点

图3    电 路 各 点 波 形 图

4.6    脉冲控制电路

    主控制板采用数字电路脉冲列触发。斩波用固定频率的可调脉冲触发，关断脉冲轮流触发关断桥对角线方向的2组晶闸管。逆变电路是有源逆变，超前角固定，触发脉冲为间隔60°的双窄脉冲，还增加了锁相环电路，从而大大地提高了可靠性。设置了完善的保护电路，对装置的过流、过压、缺相、停电等进行保护。

4.7    启动电路及操作过程

    频敏电阻R_f和真空开关1KM，2KM，3KM组成启动电路。启动过程如下：

    1）合上电机进线高压断路器的隔离开关（图2中没有画出）后，1KM吸合，使转子电路通过频敏电阻R_f接通，完成了启动前的准备工作；

    2）按启动按纽，断路器闭合，电机启动，当电机转速达到一定值时，2KM吸合，短接R_f使电机转速进一步提高，并达到全速运行状态；

    3）全速转调速状态需按调速按纽，真空开关3KM吸合，1KM延时断开，2KM仍保持吸合，此时，运行人员可以观察设备上的转速表，调节速度调节旋纽，得到所需要的转速；

    4）若需要停车或者转全速运行，只需再按停车或者全速按纽，控制电路会自动按程序完成操作指令。

4.8    调速装置的结构、工艺设计

    1）外形该装置由六个机柜组成，外形正视图见图4。控制面板安装在控制柜的门上，它上面装有转速表和各种操作按纽。斩波柜、逆变柜的门上也装有电流、电压表。

图4    调 速 装 置 正 视 图

图 中 ：1—频 敏 柜2—启 动 柜3—整 流 柜4—斩 波 柜5—逆 变 柜6—控 制 柜

    2）内部结构图5是调速装置的前、后视图。4只频敏电阻器由型钢牢固连接在一起，固定在基础上（因为它启动时振动很大）。真空开关安装在启动柜中，下面是滤波电感L₁。关断电容C₁装在整流柜中间，上面是由ABS标准功率单元组成并配置冷却风机的整流桥组。关断桥和斩波器安置在斩波柜上部，中间有电感L₃，下面有辅助冷却系统。逆变桥装在逆变柜上部，它下面是3KM开关，再下面是熔断器F，最下面是电感L₂。控制柜中主要安装二次继电电路元件，主控制板就装在透明的密封盒内，这样可以防止干扰并保护其免受腐蚀和损坏。缓冲电容C₂放在最下面。6个机柜采用高档的组合机箱，它们用螺栓连成一个整体，再固定在地基上。从而确保了整个装置的稳定可靠。所有连接铜母排都作镀锡处理并且可靠固定，尽量减少接触电阻，并使外形美观。

(a) 正 视 图                (b) 后 视 图

图 5    调 速 装 置 结 构 布 置 图

图 中 ： 1－ 频 敏 电 阻 器 组   2－ 真 空 开 关 （ 1KM， 2KM）    3－ 关 断 电 容C₁  4－ 风 机

5－ 整 流 桥 组 件   6－ 关 断 桥 和 斩 波 器 组 件   7－ 逆 变 桥 组 件    8－ 真 空 开 关 （ 3KM）

9－ 主 控 制 板 盒    10－ 继 电 器 板   11－ 机 箱   12－ 电 容C₂   13－ 熔 断 器 （ F）    

14－ 电 感L₂     15－ 辅 助 冷 却 系 统   16－ 电 感L₃    17－ 电 感L₁    18－ 铜 母 排 组

4.9    装置现场运行情况

    该装置1999年投入运行，表1是现场测试的运行参数。这套装置是目前内反馈调速系统中最大的一套，在国内调转差率的调速系统中也是屈指可数的。现场调试过程中，发现和处理了一些有价值的问题，为今后改进设计积累了宝贵经验。

表1    2000kW内反馈调速装置现场测试参数

    内反馈调速装置由于它新颖的构思和科学的原理，逐步为人们所认识,大有取代传统串级调速之势。概括起来有以下几大特点。

    1）效率提高

    与传统串级调速相比，内反馈调速不需要逆变变压器，自然就减少损耗，提高了效率。

    2）结构筒单

    它没有逆变变压器，内反馈电机只是在定子槽中嵌入调节绕组，电机尺寸改变不大。这就使系统结构大为筒化。

    3）谐波减少

    斩波型调速装置定子电流畸变率<5％，而传统串级调速的反馈电流畸变率高达30％。由于采用了固定的小超前角，大大提高了功率因数，降低了高次谐波影响。另外，反馈电流没有直接输入定子绕组，也增加了对谐波的隔离作用。

    4）价格低廉

    内反馈调速的结构和控制方式都较为筒单，没有逆变变压器，因此成本大为减少（一个逆变变压器室的建设投资就是逆变变压器的2倍）。

    5）控制方式科学合理

    由于是在转子侧实行控制，转子电压不高，不必（象变频调速那样）承受电源的高压。以这套2000kW电机调速为例，电机电压6000V，可转子电压只有1387V，电流878A。而逆变侧电压只有560V，电流326A。可见实现了用低电压控制高电压，小功率控制大功率。内反馈调速装置的容量远小于电动机的容量（逆变器的容量只是电动机容量的14.8％,而变频调速的容量要大于电机的容量）。因此在高电压、大容量绕线式电动机调速方面，从性能、价格比来考虑，内反馈调速要优于变频调速和传统串级调速。

6    结语

    如同其它新技术一样，虽然它取得了很大成功，但是还有一些需要解决的问题。例如，容量如何做得更大，如何解决大容量时的可靠性和抗干扰问题等。另外，这种调速方法目前只能在同步转数以下运行，再者，还不能利用原有的电动机，需要购置专用的内反馈电动机（但它不用昂贵的逆变变压器）。

    随着科技进步和新技术、新理论的不断完善，内反馈调速这一新技术的应用，将会向着更高性能、更大容量和自动化、智能化的方向发展，将令为我国的电机调速事业做出更大贡献。