電液式交流電動機工頻無級調速系統的研究*

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電液式交流電動機工頻無級調速系統的研究*簡介
    電液式交流電動機工頻無級調速系統的研究* 施漢基 張世亮 王筱珍湛江海洋大學,524025 1 引 言  隨著電力電子技術和控制技術的……
電液式交流電動機工頻無級調速系統的研究*正文
    電液式交流電動機工頻無級調速系統的研究* 施漢基 張世亮 王筱珍
湛江海洋大學,524025


1 引 言

隨著電力電子技術和控制技術的發展,以變頻調速為主要方向的交流無級調速技術發展十分迅速,控制方式也趨多樣化[1]。但由於變頻調速原理本身的原因,這種調速方式具有以下的明顯缺點:1)結構和控制複雜,可靠性仍未達到長期免維護的程度,而維護工作又需經過專業訓練的技術人員進行,一般電工勝任不了這種工作;2)非同步電動機變頻調速系統從基頻向上變頻調速時只能進行近似於恆功率而不能進行恆轉矩調速運行[2];3)變頻調速會對電網產生較嚴重的諧波污染;4)一套變頻裝置不能對多台各具不同轉速變化要求的電動機同時進行無級調速控制;5)變頻調速電動機需專門進行設計和製造[3]。因此,變頻調速在用於節電運行時其性能價格比目前仍較低,用戶採用它經濟上無利可圖甚至不合算,故至今仍難以大面積推廣,在為滿足生產工藝要求的無級調速方面還未能完全取代直流無級調速系統。

本文提出一種交流電動機定子繞組只接入工頻電源的無級調速方法。在這種方法中,交流電動機的定、轉子繞組及鐵芯的結構與普通電機的一樣,但改變了電動機定子部分的支撐方式,使其可以像轉子一樣的自由轉動。再用一套液壓控制系統手動或自動控制調速電動機的定子部分,使其可以按需要既能固定不動,又可以正、反向無級調速運行,從而使調速電動機轉子可無級調速控制。依照調速電動機的不同運行情況,液壓泵電動機可處於停車、電動或非同步發電三種不同的運行方式,而調速電動機在各種不同的運行轉速下其電氣參數和機械特性基本上保持不變。這種調速系統可以做成單片運行模式,也可按需要做成群控模式,即同一套液壓系統可對多台各具不同轉速要求的交流電機同時進行無級調速控制,以實現電動機群之間的轉速互調。本文只討論單機運行模式。

2 調速電動機的結構和調速原理

在傳統交流電動機的轉子結構和支撐方式、定子鐵芯及三相繞組的結構不變的前提下,將定子部分固定在機座中的方式改成如圖1所示的兩端具有轉軸且轉軸具有軸承支撐的結構形式。在定子轉軸的一端有三個彼此絕緣的導電滑環,定子三相繞組原來的三個電源接線端改接到導電滑環中,電網的三相電源由三隻與滑環滑動接觸的電刷引入定子繞組中。這樣就將傳統交流電動機改造成定子部分可按需要正、反轉的調速電動機。

1.轉子轉軸 2.定子軸承前支座 3.定子轉軸 4.電動機前端蓋 
5.轉子軸承 6.定子鐵芯和繞組 7.電刷接線柱 8.電刷 9.滑環絕緣
10.電動機後端蓋 11.導電滑環 12.定子轉軸后支座 13.電動機座底

 調速電動機結構原理圖



當電動機接上電源后不需調速運行時,使定子轉軸固定不轉,此時,調速電動機的運行情況與普通電動機的一樣。當調速電動機需升速運行時,使其定子與轉子同方向旋轉,且轉速等於負載所要求的轉速與電動機定子不轉時轉子所具有的轉速之差。此時,調速電動機定子繞組產生的旋轉磁場對定子的轉速仍為由電網頻率和電動機極數所決定的同步轉速,而其空間轉速則是同步轉速加上定子本身的轉速,從而調速電動機轉子的轉速就升高到所要求的轉速。在這種高速運行情況下調速電動機的電氣參數和機械特性基本不變,在負載轉矩不變時調速電動機若為非同步電機時其轉差率也不變。轉子轉速升高后負載的功率增加部分則由使電動機定子旋轉的調速控制系統提供。

當調速電動機需降速運行時,只需使定子的轉向與轉子轉向相反,定子的轉速則等於定子固定時轉子轉速與負載所要求的轉速之差。在調速電機為非同步電機的情況下,當負載轉矩不變時轉子雖低速運行但轉差率不變,因此,負載取用的功率減小而調速電動機從電網吸收的功率則不變,從而調速電動機出現功率剩餘。這一過剩功率由定子旋轉控制系統回收並以電能的形式反饋回電網中。在這種調速系統中,若定子的最大調速範圍為n,則調速電動機轉子的最大調速範圍為2n。

3 調速系統的構成與調速方法

這種交流無級調速系統是用一套液壓控制系統來控制調速電動機定子的運行狀態。如所周知,液壓傳動系統是便於無級調速也能高效地實現大轉矩低轉速運行。液壓泵又與電機一樣滿足可逆性原理,即液壓泵(馬達)在需要時也可作液壓馬達(泵)運行。並且,當要求液壓系統鎖定某一旋轉部件時,只需將某些油路堵死即可,液壓泵電動機可處於斷電狀態。用一套液壓系統與上述的調速電動機組成的電液式交流電動機工頻無級調速系統的原理結構如圖2所示。

1.液壓泵電動機 2.單向變數泵變數馬達 3.溢流閥 4.單向閥 
5,8.壓力表 6.二位二通電磁換向閥 7.單向調速閥組
9.單向定量泵定量馬達 10.交流調速電動機

 調速系統原理圖


調速系統的基本工作原理如下:當調速電動機只需恆速運行時,其定子部分應固定不動,即應使與定子轉軸聯接的液壓馬達9處於鎖定狀態。為此,只需使換向閥6處於中位即可,而液壓泵電動機則處於停機狀態。此時,調速電動機在工作時雖然定子的反作用力矩企圖使液壓馬達9作泵運行,但由於油路堵死而無法轉動。


當要求調速電動機在高於額定轉速下無級調速運行時,啟動液壓泵電動機,並使換向閥6的線圈通電而接通油路,調定溢流閥的最高工作限定壓力。此時,液壓馬達9在壓力油的驅動下帶動定子旋轉且轉向與轉子相同。通過手動或自動調整變數液壓泵2的每轉排量,可使液壓馬達9的轉速達到所要求的轉速。在這一調速過程中,當負載轉矩不變時,調速電動機的電氣參數和機械特性不變。由於轉速升高,負載吸收的功率增加,這部分增加的功率由液壓系統提供。若升速后負載轉矩減小(或增加),則調速電動機從電網吸取的功率也減小(或增加),液壓系統向調速電動機提供的功率則等於負載吸收的功率與調速電動機輸出功率之差。

當要求調速電動機在低於額定轉速下無級調速運行時,改變液壓泵電動機的電源相序后反向啟動液壓泵電動機,此時變數泵2作變數馬達運行而液壓馬達9則在調速電動機定子反作用力矩的驅動下作泵運行。調節調速閥的開度和變數馬達的每轉排量,使調速電動機的定子反向轉速達到所要求的轉速,且使液壓泵電動機的轉速高於同步轉速。在調速電機為非同步電機時調速電機雖然轉子低速旋轉但電機的轉差率不變(當負載轉矩不變時),因此調速電動機從電網中吸收的功率不變。負載由於轉速降低消耗的功率減小,這一過剩功率扣掉液壓系統的功率損耗之後由液壓泵電動機以非同步發電運行的方式反饋回電網中。

4 調速系統樣機研製與初步試驗結果

用一台JO2四極3kW舊非同步電動機按圖1改造成調速電動機,按圖2組成電液式非同步電動機工頻無級調速系統。圖2中所示的定量馬達採用排量為25ml/r的柱塞式定量泵定量馬達,變數泵採用最大排量為10ml/r的單向變數柱塞泵,液壓泵電動機採用JO2四極2.2kW電動機(因條件所限無法進行更合理的配置,在上述液壓系統容量配置下調速電動機容量是小了)。調速電動機通過一隻定壓閥帶一油泵運行,通過調定定壓閥的壓力模擬恆轉矩負載。在系統的運行過程中發現,由於自加工的液壓件精度不夠的原因,調速電動機在不調速運行時定子有每分鐘3—4轉的反向爬行現象。為制止這種爬行,在定子轉軸中加一電磁剎車裝置,其線圈串入液壓泵電動機正、反轉接觸器的兩對並聯常開接點後接電源,使調速電動機恆速運行時定子部分鎖死而正、反向調速時能自動鬆開。試驗過程和初步試驗結果如下:

不啟動液壓泵電動機只啟動調速電動機,此時換向閥6將油路阻斷且電磁剎車裝置也將定子固定。調節負載定壓閥的壓力使調速電動機輸入電功率的測量值為3.5kW,此時調速電動機象普通電動機一樣正常地長期連續運行。由於調速電動機是用舊電機改造而成的,改造時已去掉原來定子中的散熱波紋和轉子風扇,故長期滿載不調速連續運行時電機的溫度偏高(正規的產品設計時應考慮這種運行方式下的散熱),但在滿載調速運行試驗中長期連續運行時溫度正常(以上溫度是用一台相同型號電機以同一輸入功率運行同樣時間后測量表面溫度進行對比),這是調速電動機定子在旋轉時有利於散熱的結果。

在上述運行方式下啟動液壓泵電動機並使油路接通,變數泵的排量調到5ml/r,此時調速電動機定子轉速為290r/min,轉子轉速為1760r/min,轉子升高的轉速與定子轉速一樣而調速電動機從電網吸取的指示功率仍為3.5kW不變,液壓泵電動機的輸入電功率為1.2kW。

將調速電動機恢復到恆速運行狀態,並將變數泵的排量調到最大后反向啟動液壓泵電動機且接通油路。調節調速閥使調速電動機定子的反向轉速為300r/min,此時液壓馬達作泵運行而液壓泵作馬達運行。調小變數馬達的排量到4.5ml/r時,原接於液壓泵電動機電源進線的功率表指示負值(改接線后指針正向偏轉角太小讀不出結果),測得油泵電動機轉速為1620r/min,說明油泵電動機已處於非同步發電運行狀態,而此時調速電動機從電源取得的電功率的指示值則不變。再將定子的反向轉速調節到500r/min,將變數馬達的排量調節到7.5ml/r,此時調速電動機從電源取得的功率仍未變,液壓泵電動機轉子轉速為1660r/min,測得其向電網反送的功率為0.4kW。可以看出,由於調速電動機容量太小使得液壓系統處於輕載運行,因而效率較低。如果系統容量配置得當,效率將會明顯提高。

5 結 論

由以上對樣機的研製和初步試驗結果表明,電液式交流電動機工頻無級調速系統所採用的技術方案是切實可行的。首先,這種調速系統製造技術簡單,對電網沒有諧波污染。其次,造價便宜,製造容量幾乎沒有限制。電動機的機械支撐部分佔電機總成本的比例很低。這種調速電機與普通電機相比,主要是多了兩套軸承,三個導電滑環和電刷。定子支撐部分機加工工作量稍多些並需對定子做動平衡試驗,若在製造時就將電機製成這種調速電機並不需要製造廠增加新設備,因此它比變頻調速電機便宜得多。容量8kW以上的液壓系統價格比變頻裝置的價格也便宜,而且目前我國液壓設備的製造技術已接近世界水平,完全不必依賴進口,幾千kW的液壓裝置是很常見的。另外,在這種調速系統中電動機的特性仍保持普通電動機的硬的自然特性,整個系統的調速性能由液壓系統所決定,而能方便進行無級調速且調速範圍大(可達2000:1)[4]正是液壓系統的優點。所以,與變頻調速相比這種調速系統的調速性能不會有所降低。因此,這是一種值得研究和開發的交流電動機無級調速新方法。


*湛江市科委立項和資助的科研項目
 


參考文獻

 [1] 鄧星鍾,周祖德.電機傳動控制.華中理工大學出版社,1992
 [2] 李發海,王岩.電機與拖動基礎.清華大學出版社,1994
 [3] 戴文進.變頻調速專用電機的研究.電工電能新技術,1995(4):58~63
 [4] 吳叢.液壓傳動.西北電訊工程學院出版社,1984

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