新穎高效的交流電機調速裝置??

摘要：重點介紹了內反饋繞線式異步電動機調速裝置。該裝置是應用現代電力電子技術控制內反饋繞線式異步電動機的一種新穎調速系統，其經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速裝置實例。

關鍵詞：電機調速；內反饋；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展，國內近幾年（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反饋交流調速系統。在一些領域，它成為傳統串級調速的換代產品，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，該系統節電效果顯著，有很高的經濟效益；它啟動特性好、對電網污染小、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速設備價格昂貴，維護比較困難。因此，這種內反饋調速系統便有了它極其廣闊的發展空間。

2??? 裝置性能

2.1??? 適用范圍

??? 該系統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

??? 調速范圍最高轉速/最低轉速=2，例如，4極電機可從750r/min～1480r/min連續調節，這在實際工程應用中已經滿足需要；

??? 平均效率??? 90％（包括電機）；

??? 最高節電??? 45％；

??? 諧波分量??? <5％；

??? 靜差率??? <1％（加閉環后）；

??? 投資回收年限??? 2年。

3??? 內反饋調速原理

??? 內反饋調速的實質在于將部分轉子功率（稱為轉差功率）通過調速裝置和置于電機定子內的第三繞組，亦稱調節繞組（調節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。轉子通過調速裝置反饋給調節繞組的功率越多，則余下來轉化為軸功率輸出的就越少，電機轉速越低。反之，轉子反饋給調節繞組的功率越少，電機的軸功率輸出則越多，電機轉速越高。因而通過改變轉差功率使電機轉速得以連續調節。和傳統串級調速相比，省去了一個逆變變壓器，進一步實現了節能和節材。

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。Ps為轉差功率，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。在這種狀態下，從電網吸收的定子功率約等于軸輸出功率，轉差功率為零。進入調速狀態后，如圖1（b）所示。轉差功率Ps漸漸加大，由于調速裝置吸收的轉差功率通過調節繞組反饋給電網，因而定子功率Pe相應減少，軸輸出功率也減少，轉速漸漸下降。反之，當轉數調大時，轉差功率Ps減少，而定子功率Pe相應增大，軸輸出功率增大，電機從電網中吸收的功率也相應增大。當轉差功率Ps減少到零時，電機又回到了全速運行狀態。

(a) 不 調 速 狀 態

(b) 調 速 狀 態

圖 1??? 內 反 饋 調 速 的 能 量 原 理

4??? YQT－2B型斬波式內反饋調速裝置

??? YQT－2B型斬波式內反饋調速裝置由于采用直流斬波技術，提高了設備工作的穩定性和功率因數，使調速系統各項指標達到了最優狀態。下面以在福州自來水公司運行的2000kW（6000V）電機調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 反 饋 調 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 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,把從轉子經過開關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節繞組。這里不同于傳統串級調速的是，超前角β（=23°）固定不變。因此，功率因數大大提高（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只晶閘管并聯組成的電流型并聯斬波器（恒頻調寬方式），通過它的電流形成轉子軸功率。它的導通由主控制板發出的驅動脈沖控制，關斷則是通過關斷橋的電容C₁反向放電來實現的。控制斬波器的占空比,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），于是控制了轉差功率，即調節了轉速。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

4.6??? 脈沖控制電路

??? 主控制板采用數字電路脈沖列觸發。斬波用固定頻率的可調脈沖觸發，關斷脈沖輪流觸發關斷橋對角線方向的2組晶閘管。逆變電路是有源逆變，超前角固定，觸發脈沖為間隔60°的雙窄脈沖，還增加了鎖相環電路，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，當電機轉速達到一定值時，2KM吸合，短接R_f使電機轉速進一步提高，并達到全速運行狀態；

??? 3）全速轉調速狀態需按調速按紐，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速表，調節速度調節旋紐，得到所需要的轉速；

??? 4）若需要停車或者轉全速運行，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??? 調速裝置的結構、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。控制面板安裝在控制柜的門上，它上面裝有轉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 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）內部結構圖5是調速裝置的前、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。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。控制柜中主要安裝二次繼電電路元件，主控制板就裝在透明的密封盒內，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 速 裝 置 結 構 布 置 圖

圖 中 ： 1－ 頻 敏 電 阻 器 組?? 2－ 真 空 開 關 （ 1KM， 2KM）??? 3－ 關 斷 電 容C_1? 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?? 16－ 電 感L_3??? 17－ 電 感L₁??? 18－ 銅 母 排 組

4.9??? 裝置現場運行情況

??? 該裝置1999年投入運行，表1是現場測試的運行參數。這套裝置是目前內反饋調速系統中最大的一套，在國內調轉差率的調速系統中也是屈指可數的。現場調試過程中，發現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驗。

表1??? 2000kW內反饋調速裝置現場測試參數

??? 內反饋調速裝置由于它新穎的構思和科學的原理，逐步為人們所認識,大有取代傳統串級調速之勢。概括起來有以下幾大特點。

??? 1）效率提高

??? 與傳統串級調速相比，內反饋調速不需要逆變變壓器，自然就減少損耗，提高了效率。

??? 2）結構筒單

??? 它沒有逆變變壓器，內反饋電機只是在定子槽中嵌入調節繞組，電機尺寸改變不大。這就使系統結構大為筒化。

??? 3）諧波減少

??? 斬波型調速裝置定子電流畸變率<5％，而傳統串級調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，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

??? 內反饋調速的結構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

??? 由于是在轉子側實行控制，轉子電壓不高，不必（象變頻調速那樣）承受電源的高壓。以這套2000kW電機調速為例，電機電壓6000V，可轉子電壓只有1387V，電流878A。而逆變側電壓只有560V，電流326A。可見實現了用低電壓控制高電壓，小功率控制大功率。內反饋調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速方面，從性能、價格比來考慮，內反饋調速要優于變頻調速和傳統串級調速。

6??? 結語

??? 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，這種調速方法目前只能在同步轉數以下運行，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，內反饋調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、智能化的方向發展，將令為我國的電機調速事業做出更大貢獻。