異步電機(jī)斬波串級調(diào)速方法研究

柳翔林，向小民，孫俊暉

（1.三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院，湖北宜昌 443002；2.國網(wǎng)湖北省電力有限公司武漢供電公司，武漢 43000）

引言

斬波串級調(diào)速系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、易運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)，相比于變頻調(diào)速，斬波串級調(diào)速系統(tǒng)對電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)施加控制，因而能量損耗更低，效率更高[1,2]。近年來，隨著斬波技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用，斬波串級調(diào)速系統(tǒng)功率因數(shù)、調(diào)速范圍、調(diào)速精度等方面顯著提高，這是一種十分經(jīng)典的高效節(jié)能調(diào)速方案，在風(fēng)機(jī)、水泵等高壓大功率國民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)設(shè)備中受到了大范圍運(yùn)用[3-5]。

將異步電機(jī)中的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差功率和電流經(jīng)過斬波電路提供串級調(diào)速所需的附加電勢，取代傳統(tǒng)串級調(diào)速的逆變角控制，它不僅能提高電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)差功率的利用率，而且諧波功率小,機(jī)械特性硬,在高壓大功率電機(jī)的節(jié)能和調(diào)速上具有突出的優(yōu)勢。而且設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制，能提高系統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)穩(wěn)定特性，消除靜差，更好地實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的跟蹤調(diào)節(jié)。

1 斬波串級調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

斬波串級調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示[6]。在斬波串級調(diào)速系統(tǒng)中，左側(cè)為三相橋式整流單元，將異步電機(jī)轉(zhuǎn)子回路三相交流變?yōu)橹绷?。右?cè)為三相全橋有源逆變電路，為了提高功率因數(shù)，將逆變器固定工作在最小逆變角，中間的斬波電路替代逆變器，作為可調(diào)附加電動(dòng)勢，通過調(diào)節(jié)占空比來改變斬波器的輸入端，即轉(zhuǎn)子側(cè)合成電勢大小，達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。

圖1 斬波串級調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 斬波調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性

圖2為斬波串調(diào)系統(tǒng)的機(jī)械特性曲線。由圖2可知，相對于電機(jī)固有機(jī)械特性，加入斬波調(diào)速環(huán)節(jié)后，異步電機(jī)的機(jī)械特性在占空比取α1＝0.8和α2=0.9時(shí)，即轉(zhuǎn)差率為S10和S20時(shí)的電機(jī)機(jī)械特性曲線的固有斜率幾乎沒有改變，所對應(yīng)的斜率角變化很小。由此可推出，在轉(zhuǎn)子側(cè)接入斬波串級調(diào)速系統(tǒng)后，工作段運(yùn)行曲線沒有明顯改變，即加入斬波環(huán)節(jié)對電機(jī)造成的影響較小，系統(tǒng)機(jī)械特性較硬，電機(jī)對機(jī)械負(fù)荷的拖動(dòng)能力基本不受影響。

圖2 斬波式串級調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性

3 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

開環(huán)系統(tǒng)存在靜差調(diào)速，只能滿足某些轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍要求低的場合[7-9]，為了進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性和抗沖擊負(fù)載的能力，設(shè)計(jì)了電流內(nèi)環(huán)和轉(zhuǎn)速外環(huán)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，其控制原理圖如圖3所示。

圖3 雙閉環(huán)控制原理圖

4 升壓斬波串級調(diào)速系統(tǒng)的仿真

4.1 各電氣量仿真

以7.5 kW/380 V的三相異步電機(jī)的斬波串級調(diào)速設(shè)備為仿真平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證，恒定負(fù)載轉(zhuǎn)矩為76 N·m，異步電機(jī)參數(shù)及系統(tǒng)參數(shù)如表1～2所示。

表1 異步電機(jī)參數(shù)

表2 系統(tǒng)參數(shù)

風(fēng)機(jī)泵類等負(fù)載為平方轉(zhuǎn)矩，為了接近現(xiàn)實(shí)情況，利用電機(jī)測速模塊得到轉(zhuǎn)速信號(hào)，把轉(zhuǎn)矩信號(hào)反饋到輸入端，逆變環(huán)節(jié)使用半控型電力電子器件晶閘管，控制脈沖為三相六脈沖發(fā)生器。為了防止逆變顛覆，觸發(fā)控制角固定為最小逆變角30°，系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4(a)、(b)、(c)、(d)分別是系統(tǒng)轉(zhuǎn)子電流、電磁轉(zhuǎn)矩、逆變器直流電壓和逆變器交流電壓的波形。根據(jù)原理公式可知逆變器直流側(cè)電壓固定為440 V。負(fù)載轉(zhuǎn)矩恒定，給定轉(zhuǎn)速為恒定階躍信號(hào)，在電機(jī)剛啟動(dòng)的0.05 s內(nèi)，定子電流與轉(zhuǎn)子電流出現(xiàn)短時(shí)沖擊，但在0.05s后系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定。逆變器直流側(cè)電壓在440 V上下波動(dòng)，這是由于電網(wǎng)受擾動(dòng)導(dǎo)致。

圖4 系統(tǒng)仿真波形

4.2 閉環(huán)轉(zhuǎn)速仿真分析

閉環(huán)系統(tǒng)的PI參數(shù)為：轉(zhuǎn)速環(huán)中kp=15、ki=2和電流環(huán)中kp=2、ki=50。仿真得到轉(zhuǎn)速波形和電流波形如圖5，速度給定反饋波形為圖6。

圖5 轉(zhuǎn)速波形和電流波形

圖6 速度給定反饋圖

帶載運(yùn)行條件如下：電機(jī)所帶負(fù)載為76 N·m，仿真時(shí)間為1 s。設(shè)控制系統(tǒng)0 s的速度給定值為500 r/min，系統(tǒng)在給定的轉(zhuǎn)速階躍信號(hào)作用下運(yùn)行。啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速超調(diào)量為11%，上升時(shí)間約為0.1 s，調(diào)節(jié)時(shí)間約為0.05 s，轉(zhuǎn)速切換時(shí),超調(diào)量為2.5%，上升時(shí)間為0.07 s，調(diào)節(jié)時(shí)間為0.08 s。電流環(huán)保證了啟動(dòng)過程和調(diào)速過程中主回路電流峰值在110 A，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后電流穩(wěn)定在20 A。轉(zhuǎn)速較快的調(diào)整到所設(shè)定的給定轉(zhuǎn)速，穩(wěn)定后基本無波動(dòng)，轉(zhuǎn)速抗擾性能好。同樣的情況，0.4 s的給定速度階躍信號(hào)增加大為800 r/min，電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速基本無滯后給定的階躍信號(hào)，較好地跟隨給定轉(zhuǎn)速，可見該轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)具有較優(yōu)良的抵抗負(fù)載的突然變化并能較好地跟蹤給定轉(zhuǎn)速。

5 結(jié)語

傳統(tǒng)串級調(diào)速系統(tǒng)中加入升壓斬波環(huán)節(jié)，能夠提高異步電機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)功率因數(shù)。將異步電機(jī)中的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差功率和電流經(jīng)過斬波電路提供串級調(diào)速所需的附加電勢，取代傳統(tǒng)串級調(diào)速的逆變角控制，能夠提高電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)差功率的利用率和機(jī)械特性，并且減少了諧波功率,在高壓大功率電機(jī)的節(jié)能和調(diào)速方面具有突出的優(yōu)勢。設(shè)計(jì)的雙閉環(huán)無靜差調(diào)速控制系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)抗擾性能，具有工程運(yùn)用價(jià)值。