简单的科学幻想画:一种新型的交流电机转子侧变频调速装置

2007-09-08 04:05:18
>
1、引言
我国普遍存在着工业生产能耗高，能源浪费严重的现象，其中风机、水泵类是应用最广、耗电量大的生产机械，用阀门、档板调节流量造成电能严重浪费，节能是亟待解决的问题。采用高效先进的调速手段正是行之有效的解决途径。
应用于风机、水泵类的中高压电机，主要为三相异步电动机，包括鼠笼型和绕线型，高效率的调速方式有两种，即定子侧变频和转子侧变频。定子侧变频也叫高压变频，普遍应用鼠笼型电动机，其性能较好，但因为系统直接接高压电网，所以技术复杂、体积庞大、可靠性较低、价格昂贵。转子侧变频调速也叫转子变频调速，使用绕线型电动机，将变频调速基本原理应用于转子侧，因为转子侧使用低电压，所以技术复杂度降低、体积大为缩小、可靠性高、价格适中。
2、转子变频调速原理
2.1 主回路结构
典型的转子变频主电路如图1所示。它主要由电动机的转子绕组、转子回路固定整流电路DR、PWM斩波器BC、IGBT（或晶闸管）逆变器TI和升压变压器Taw等部件组成。斩波器BC根据电动机的设定转速n进行速度调节，转差功率经升压后回馈给电网。

图1 采用升压变压器的转子变频主电路
采用内反馈电动机的转子变频主电路如图2所示，绕线式异步电动机的定子内嵌有与转子最高逆变输出电压相适应的内反馈绕组，它具有转子正反馈作用。被控制电动机的转差功率直接回馈给电动机本身，增大了该电动机的出力，也节约了能源。此方案的原理基本上与上述典型的转子变频方案相同，但转差功率不回馈入电网，当然也不需要升压变压器。

图2 采用内反馈电动机的转子变频主电路
2.2 转子变频调速原理
（1）定子线组直接接至3～10kV电网。
（2）转子绕组接400～1000V变频器，转子绕组接整流器DR；逆变器TI的输出，通过变压器接至中压电网或接内反馈电动机的定子辅助绕组。
转子电压Ur=s×Ur0
其中，s为异步电动机的滑差，Ur0＜1000V为转子开路电压。风机和水泵一般要求s=0.3～0.5，故Ur＜400～1000V，可以采用低压变频器。转子整流电压Udr和逆变器直流母线电压之差由斩波器BC控制。
2.3 斩波器控制的工作原理

图3 斩波器控制原理图
斩波器控制如图3所示，斩波器BC根据电动机的设定转速n进行速度调节，速度调节器的输出值作为转子电流的Idr的设定值，电流调节器的输出外则控制斩波器输出波形的占空比ρ，从而控制转子整流电压Udr和转子交流电压Ur，也就控制了电动机的转差率s，达到控制转速的目的。因为Udr=(1-ρ)Ud
通过改变占空比ρ，也就改变了Udr和与它相关的Ur。由
Ur=s×Ur0，即s=UrUr0
于是实现了调节转差率s，从而调节异步电动机的转速。
2.4 逆变器的控制
（1）晶闸管逆变器，采用固定最小逆变角β的方式，其逆变电压Ud为恒定。
（2）IGBT逆变器，采用带矢量控制的PWM和有源滤波技术，其原理与变频器相仿。
2.5 起动控制
如图4所示，当电动机起动时，其转子回路中的接触器KM2断开，KM1闭合，电动机的转子回路以Y形接入起动电阻FR开始起动。当转速达到所设计的调速范围的最低值时，接触器KM2闭合，KM1断开，切除起动电阻FR并自动投入转子变频调速。

图4 转子变频装置的起动电路图
3、转子变频的优点
（1）可以用400～1000V低压变频器来控制6～10kV中压电动机的转速。
（2）所需逆变器的容量较小，仅为电动机功率的20%～30%，由于转差功率回馈至电网（或电动机），故能大大节约电能，可达30%以上。
（3）原理结构简单，使用的低压IGBT的数量远远少于10kV定子侧中压变频装置的中压IGBT，无须配置大容量电抗器，故障率大为降低。
（4）与普通串级调速相比，功率因数较高，谐波较小。若采用IGBT逆变器，则无5、7次谐波。
4、DFC型交流电机转子侧变频调速装置简介
广东华拿东方能源有限公司研制生产的DFC型交流电机转子侧变频调速装置，是上述转子变频技术的成功实现，并且装置采用了更为先进的控制手段和完善的保护机制，使设备性能更为优越和可靠。装置的系统结构和主电路图见图5。

图5 DFC型转子变频装置的系统结构和主电路图
（1）采用高性能的数字处理器DSP组成控制系统，提高了信号处理能力和响应的快速性，并提高了抗干扰能力。
（2）采用PLC和触摸屏实现逻辑控制与可视化操作，使系统运行可靠，操作直观、简便。
（3）加入了颠覆保护技术及由“BOD+SCR”组成的过压保护技术，有效地解决了晶闸管逆变器存在逆变颠覆的问题，以及由转速过低导致转子电压过高产生故障损坏设备的问题，大大地提高了可靠性。
（4）一旦调速装置发生故障，能立即自动转为全速继续运转，保证生产的连续性。同时调速装置自动切离电源，可即时进行检修。
（5）装置的性能指标
● 适用普通绕线异步电机、内反馈绕线异步电动机、绕笼式无刷双馈电动机、绕笼型内反馈电动机、新型无刷双馈电动机；
● 遮蔽容量200～4000kW；
● 适应零转速转子输出电压400～1000V AC；
● 适应电机定子电压3kV～10kV AC；
● 调速范围50%～100%；
● 装置在额定参数下网侧功率因数为0.92、谐波含量＜5%；
● 装置效率95%。
5、DFC型交流电机转子侧变频调速装置应用
该装置可以用于发电厂、水厂、水泥厂、钢厂和大型化工厂等的风机水泵类速度调节上，以达到节省能源的目的。
广东某水泥厂和某钢厂分别应用本装置在280kW风机和450kW水泵上作调速控制，由2006年1月投运至今，运行良好，节电效果十分显著，平均达到节电30%～50%。
6、结束语
把变频器从电动机定子移至转子侧的转子变频调速，特别对于风机水泵类负载，具有无可比拟的优越性。其主要特点归纳有用低压变频器控制中压电动机调速；逆变器容量小，节能效果显著；功率因数高，谐波含量小；主回路简单，价格便宜，与中压(定子)变频器相比，仅需其费用的12到13左右。
由此可见，转子变频调速装置是一种节能高效的先进设备，具有广阔的应用前景。