摘要：重點介紹了內(nèi)反饋繞線式異步電動機調(diào)速裝置。該裝置是應用現(xiàn)代電力電子技術控制內(nèi)反饋繞線式異步電動機的一種新穎調(diào)速系統(tǒng)，其經(jīng)濟效益和社會效益顯著。同時給出了2000kW大型繞線式異步電動機的調(diào)速裝置實例。

關鍵詞：電機調(diào)速；內(nèi)反饋；斬波；晶閘管

　

1    引言

    隨著變流技術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機為控制對象的內(nèi)反饋交流調(diào)速系統(tǒng)。在一些領域，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行，并獲得極大成功。大量的測試實驗報告表明，該系統(tǒng)節(jié)電效果顯著，有很高的經(jīng)濟效益；它啟動特性好、對電網(wǎng)污染小、效率高、運行控制可靠、成本低、投資回報率高。而進口的同等容量的其它調(diào)速設備價格昂貴，維護比較困難。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機。同時也適用于恒轉(zhuǎn)矩類負載的繞線式電機，如提升、起重電機等。電機的容量為200～2000kW。

2.2    技術指標

    調(diào)速范圍最高轉(zhuǎn)速/最低轉(zhuǎn)速=2，例如，4極電機可從750r/min～1480r/min連續(xù)調(diào)節(jié)，這在實際工程應用中已經(jīng)滿足需要；

    平均效率    90％（包括電機）；

    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，電機的軸功率輸出則越多，電機轉(zhuǎn)速越高。因而通過改變轉(zhuǎn)差功率使電機轉(zhuǎn)速得以連續(xù)調(diào)節(jié)。和傳統(tǒng)串級調(diào)速相比，省去了一個逆變變壓器，進一步實現(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是電機額定功率。開始時，電機是以滿功率全速運行，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相應減少，軸輸出功率也減少，轉(zhuǎn)速漸漸下降。反之，當轉(zhuǎn)數(shù)調(diào)大時，轉(zhuǎn)差功率Ps減少，而定子功率Pe相應增大，軸輸出功率增大，電機從電網(wǎng)中吸收的功率也相應增大。當轉(zhuǎn)差功率Ps減少到零時，電機又回到了全速運行狀態(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，提高了設備工作的穩(wěn)定性和功率因數(shù)，使調(diào)速系統(tǒng)各項指標達到了最優(yōu)狀態(tài)。下面以在福州自來水公司運行的2000kW（6000V）電機調(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 ；RB—整 流 橋 ；

IB—逆 變 橋 ；CB—關 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 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2KM引出的交流電變換為直流,整流后D點的電壓波形見圖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），同時諧波幅值減小、干擾減少，使裝置更加穩(wěn)定、可靠。B點電壓波形見圖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。它的導通由主控制板發(fā)出的驅(qū)動脈沖控制，關斷則是通過關斷橋的電容C₁反向放電來實現(xiàn)的?？刂茢夭ㄆ鞯恼伎毡?就可控制逆變電流（因為A點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點電壓波形如圖3(b)所示。

4.4    關斷橋

    關斷橋的任務是根據(jù)主控制板的指令輪流導通橋上對角線方向的兩組晶閘管（S₃，S₆和S₄，S5）從而對關斷電容C₁進行充電和放電，達到適時關斷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    (b) A點

(c) C點    (d) B點

圖3    電 路 各 點 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)，關斷脈沖輪流觸發(fā)關斷橋?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。設置了完善的保護電路，對裝置的過流、過壓、缺相、停電等進行保護。

4.7    啟動電路及操作過程

    頻敏電阻R_f和真空開關1KM，2KM，3KM組成啟動電路。啟動過程如下：

    1）合上電機進線高壓斷路器的隔離開關（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，完成了啟動前的準備工作；

    2）按啟動按紐，斷路器閉合，電機啟動，當電機轉(zhuǎn)速達到一定值時，2KM吸合，短接R_f使電機轉(zhuǎn)速進一步提高，并達到全速運行狀態(tài)；

    3）全速轉(zhuǎn)調(diào)速狀態(tài)需按調(diào)速按紐，真空開關3KM吸合，1KM延時斷開，2KM仍保持吸合，此時，運行人員可以觀察設備上的轉(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)全速運行，只需再按停車或者全速按紐，控制電路會自動按程序完成操作指令。

4.8    調(diào)速裝置的結(jié)構(gòu)、工藝設計

    1）外形該裝置由六個機柜組成，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 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，固定在基礎上（因為它啟動時振動很大）。真空開關安裝在啟動柜中，下面是濾波電感L₁。關斷電容C₁裝在整流柜中間，上面是由ABS標準功率單元組成并配置冷卻風機的整流橋組。關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，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其免受腐蝕和損壞。緩沖電容C₂放在最下面。6個機柜采用高檔的組合機箱，它們用螺栓連成一個整體，再固定在地基上。從而確保了整個裝置的穩(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 （ 1KM， 2KM）    3－ 關 斷 電 容C₁  4－ 風 機

5－ 整 流 橋 組 件   6－ 關 斷 橋 和 斬 波 器 組 件   7－ 逆 變 橋 組 件    8－ 真 空 開 關 （ 3KM）

9－ 主 控 制 板 盒    10－ 繼 電 器 板   11－ 機 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)場運行情況

    該裝置1999年投入運行，表1是現(xiàn)場測試的運行參數(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)和處理了一些有價值的問題，為今后改進設計積累了寶貴經(jīng)驗。

表1    2000kW內(nèi)反饋調(diào)速裝置現(xiàn)場測試參數(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	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

    內(nèi)反饋調(diào)速裝置由于它新穎的構(gòu)思和科學的原理，逐步為人們所認識,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。 [!--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)反饋電機只是在定子槽中嵌入調(diào)節(jié)繞組，電機尺寸改變不大。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（一個逆變變壓器室的建設投資就是逆變變壓器的2倍）。

    5）控制方式科學合理

    由于是在轉(zhuǎn)子側(cè)實行控制，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電機調(diào)速為例，電機電壓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。可見實現(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)速裝置的容量遠小于電動機的容量（逆變器的容量只是電動機容量的14.8％,而變頻調(diào)速的容量要大于電機的容量）。因此在高電壓、大容量繞線式電動機調(diào)速方面，從性能、價格比來考慮，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)以下運行，再者，還不能利用原有的電動機，需要購置專用的內(nèi)反饋電動機（但它不用昂貴的逆變變壓器）。

    隨著科技進步和新技術、新理論的不斷完善，內(nèi)反饋調(diào)速這一新技術的應用，將會向著更高性能、更大容量和自動化、智能化的方向發(fā)展，將令為我國的電機調(diào)速事業(yè)做出更大貢獻。