斩波调速

2024-08-05

斩波调速（共6篇）

斩波调速篇1

引言

当前, 随着煤矿的不断发展以及节能意识的树立, 实际中所使用的电机车潜在的缺陷越发的明显, 电阻不仅能耗大, 浪费了大量的能源, 而且, 机械传动过程中无法进行软起动, 机车运转时, 控制器带负荷切换, 致使触头需要承受巨大的冲击电流, 经常有短路烧损的情况发生, 使得材料的实际消耗量越来越大, 维修难度大, 所以, 应尽快采用新的有效技术——斩波调速系统来改变上述情况。

1 系统原理及性能特点

斩波调速系统结构基本由司控器、主机箱及平波电抗器三部分组成。它以隔离门极功率晶体管IGBT为主要功率开关元件, 电路上采用最新的电力电子器件及控制技术, 无级调节直流电机端电压, 控制牵引电机的速度。

IGBT斩波调速的工作原理[1]:

如图所示, 斩波器IGBT高压大功率开关器件采用脉宽调制 (PWM) 方法, 当驱动脉冲为高电平 (+15V) 时, 器件导通, 反之低电平 (0V或-15V) 时关断。IGBT串联在“串激式”牵引电机电路内, 当IBGT导通时, 电机电流线性上升;当IGBT关断时, 电机电流通过续流二极管形成回路, 电流线性下降。由于开关频率高, 实际电机的电流等效为直流电流, 通过改变IBGT的导通与关断的比例, 即可改变电机两端的电压平均值, 从而改变电机的转速, 实现机车调速的目的。由于TGBT工作在开关状态, 导通关断时损耗很小, 故调速状态下节能效果显著。

斩波器的各种保护功能 (软起动、欠压、过压、过流) 亦通过IGBT导通与关断的比例来实现。

2 斩波调速系统的优点及特性

2.1 具有较好的安全可靠性

首先是能耗制动;主要指的是当电机在主回路断电后, 以转换操作控制方式为主, 将电机转变为励磁电机和发电机, 把发动机实际中所散发的能量利用励磁电机与制动电阻进行一定的消耗, 采用这样的制动方式, 在节省了能源的同时, 还大大提高了机车行车的安全性, 制动效果极为明显。其次是具有无极调速、运行稳定、起动力矩大等特点, 有效防止了机车掉道问题的出现。另外是有着较好的功率元件损坏保护功能, 避免了由于功率元件发生损坏失控情况而导致机车安全性降低。再有, 实际操作十分的简便, 不费时也不费力。

2.2 具有较高的节能功效

第一, 通过无极调速方式, 操作人员能够结合具体需求对速度进行及时有效的控制, 同时, 具有较大的牵引力, 可以拉更多的负载, 工作效率显著。第二, 使用较低的导通压降的功率元件后, 节能效果俱佳。

2.3 具有齐全的保护功能

首先是延时软起动保护, 从起动到全速过程中都可以极其稳定的渡过, 使得电机与机车机械系统得到了较好的保护。其次是具有起动操作顺序保护, 倘若实际中的操作顺序错误, 那么, 机车就起动不了, 避免了操作人员错误操作行为的发生;另外是具有过压、欠压保护功能;有效防止了由于电压启动电机过高或者过低而导致电机严重损害情况发生;第四, 具有电流保护功能;通过电流传感技术, 对电机电流变化进行了实时的跟踪与检测。如果实际中因为机车超载或者机车发生故障而造成电流不断提升, 那么, 电流保护电路动作, 及时的降低机车的速度, 对电机与机械系统予以了有效的保护。第五, 具有电源防反接保护功能;若有蓄电池极性接反的情况, 调速箱就会停止不动, 对功率元件进行了保护, 避免其遭到损坏。第六, 具有温度保护功能;如果斩波器运行温度与设置值一样, 那么, 就会保护电路动作, 防止了功率元件损坏情况的发生。

3 煤矿用电机车的斩波调速改造措施

3.1 对司机控制器的改造

应将司机控制器的全部触头都改成无负荷通断, 以确保触头实际使用寿命的进一步延长。如果它的控制手柄处于零位, 那么, 控制电路不发脉冲, 主机不会运行, 唯有当控制手柄处于工作位置上方可与主机箱电源进行相接, 主机才会正常有序的运转, 这样, 就防止了司机错误操作行为的发生。司机控制器进行改造后, 其的位置保持不变, 依旧在之前所处的位置上。经过改造, 其的体积缩小了三分之一, 为司机提供了充足的操作空间。

3.2 合理的增设主机箱

应在机车尾部处进行主机箱的增设, 主机主要是通过五个组件模块组合而成, 在核心模块上安装有指示灯, 能够及时准确的判断电路工作的正常与否, 同时, 这几个模块还可以进行单独拆卸, 为维修提供了便利。通过两套相对独立的IGBT构成斩波器, 各自负责一个电机, 利用司机控制器能够实施双电机、单电机的前进与后退, 有利于司机按照实际负载和单电路故障进行切换运转可在主机箱上安装铝合金型材散热器, 增设两个风扇强制风冷, 对于整个导电部件, 应留有一定的爬电距离, 在母线上设镀铅锡合金, 不仅有效防止了锈蚀的出现, 同时, 还使得主机箱实现了防淋和防水溅的结构。

3.3 操作性与安全性能

实践证明, 通过斩波调速系统进行改造的电机车具有较高的操纵性, 牵引列车启动较好, 实际运转速度稳定, 没有冲击情况的发生, 能够及时减速, 和之前的电阻调速控制系统相比, 其的安全制动距离缩短近百分之十五, 安全系数极高, 操作简便。

3.4 采用斩波能耗制动

制动电阻部分利用原调速电阻的1/3采用斩波能耗制动, 通过司机控制器切换。控制斩波器进入能耗制动, 司机可根据需要控制制动电流的大小, 使之机车制动平稳、迅速, 机械磨损小。

3.5 经济性

从运行时间上来看, IGBT斩波调速系统电机车要比电阻调速控制系统同型号电机车省电百分之三十, 从产量上来看, 省电百分之二十六。由此可见, 采用IGBT斩波调速系统电机车, 不仅具有操作简便, 增强了电机车安全有效的运转, 而且电机车运行过程中的电能消耗大大降低, 节省了煤矿吨煤电耗费用, 企业实现了经济效益与社会效益最大化。

4 结束语

综上所述可知, 当前, 电机车的斩波调速改造, 实现了电机车的平稳起动、降低能耗、无级调速, 同时也降低了电机车的维修成本, 给煤矿的生产、运输带来较大的经济效益和社会效益, 具有很高的使用和推广价值斩波调速技术除了在煤矿用电机车中得到了广泛的应用之外, 也普遍应用于矿井的风机或者水泵等诸多的机械设备中, 具有较为广阔的市场发展前景。

参考文献

[1]李成锁, 刘大乾, 辛乐仁.矿用电机车的斩波调速改造[J].煤矿机电, 2006 (3) .

[2]苏焘.多台绕线电机同步调速系统的研究[D].成都:西南交通大学, 2011.

[3]李维亚.蓄电池电机车交流变频调速系统的研究[D].合肥:安徽理工大学, 2007.

[4]蒋磊.内反馈斩波调速技术在引风机中的应用[J].企业技术开发, 2011 (15) .

[5]王战海, 蒋能斌.变频和高频斩波调速技术的能效分析对比[A].水泥工业节电和变频技术研讨会论文集[C], 2011.

斩波调速篇2

#1热水炉一次风机、A引风机、B引风机采用了内反馈高频斩波调速系统。其调速原理是将交流调速三相异步电动机的转子电压经转子整流器变为直流电压, 通过改变斩波器高频PW M调制调节大功率电子开关的开通和关断时间的比率:当斩波器导通时, 转子直流被斩波器短路, 形成轴功率。当斩波器开路时, 转子直流电流经有源逆变器内反馈入电动机内反馈绕组, 形成转差功率。改变斩波器的占空比, 即改变两部分的电流分配比例, 从而实现电机调速控制, 并达到节能的目的。

一般小于1000KW的电机选用频敏变阻器, 频敏变阻器的一般启动电流为额定电流的2~2.5倍。对大于1000KW的电机或对启动电流有特殊要求的用户, 可以提供启动电流为额定电流的1.1~1.3倍的液态电阻。#1热水炉一次风机采用水电阻启动, A引风机、B引风机采用的是频敏变阻器启动。

1 运行中的问题及分析

1.1 启动时频敏电阻器烧坏

电机启动的时候烧毁频敏电阻器, 其现象是电器启动几秒后, 就听到“碰”的一声响, 伴随打火现象出现, 随后紧急停机, 启动失败。

经过分析, 发现是频敏电阻器容量选的比较小, 启动电流过大引起的。三相电动机启动时的瞬时启动电流是电机额定电流的5~7倍, 频敏变阻器的一般启动电流为额定电流的2~2.5倍, 因此把两个频敏电阻器从并联方式改成串联方式, 这个问题就得到了解决。

1.2 水电阻综合报警

水电阻综合报警有多种原因, 最常见的故障就是水电阻中液体量不足和水电阻极板位置不正确、极板移动电机故障等原因。询问厂家后, 水电阻中液体量不足时, 直接在水电阻中加入纯净水即可, 液体量达到一定高度后, 报警消除。对于北方冬季温度总是低于0度以下, 因水电阻正常工作温度为0~80度, 所以要做好防冻措施。

1.3 运行是电机转速来回波动

这是一个比较容易出现的问题, 其原因是测速接近开关没有固定好, 电机运转的时候, 地基会抖动, 测速开关也跟着抖动, 致使其传递过来的测速脉冲信号时有时无, 表现为内反馈速度时高时低, 从而速度PI调节器输出也是大幅度变化, 而速度调节器的输出为电流环节的电流给定, 实际电流也就忽大忽小, 转速也就上下波动。在每次检修时最好能检查一下接近开关的镙丝看有无松动现象 (接近开关的头部与凸齿之间最好保持在6~8m m左右) 。

1.4 电机电流大幅度波动

电机电流大幅度波动, 现场检查碳刷有打火现象, 检查发现电机碳刷老化问题引起。内反馈高频斩波调速系统电机采用的是绕线式异步电动机, 这就存在碳刷换相及打火问题, 所以选择碳刷时要选择适合电机的碳刷型号, 安装正确接触良好, 通常碳刷单位压力过高, 使电刷的磨损加剧, 单位压力过小, 接触不稳定, 容易出现机械火花, 还有定期清理电机的滑环处的碳粉。

1.5 运行过程中散热铝片过热烧毁

斩波器温度的高低取决于转子电流的大小, 调速过程中在风门不变的情况下, 转速越高转子电流越大则温度越高;反之转速越低, 转子电流越小温度也越低。调速时温度不得超过85度, 所以在转子电流较大的情况下, 运行人员要加强监视, 并保持室内应清洁卫生, 定期清理调速装置内的风尘, 特别要清理冷却风机和安装斩波IG B T的散热铝片间的灰尘, 室内最佳温度保持在20度左右。

1.6 在系统故障转全速时开关跳闸

在调试时遇到一个问题是系统正常调速的时候遇到故障, 系统强制转全速, 此时转子被短接, 频敏变阻器介入, 电机加速, 运行10S左右, 高压开关突然跳闸。究其原因是定子侧速断保护值整定倍数比较小, 2倍的额定电流, 而且过载时间也设的比较短, 只有10S。可是电机带负载从半速升到高速的时间大概需要20S左右, 且此时的启动电流将达到额定电流的2~4倍。后来把高压侧速断保护整定值放大, 即4倍的额定电流, 过载时间20S, 系统在强制转全速的时候高压开关柜就不会跳闸。

1.7 运行过程中人员因素

任何设备的安全运行都跟值班员的技能水平、责任心、值班状态等因素有很大关系, 内反馈高频斩波调速系统能得到更长久、安全的运行, 就需要值班员有过硬的技能基础, 处理故障时的冷静心态, 以及快速的判断能力, 所以在人员的技能培训和安全教育方面的管理工作要做好, 时刻绷紧安全生产这根弦。良好的专业技能是值班员所有工作的前提, 只有在良好的技能水平下, 才能更快、更好的处理故障, 缩短因故障带来的设备停运时间, 减少企业因此带来的损失。

2 结束语

本文对于内反馈高频斩波调速系统实际运行中遇到的一些常见问题进行了分析, 给出了解决的这些问题方法和注意事项。希望对这些问题的分析能够给内反馈高频斩波调速系统安全运行, 减少停运时间、加快故障处理带来帮助。

参考文献

[1]上海科祺调速电气有限公司.内反馈高频斩波调速系统培训教材[Z].

[2]吴承甲.电路基础[M].北京:人民邮电出版社, 1993.

斩波调速篇3

斩波串级调速装置是一种调速性能优良、性价比高的调速节能产品, 适合于电厂中风机和泵类设备的调速运用, 但是在很多实际工程应用中, 加入斩波串级调速装置后常发生随着负载转矩的增大而电机的转速会有明显的下降, 从而影响正常的设备运行, 严重时会导致电机的堵转。尤其是在联合运行下的整套系统由于其中电机单元的拖动能力下降会造成对整套系统一系列无法正常运行。针对上述现象, 在基于对三相整流电路电源等效内阻抗对桥路整流输出影响分析的基础上, 推导出导致电机随着负载转矩的增大而电机的转速会有明显下降的主要原因。最后得到的理论推导通过仿真和搭建的实验平台进行验证。

1 工作原理及结构

三相绕线式异步电动机斩波串级调速系统的主电路如图1所示。VD1～VD6为整流桥;VT1～VT6为晶闸管组成的有源逆变器, 逆变控制角选择固定角为βmin (约为30°) , 逆变器的输出电压Ud=2.34UAcos βmin (UA为电网A相的电压有效值) ;电感L1、开关器件IGBT、二极管VD、滤波电容C组成Boost斩波电路;L2为平波电抗器[1]。

在传统的串级调速系统中加入Boost斩波电路后, 当IGBT导通时, Urec=0 V;当IGBT关断时, Urec=Ud。通过改变IGBT的导通时间 (即改变占空比D的大小) 从而可以调节整流桥直流侧电压Udc的大小, Udc为

Udc= (1-D) Ud (1)

式中:D为占空比, D=ton/T, ton为开关管IGBT的导通时间, s, T为斩波电路的开关周期, T=ton+toff。

对于整流桥, 由Udc=2.34Uacos 0°=2.34Ua可得:

Ua=Udc/2.34

式中:Ua为转子相电压的基波分量, 即中点对零线的电压。

这样可以通过改变占空比D的大小从而改变Ua的大小, 即改变了转子电流的大小, 实现了调速目的[2]。

2 机械特性推导

对于三相桥整流电路, 桥臂中点电压与输出直流电压恒有关系:Udc=2.34Ua, 如图2所示。

当只考虑基波分量时, 桥路不会产生无功分量, 即输出功率恒等于输入功率 (忽略桥路内阻) :

UdcId=3UaI2 (2)

式中:Id为整流桥后的直流侧电流;I2为转子电流。

在斩波串级调速系统中, 电机转子回路虽不需要串入调速用的电阻, 但是由于在转子回路中接入了整流装置、平波电抗器、逆变器等, 再计及线路的电阻后, 实际上相当于在转子回路中接入了一定数值的等效电阻, 这个电阻的影响在电机任何转速下都会存在[3,4]。即从转子端向后看, 相当于有一个电阻Rs挂接在端点与中性点之间, 如图3所示。

由图3可得:

Rs=Ua/I2 (3)

把式 (2) 带入式 (3) 可得:

Rs=UdcId/ (3I $_{2}^{2}$ ) (4)

三相桥其输出电流平均值Id与交流输入线电流基波有效值I1的关系为

$Ι_{1} = \frac{2}{π}$ ∫π0 $Ι_{d} \sin (ω t) d (ω t) / \sqrt{2} = \frac{\sqrt{6}}{π} Ι_{d}$ (5)

把式 (5) 代入式 (4) 并且I2替换I1, 则串入转子相同回路的等效电阻变换为

$R_{s} = \frac{U_{d c} \frac{π}{\sqrt{6}} Ι_{2}}{3 Ι_{2}^{2}} = \frac{U_{d c} π}{3 \sqrt{6} Ι_{2}}$ (6)

旋转电机用不转的转子电路等效, 则相应的图3转变为图4。

图4中, I $_{2}^{2}$ r2为转子绕组损耗, I $_{2}^{2}$ Rs为桥路送出去的功率, 二者之和为转差功率:

Ps=I $_{2}^{2}$ (r2+Rs) (7)

机械功率

$Ρ_{m} = Ι_{2}^{2} \frac{1 - s}{s} (r_{2} + R_{s})$ (8)

电磁功率

Pem=I $_{2}^{2}$ (r2+Rs) /s (9)

由图3可列出转子回路方程:

$s \dot{E}_{20} = \dot{Ι}_{2} [(R_{s} + r_{2}) + j s x_{2}]$ (10)

由式 (10) 可得:

$Ι_{2} = \frac{s E_{20}}{\sqrt{(R_{s} + r_{2})^{2} + (s x_{2})^{2}}}$ (11)

把式 (6) 带入式 (11) 可得:

$Ι_{2}^{2} = \frac{(s E_{20})^{2}}{[(1 - D) \frac{U_{20}}{Ι_{2}} + r_{2}]^{2} + (s x_{2})^{2}}$ (12)

解方程式 (12) 可得:

$Ι_{2} = \frac{- (1 - d) U_{20} r_{2} + \sqrt{r_{2}^{2} s^{2} E_{20}^{2} + s^{2} x_{2}^{2} s^{2} E_{20}^{2} - s^{2} x_{2}^{2} (1 - d)^{2} U_{20}^{2}}}{r_{2}^{2} + s^{2} x_{2}^{2}} (13)$

机械转矩为

Tm=Pm/Ω2 (14)

把式 (6) 、式 (8) 、式 (13) 代入式 (14) 可得:

$\begin{array}{l} Τ_{m} = \frac{3 r_{2} s^{2} E_{20}^{2}}{s Ω_{1} (s^{2} x_{2}^{2} + r_{2}^{2})} \times [1 - \frac{2 U_{2 s}^{2} x_{2}^{2}}{E_{20}^{2} (s^{2} x_{2}^{2} + r_{2}^{2})} - \\ \frac{U_{2 s} (r_{2}^{2} - s^{2} x_{2}^{2}) \sqrt{(s^{2} x_{2}^{2} + r_{2}^{2}) E_{20}^{2} - x_{2}^{2} U_{2 s}^{2}}}{s E_{20}^{2} (s^{2} x_{2}^{2} + r_{2}^{2}) r_{2}}] (15) \end{array}$

电机的固有机械特性方程为

$Τ_{m h} = \frac{3 r_{2} s^{2} E_{20}^{2}}{s Ω_{1} (s^{2} x_{2}^{2} + r_{2}^{2})}$ (16)

式 (15) 中, Tm为加入斩波串级调速装置后的机械特性方程。在推导出式 (15) 的基础上, 再对式 (15) 、式 (16) 进行求导, 求导后可得:

电机固有机械特性工作段斜率为

$\tan θ_{m h} = \frac{d Τ_{m h}}{d s} = \frac{3 E_{20}^{2} r_{2}}{Ω_{1} (r_{2}^{2} + s^{2} x_{2}^{2})} - \frac{6 E_{20}^{2} r_{2} s^{2} x_{2}^{2}}{Ω_{1} (r_{2}^{2} + s^{2} x_{2}^{2})^{2}} (17)$

加入斩波串级调速装置后的电机机械特性工作段的斜率为:

$\begin{array}{l} \tan θ_{m} = \frac{d Τ_{m}}{d s} = \frac{9 r_{2} E_{20}^{2} Ζ_{2 s}^{2} + 6 r_{2} E_{20}^{2} s^{2} x_{2}^{2}}{Ω_{1} Ζ_{2 s}^{2}} \cdot \\ [1 - \frac{2 U_{2 s}^{2} x_{2}^{2}}{E_{20}^{2} Ζ_{2 s}^{2}} - \frac{U_{2 s} (r_{2}^{2} - s^{2} x_{2}^{2}) \sqrt{Ζ_{2 s}^{2} E_{20}^{2} - x_{2}^{2} U_{2 s}^{2}}}{s E_{20}^{2} Ζ_{2 s}^{2} r_{2}}] + \frac{3 r_{2} s E_{20}^{2}}{Ω_{1} Ζ_{2 s}^{2}} \cdot \end{array}$

$\begin{array}{l} {\frac{4 U_{2 s}^{2} x_{2}^{4}}{E_{20}^{2} Ζ_{2 s}^{4}} + \frac{U_{2 s} (r_{2}^{2} - s x_{2}^{2}) \sqrt{E_{20}^{2} Ζ_{2 s}^{2} - x_{2}^{2} U_{2 s}^{2}} [E_{20}^{2} r_{2} (2 s^{2} x_{2}^{2} + Ζ_{2 s}^{2})]}{s^{2} E_{20}^{4} Ζ_{2 s}^{4} r_{2}^{2}} - \\ \frac{[U_{2 s} (r_{2}^{2} - 2 s x_{2}^{2}) (s x_{2}^{2} E_{20}^{2}) - 2 U_{2 s} s x_{2}^{2} (E_{20}^{2} Ζ_{2 s}^{2} - x_{2}^{2} U_{2 s}^{2})] (s E_{20}^{2} Ζ_{2 s}^{2} r_{2})}{s^{2} E_{20}^{4} Ζ_{2 s}^{4} r_{2}^{2}}} (18) \end{array}$

其中 Z $_{2 s}^{2}$ =s2x $_{2}^{2}$ +r $_{2}^{2}$

可知式 (17) 、式 (18) 都是斜率角关于转差率s的函数, 即在同一负载转矩下, 两式所对应的电机的转差率是不同的。由此计算出在同一负载转矩下所对应的不同的曲线斜率。表1为7.5 kW三相绕线式异步电动机的参数根据式 (17) 、式 (18) 详细的计算数据。

由表1可以看出, 在相同的负载转矩下电机固有机械特性曲线的斜率相对于占空比D=0.9和D=0.8时的机械特性曲线的斜率要大些, 并且D=0.9的机械特性曲线的斜率也相应的大于D=0.8的机械特性曲线的斜率。从而可以得出加入带斩波中间环节的串级调速系统后工作段的机械特性曲线相对于未加斩波串级调速系统的工作段的机械特性曲线变平滑了 (即机械特性曲线的切线夹角变小了) , 故机械特性变软了[3], 示意图如图5所示。在同一负载转矩下不同占空比的斜率角大小θ1, θ2, θ3分别对应于未加斩波串级调速系统、加入斩波串级调速系统D=0.9的机械特性曲线和加入斩波串级调速系统D=0.8的机械特性曲线, 即θ1>θ2>θ3。

3 系统仿真

本文运用Matlab/Simulink软件搭建的系统主电路仿真模型, 该模型经过验证可以很好地模拟实际斩波式串级调速系统, 并以额定功率7.5 kW的三相绕线式异步电动机, 带恒转矩负载为实例, 对整个斩波式串级调速系统进行了仿真。表2给出了电机在未加斩波串级调速装置和加入斩波串级调速装置后D=0.9, D=0.8相应的转差率和所对应的电磁转矩。根据表2的数据画出所对应的机械特性曲线, 如图6所示。

图6所绘制的3条机械特性曲线中, 可以明显地看出在加入斩波串级调速系统后, 电机工作段的机械特性相对于电机固有机械特性变软了。

4 实验结果及结论

为了验证以上分析, 搭建了试验平台, 采用7.5 kW的绕线异步电动机为原动机 (额定电压380 V, 定子电流18 A, 转子电压185 V, 额定转速940 r/min) , 后接NJ型转矩转速传感器 (配以NC-3型转矩测量仪配套使用) , 以直流发电机作为负载, 发出的直流电源外接阻性恒定负载, 并且通过调节直流发电机的励磁电压来改变直流负载的功率进而调节电动机的负载转矩。Boost电路的电感用其电机转子本身的电感等效, 平波电抗器L2取65 mH, 电容C取2.2 mF。在此实验平台的基础上进行理论验证。其具体实验数据见表3。绘制出机械特性曲线如图7所示。

图7中的实验波形验证了本文所推导出的在加入斩波串级调速装置后电机的机械特性变软的特点以及理论分析的正确性。

实验证明转子回路的等效阻抗对机械特性的影响比较严重, 这种影响在电机任何转速下都存在。由于转子回路等效电阻的影响, 使异步电动机在斩波串级调速运行时的机械特性要软于电机固有机械特性, 使电机在额定负载时难以达到其额定转速。此理论具有重要的工程实用价值[4,5]。

参考文献

[1]张军伟, 王兵树, 万军, 等.斩波串级调速系统机械特性的分析[J].电机与控制应用, 2010, 37 (1) :25-30.

[2]陈坚.电力电子学[M].第2版.北京:高等教育出版社, 2004.

[3]辜承林, 陈乔夫, 熊永前.电机学[M].第2版.武汉:华中科技大学出版社, 2005.

[4]陈伯时, 陈敏逊.交流调速系统[M].北京:机械工业出版社, 1984.

斩波调速篇4

“斩波内馈调速”是基于中国著名教授、高级工程师屈维谦先生的P理论发展而来的一种新型交流调速技术, 显著特点是用数字化的斩波电路来控制专用的内馈调速电机, 从而达到调节电机转速进而控制负载的目的, 这项技术从根本上克服了以往串级调速存在的谐波分量大等缺陷, 更增强了设备稳定性和使用寿命。通过多年理论研究和实践检验, 斩波内馈调速在技术和理论上都有了很大进步。通过在大量实际生产中的应用发现, 斩波内馈调速具有效率高、成本低、谐波分量小等优点, 在高压、大容量风机泵类的节能和调速方面具有很大的应用潜力。

1 斩波内馈调速基本原理

内馈调速的本质是将电机的部分输出功率以电能的方式反馈给电机内的调节绕组, 当电机输出功率下降时, 转子反馈给调节绕组的功率就上升, 电机转速就会降低;反之, 电机输出功率上升时, 转子反馈给调节绕组的功率就会下降, 电机转速就会上升, 互相转化的这部分转子功率就叫电转差功率。电转差功率可以在转子和调节绕组之间来回传输而不需要经过其它途径。这就是内馈调速的本质, 也是不同于其它调速方式的地方。其工作原理如图1。

所谓内馈调速, 是异步电机定子上附加一组与原来绕组相绝缘的内馈绕组 (也叫调节绕组) , 其作用是用来接受电机转子移出的电转差功率, 斩波内馈调速设备内有变流装置, 它能使内馈绕组处于发电状态, 将接受到的电转差功率通过电磁感应反馈给定子绕组, 使定子的有功功率与电机输出功率基本保持一致。斩波内馈调速主要特征是将“内馈”与“斩波”相结合, 以低压来控制高压的一项调速技术。内馈调速采用转子控制调速, 和变频调速相比, 斩波内馈调速虽然是用低压电路控制的一种调速方式, 但是它与变频调速的基本原理相同, 二者无本质区别。

内馈调速电机安装尺寸与原来安装的电机相同, 在斩波内馈调速装置上并联一个旁路, 当内馈调速装置出现故障跳闸时, 保护装置将电机自动切换到旁路运行, 此时电机进入全速运行模式, 不会因内馈调速系统故障而影响设备运行, 极大提高了系统的可靠性。

2 斩波内馈调速的主要技术性能指标

斩波内馈调速的主要技术性能指标见表1。

3 斩波内馈调速设备应用

3.1 设备构成

斩波内馈调速设备是由YQT内馈调速电机和CTK-1斩波控制装置组成。斩波内馈调速装置与调速电机恒速运行装置为并联关系, 当调速控制装置发生意外或故障时, 自动保护装置可以自动将电动机切换为全速运行, 不至于造成设备停运, 可将故障影响降低到最小限度。

3.2 1#热网循环泵电机技术参数对比

1#热网循环泵电机技术参数对比见表2。

3.3 试验结果分析

通过测试和计算, 1#热网循环泵工频运行时, 其消耗功率为额定功率;当循环泵进入调速状态时, 给定其运行转速为800 r/min, 其消耗的功率为295.3k W。由此可以看出, 循环泵在调速状态下, 功耗降低约204.7 k W/h, 在电机转速降低47%时, 耗电量降低了41%。容海发电有限公司共四台热网循环泵, 平时投运三台、备用一台, 若供暖期按5个月计算, 三台热网循环泵在3个月内大约运行3 600 h, 预计可以节约电能73.7×104k W·h, 大大降低了电能的消耗。

4 斩波内馈调速系统的不足

一项新的技术在实践应用过程中总是不可避免的要遇到一些问题和不足, 斩波内馈调速系统当然也不例外, 其主要遇到的问题有以下几点:

a) 内馈调速装置在抗干扰性方面不够完善, 在电压有波动情况下可能会退出调速模式;

b) 全速切调速时, 只能切换为最低速然后往上调速, 不能直接切为高速状态;

c) 调速电机滑环故障率较高, 需时常检查维护。

5 结语

斩波调速篇5

1IGBT斩波调速的工作原理

斩波调速器采用了IGBT高压大功率开关器件, 控制方式为定频调宽 (PWM方式) 。IGBT元件如图1所示, 它是由场效应管与大功率晶体管相结合的全控功率开关元件, 其开关频率高。当栅极施加+15 V触发电压时器件导通, 导通时压降为2 V左右;当栅极施加0～-15 V触发电压时器件关断。由于IGBT工作在开关状态, 导通、关断时电能损耗很小, 所以在调速状态下节能效果显著, 可以保证99%以上的电能用于电机。

IGBT元件串联在“串激式”牵引电机电路内, 当IGBT导通时, 电机电流线性上升;IGBT关断时, 电机电流通过续流二极管形成回路, 电流线性下降。由于开关频率高 (800～2 000 Hz) , 实际电机的电流等效为直流电流。通过改变IGBT导通、关断时间的比值, 即可改变电机两端电压的平均值, 从而改变电机的转速, 实现机车调速。由于IGBT工作在开关状态, 导通关断时电能损耗很小, 故调速状态下节能效果显著。斩波调速器的各种保护功能, 如延时软启动、欠压、过压、恒流、短路等保护也通过调节IGBT的导通、关断时间的比值来实现。

2 IGBT斩波调速的性能及优点

①节能显著。与电阻调速相比, 节能30%以上。②启动平稳、启动力矩大。采用无级调速方式, 从启动到全速均能平稳过渡, 有效保护了机车的机械系统, 司机可以根据实际需要任意控制机车速度;且牵引力比原电阻调速机车大, 工作效率高。③温度保护。当功率元件IGBT温度达到保护值时, 保护电路动作, 能有效防止斩波调速器功率元件因温度过高而损坏。④无弧通断。正常操作下, 所有接触组均无弧通断, 大大延长了接触组触头的寿命。⑤过电流保护。当机车超载或机械故障引起电流增大时, 电流保护电路动作, 机车速度降低。⑥给定可靠。采用光电电压给定器, 线性好, 寿命长。⑦积木式结构。简单、紧凑、维修方便。

3改造步骤

①固定螺栓。把ZBT1-150/192矿用隔爆型直流调速箱用M16螺栓固定到蓄电池机车的司机室内。②接好调速箱外部连接线。接线应按照防爆要求, 相邻导线间的爬电距离应尽量大, 所有接线端子做好标记。③测量电机绝缘强度。直流电机的定子、转子对外壳的绝缘电阻需达到1 MΩ (用兆欧表或1 500 V工频交流耐压1 min) , 达不到要求的电机容易损伤功率器件IGBT。④改装调速箱。前后驾驶室改装的ZBT1-150/192矿用隔爆型直流调速箱方法相同。⑤机车试运行。试车时要把机车车轮悬空, 注意观察机车的两电机转向与调速器面板上的“前进”或“后退”是否一致。然后把机车放下, 在轨道上进行运行测试。改装后的机车要建立专门的运行记录。

4效益分析

平煤股份八矿运输一队于2008年6月将6#、10#、20#机车由串电阻调速改为IGBT斩波调速。改造后的机车无论在降低事故、减少故障、节能降耗、对设备保护方面, 还是在减轻职工维护强度等方面, 都取得了显著的效果, 说明改造后的机车达到了改造目的, 适应了平煤八矿大巷运输的需要。

4.1经济效益

(1) 改造前后的月平均配件消耗对比。

2008年6月—2009年6月改造机车与无改造机车月平均配件消耗对比见表1。通过实验数据可以得出:①改造后, 1台机车年平均节约资金约为5.96万元。②单组电池充1次电, 一般蓄电池机车仅运行11趟次, 斩波调速机车可运行15趟次, 可减少用电量36%, 根据己一充电变电所月耗电量平均为14.5万kWh, 电费按0.56元/kWh计算, 年节约电费35.1万元, 每台机车年节约电费2.19万元。

(2) 改造前后蓄电池使用情况对比 (表2) 。

根据运行记录得知, 使用斩波调速的机车, 蓄电池的使用寿命比其他机车延长3个月 (一般机车的蓄电池使用寿命平均为13个月, 一组电池售价为15万元) , 则改装1台机车在蓄电池方面可以节约3.46万元。

经综合计算, 调速系统改造后, 1台机车年节能降耗为11.64万元。井下正常运行19台机车, 在改造3台机车取得良好节能、降耗和安全效益的情况下, 把剩余的机车都进行了改造, 其年节能降耗节省221.16万元。

4.2社会效益

①事故维修率低, 维修量减少。从2008年6月14日改装运行以来, 6#、10#、20#机车共计发生故障分别为7, 9, 10次, 平均每台发生事故0.72次/月 (同期其他电机车, 平均每台发生故障3.8次/月) , 与其他机车相比事故次数降低81%。②设备安全性能得到提高, 司控器实现无电流通断, 杜绝了司控器在操作中打火现象, 保证了操作人员的安全。③司控室有效空间增大, 司机操作方便。④制动性能得到提高, 实现了软启动、加速平稳。

5结语

斩波调速的改造, 实现了蓄电池机车的平稳启动和无级调速, 降低了能耗及维修成本, 同时给大巷运输带来了经济效益和安全效益, 具有使用和推广价值, 是煤矿运输设备调速系统今后发展的趋势。

摘要：针对蓄电池机车电阻调速在机车运行过程中存在的不足之处, 将交流变频调速、直流斩波调速等调速技术应用到生产中, 进行调速系统的技术升级改造, 改善了蓄电池电机车调速性能, 达到了节能降耗的目的。斩波调速, 是煤矿运输设备调速系统今后发展的趋势。

斩波调速篇6

中平能化建工集团十一矿项目部原有2台CTY5/6型电阻调速机车,采用电阻调速方式,其电阻调速装置共有9对触头,通过触头的开闭组合控制蓄电池串并联、电机串并联、电机弱磁、电阻串入,形成调速装置的6个档位。该调速装置的主要缺点[1]:①调速过程中串入的电阻将电能变成热能损失掉,浪费电能;②分段改变电机两端的电压,导致机车的速度呈台阶式变化,调速极不平滑;③调速触头多,易损坏,日常维护量大,且配件贵。基于以上缺点,决定采用IGBT直流斩波技术对该电阻调速装置进行改造。

1 直流斩波调速装置的选型

IGBT直流斩波调速装置同可控硅直流斩波调速装置相比,具有控制简单、更节能、滤波电容和电感容量小、装置体积小的特点;同交流变频调速装置相比,由于采用串激直流电动机,具有启动力矩大的优点[2],改造成本低。若采用变频调速装置,还需投入2台交流异步电动机,成本较高,况且变频调速技术在矿用电机车上的应用还不太广泛。结合实际情况,选用了ZBT-100/100X型IGBT直流斩波调速装置箱。

该装置主要技术参数:①适用机车黏重,5 t:②额定电压96 V;③额定电流100 A;④输出电压调节范围10%~90%。

2 工作原理

矿用蓄电池电机车调速装置采用了IGBT大功率开关器件,控制方式为定频调宽。IGBT的开通和关断是由栅极电压来控制的,当栅极施加+15 V电压时IGBT导通,而当栅极施加0~-10 V电压时,IGBT关断。当IGBT VT1(VT2)导通时,电机电流线性上升;当IGBT关断时,电机电流通过续流二极管D1(D2)形成回路,电流线性下降。通过改变IGBT的导通、关断时间的比值(即调压比α=TON/T),即可改变电机两端的电压平均值,从而改变电机转速、实现机车调速[3]。IGBT脉冲调速电路及原理如图1所示。

该装置独到之处是机车的2个电机分别由独立的IGBT控制,提高了电路可靠性。该装置在控制驱动系统中,具有限制电流、短路保护的环节,如果电机绝缘不好或出现短路情况时驱动电路不输出驱动信号,机车不能运行。同时还有温度保护环节,当散热器的温度超过90 ℃时,机车暂停运行,以保护IGBT,防止其因温度过高而损坏。

同电阻调速装置一样,IGBT调速装置箱换向手柄有三档切换位,用来改变电机励磁电流的方向,从而改变电机的旋转方向,实现机车的前进、停车和后退。

3 改造实施方法

3.1 调速装置箱

①把机车原电阻调速装置箱内的端子接线全部拆掉后,将电阻调速箱拆除取下。②将IGBT调速装置箱在原位置固定好。③按调速装置箱外部接线端子图(图2)将电机电枢线、励磁线、蓄电池电源插头线连接到对应接线端子上。④接线完毕,接通电源前,应仔细检查各接线柱对外连线是否正确,确保接线无误后才能通电试车。⑤试车时将机车车轮悬空,同时注意观察机车的两电机转向是否与调速装置箱上的“前进”或“后退”指示一致,若不一致则需将反向电机励磁接线端子调换,至此IGBT调速装置箱安装完毕。

调速装置箱体安装要求:接线腔及出线端口不要过于靠近机车车体,否则会使接线及维修困难;控制器必须与机车司机室底板垂直;装置箱固定底脚在适当位置与车体焊接牢固。

3.2 蓄电池

原蓄电池1个组共48只,每24只为1个小组,利用2个小组蓄电池的串并联对电机车进行调速,需隔爆型插销4个。改造方法是将两小组蓄电池串联起来,需隔爆型插销2个。

3.3 直流电动机

原机车电阻调速装置调速时用到弱磁调速,而IGBT调速装置不需要弱磁调速,所以将2台直流电机励磁绕组的弱磁线拆除即可。IGBT直流斩波调速装置电气原理如图3所示。

4 应用效果

IGBT直流斩波调速装置与电阻调速装置相比,使用效果较好。

(1)启动平稳,加速均匀,实现无级调速。由于IGBT开关频率达到2 kHz,实际电机的电流脉动和力矩脉动很小,可等效为直流电源,所以该装置调速非常均匀。

(2)节能效果好,延长了蓄电池使用寿命。由于IGBT工作在开关状态,导通压降为2 V左右,导通关断时损耗很小,所以调速状态下节能效果显著,可使99%以上电能用于直流电机,较电阻调速装置节能30%。

(3)日常维护大大减少。原电阻调速装置共有9对调速触头,动触头通过转轴与静触头变换接触达到调速目的。由于机车运行中电流较大,经常烧坏触头和连接触头的胶木座,严重影响了电机车的正常运行。IGBT调速装置则可以实现无触点调速控制,日常维护量很小。

(4)该装置较电阻调速及可控硅直流斩波装置电气线路简单,空间大,便于维护检修。

(5)故障率几乎为零。该装置箱主控器件选用英飞凌FF400R06KE3型IGBT(额定电压600 V、电流400 A),额定容量大,在控制驱动系统中具有限制电流、短路保护环节,散热器具有温度保护环节,故障率极低,保证了矸石、物料及人员的及时运输。

5 结论

(1)改造后的机车启动力矩大,启动平稳,调速均匀,保护功能全,节约电能30%左右,延长了蓄电池的使用寿命,深受司机、维护人员和基层管理人员的欢迎。

(2)改造方案简单、方便,投入成本小,收益大。该装置也适用于可控硅直流斩波装置技术改造。

摘要：在分析电阻调速装置缺点的基础上,选用了ZBT-100/100X型IGBT直流斩波调速装置箱对矿用蓄电池电机车调速装置进行改造。介绍了IGBT直流斩波调速装置的工作原理、调速装置箱和蓄电池的改造实施方法以及改造后使用效果。应用表明,改造后的机车启动力矩大,启动平稳,调速均匀,保护功能全,节约电能30%左右,延长了蓄电池的使用寿命。

关键词：矿用蓄电池电机,调速装置,IGBT直流斩波

参考文献

[1]劳动部,煤炭工业部.电机车司机[M].北京:煤炭工业出版社,2003.

[2]张水利,李付亮.电机与电力拖动[M].北京:北京理工大学出版社,2007.

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