调速方式

调速方式（共6篇）

调速方式 篇1

0引言

众所周知,在水电站中,应用引水管将上游水库中的水引向水轮机,进而推动水轮机的转轮旋转, 带动发电机进行发电。虽然国内的普通河道比较适合用小水轮机,但是水力学者、专家指出水泵,尤其是轴流泵,具有水轮机的特性,并且比同类型特制小水轮机产量大、成本低。因此国内可以利用已有的泵站进行发电。然而,必须要根据泵站自身的水利条件,确定合适的运行转速,即选择合适的运行方式,才能实现泵站反向发电。目前,国外还没有泵站进行反向发电,但我国已经有一部分的泵站运行发电了,只是调速方式的应用比较局限,随着调速方式研究的日趋完善,可供泵站发电时选择的调速方式也越来越多。迄今为止,我国现有的水泵站多采用同步电动机作为主电机。同步电动机的运行转速为n =60f /p,因此,可以通过改变电机的频率f或者改变电机的极对数p来改变电机的转速[1]。

1同转速运行

同转速运行方式是指水泵在抽水和反向发电时的转速相同。该方式的主要优势是主机设备不需增加投资,且辅机设备基本不变。因此该方式最为经济, 应该作为现有泵站反向发电的首选[1,2]。泗阳二站和沙集站 (2014年以前 ) 都是利用该方式进行反向发电的,为泵站本身和国家都创造了利益。但是同转速运行方式的高效率区一般出现在水头高于水泵工况时的扬程,对一般水泵站而言,其运行效率偏低, 甚至无法发电,因此通常不选用此种方式[2,3]。

2变极降速运行

抽水蓄能电站如果需要提高水泵——水轮机的效率,一般会用变极的方式给同步发电机变速,使之作电动机运行时的转速比作发电机运行时略高。 同理,对水头变动范围较大的水轮发电机或者用作抽水的同步电动机也往往采用变极同步电机。迄今为止,变极运行方式主要采用的是倍极变极,当然近几年也研究出了双速变极方式,只是还未应用到泵站发电中。

2.1倍极变极方式

倍极变极方式比较简单,就是为了达到变极的目的而改变电机定子或者转子绕组的连接方式,使电机的磁极成倍增加,使得机组的运行转速降为一半,这样便可满足一般泵站发电运行时所需要的低转速要求[2]。需要注意的是,倍极变极方式必须同时对电机的定、转子绕组进行变极。泗阳一站和江都三站 (1986 ~ 2009年 ) 均利用该方式进行发电, 并取得了相当可观的效益,但是江都三站并没有达到最优效益,因此2009年以后更改了发电方式。

如果发电时采用倍极变极的方式是不需要增加任何辅助设备的,但是电动机必须做成变极电动机, 由于该形式的电动机体积大,因此制造成本大大增加,而且土建投资也要增加[2]。

2.2双速变极方式

近年来国内已经成功研发了新型双速凸极同步电机,其主要特点有 :(1) 转子采用非均匀凸极分布的新型结构 ;(2) 转子电路采用最少3个滑环便可方便切换 ;(3) 转子绕组导体在两种极数下励磁磁势谐波含量均较低,且材料的有效利用率与标准电机相当 ;(4) 两种极数下的电机总体性能与相同极数标准电机相当[4]。目前,已经研发成功且适用于大型电力排灌泵站的双速凸极同步电机变极比有24/20、36/32、44/36等。目前,这种新型双速凸极同步电机通过低速启动来减少对电网的冲击,励磁电流小 ;转速变化不需停机,操作迅捷且控制简单 ;两种速度下效率高、可靠性好 ;接线方便,不改变电动机的原有结构尺寸,投资节省且通用性强[4]。

其实,双速凸极同步电机已经在工农业生产中得到广泛应用,而且在很多水头变化较大的抽水蓄能电站中也已得到应用。国外主要有 :美国弗拉提隆 (Flatiron) 水电站,变极比为24/28 ;瑞士奥瓦·斯平 (Ova Spin) 水电站,变极比为12/16 ;日本苏巴里 (Subari) 水电站,变极比为12/14 ;奥地利马尔塔 (Malta) 水电站,变极比为12/16 ;瑞士法特斯 (Farttes) 水电站,变极比为10/12等。国内主要有 :北京密云电站,变极比为22/24 ;潘家口水电站,变极比为42/48 ;安徽响洪甸抽水蓄能电站,变极比为12/16等。虽然国内也在20世纪90年代提出将凸极同步电机应用于大型泵站,但只是应用于排灌,没有应用于发电。反向发电的思想与排灌的思想相近,所以双速凸极同步电机同样可以用于反向发电调速。

3变频降速运行

水泵作为水轮机运行时,水轮机最佳工况水头和转速呈二次方关系。所以,采用变频方式调节水泵机组发电转速时,效果较为明显[5]。

变频方式就是采用电子变频装置或者机械变频机组,降低水轮机机组发出电能的频率,以便降低机组的运行转速,使水泵反向发电运行在高效区[6]。 变频运行方式可以根据不同运行条件随时调整机组的运行转速,以便使机组能随时运行在最佳工况下。 由于其优越的调速性能,在中小容量的交流电机中已经得到了广泛的应用[2]。

3.1机械变频方式

机械变频方式是指根椐泵站常年可提供的发电平均水头计算出机组倒转发电时的最优转速和泵站机组的发电总容量,选择与最优转速对应频率的变频机组。抽水运行时,变频机组闲置 ;发电运行时,水泵机组的转速要低于抽水运行时的转速, 发出的电能频率低、电压低,用该电能驱动变频机组的电动机运行,电动机再驱动发电机,将与电网频率、电压相同的电能发送到电网。

该发电方式的优点是 :泵站抽水的效率不会受到影响,发电效率也能得到很大的提高,并且全站只有一台变频机组要增加[6]。刘老涧泵站就是采用该方式进行反向发电的。前面所提到的江都三站, 在2009年改造后将发电方式改变为利用变频机组进行反向发电,发电效益得到了很大的提高。此外, 沙集站也因为同转速发电方式并未达到最高效率, 经模型试验后,于2014年将发电方式改为机械变频方式。

但是,增加变频机组的同时便要增加相应的土建投资,而且会增加管理难度。最重要的是,该方式适用于水头变化较大的泵站。

3.2电子变频方式

2014年,淮阴二站进行反向发电的事宜已经基本确定,该站选用的调速方式即为电子变频方式。 电子变频方式根据变频装置作用的位置,可分为定子侧电子变频方式和转子侧电子变频方式两种。

3.2.1定子侧电子变频

将三相工频交流电源接到变频装置,利用半导体电力电子整流器将其整流成直流,再经过半导体电力电子逆变器,把直流逆变成交流,在逆变的过程中可施加控制,改变逆变所得的三相交流电频率[7]。用变频装置输出的交流电给电机定子供电,进而改变电机的同步转速,并且改变转子的转速。所以,变频运行方式可以根据不同的运行条件,随时改变机组的运行转速,进而使得机组永远处于最佳运行工况[7]。其示意图如图1所示。

因为其调速性能优越,所以交流调速得到了快速发展,并且广泛应用于中小容量的交流电机。然而,高压变频设备的系统复杂,造价较高,管理难度非常大。所以该技术目前只有泵站用于抽水运行, 但还没有泵站应用于发电运行中。

3.2.2转子侧电子变频

转子侧变频调速是将电机的转子与变频装置相连接,经过多年的改进完善,出现了双馈调速和内馈调速两种方式。

3.2.2.1双馈电机调速

转子侧电子变频调速实际上属于串激调速,广泛应用于风力发电的双馈电机的电机调速,就是通过调节转子电流频率来实现的。双馈电机调速又分为两种,分别是绕线式异步电机双馈调速和无刷双馈电机调速。

1) 绕线式异步电机双馈调速

绕线式异步电机双馈调速是指异步电机的定子绕组、转子绕组都连接到交流电网或者含有电动势的回路,使得它们能够进行能量的双向流动[8]。 将双馈电机的绕组与变频电源连接,根据变频电源频率的控制方法,绕线式异步电机双馈调速又可以分为他控式和自控式两种[7,8]。其中,他控式适用于泵类、风机负载,而自控式适用于有冲击负载的场合。

他控式控制方式又可称为同步工作方式。变频器输出频率f1由专门的频率给定装置单独控制, 即直接控制输入点的电压频率f2。因为f2=sf1,所以电机一定运行在对应s的转速下,并且和负载无关[9,10]。此时,异步电机相当于同步电机的转子加交流励磁,它的同步转速随着转子输入电压的频率变化而变化。肯定会有同步电机的突然加载时容易失步的缺陷出现在他控式双馈调速系统中,因此这种方式仅仅适用于对调速的快速性要求较低,并且负载比较平稳的场合,如泵类、风机负载等。图2所示的是他控式双馈电机调速系统的原理图[7]。

自控式控制方式又可以称为异步工作方式。异步电机转子的输入频率由与其同轴的位置检测器自动控制,输入频率能够自动跟踪转差频率。自控式双馈调速电机相同于普通的异步电机,转速随着负载的变化而变化,但是它能够调节电机定子侧的无功功率。系统之所以有较强的调节能力且稳定性也较好,是因为变频器的输出可控,这样就可以避免失步现象的出现,所以该方式可用于有冲击性负载的场合。图3所示的是自控式双馈电机调速系统的原理图[7,8]。

2) 无刷双馈电机调速

无刷双馈电机 (BDFM) 的基本结构是一个定子、 一个转子和一套公共磁路,定子是由两套极对数不同的绕组构成的,功率绕组与三相工频电源连接, 控制绕组与变频器连接。确定两套绕组的极对数时, 电机的转速便可以通过改变变频器的输出频率进行调节[9,10,11]。图4所示的是BDFM的运行原理图。

BDFM的转速公式为 :

式中fp为无刷双馈电机的频率,fc为变频器的频率,Pp为功率绕组的极对数,Pc为控制绕组的极对数。“-”表示功率绕组和控制绕组的电压相序相反,“+”表示功率绕组和控制绕组的电压相序相同。

3.2.2.2内馈电机调速

近年来出现的内馈电机调速方式是基于串级调速改进的转子侧电子变频调速方式,它不仅克服了串级调速电机将转子铜耗馈到高压电网的缺点,而且在定子上增加了一套小功率的内馈绕组,继而降低了调速成本,因此更具有实用价值。

内馈电机调速也属于串级调速,它是在特制电动机的定子中增加了一个能量回馈绕组,所以称为内反馈。内反馈电机在电机内部增设内馈绕组是为了接收从转子移出的转差功率。当内馈绕组处于发电状态时,便可以抵消定子绕组的等量输入功率, 继而实现电机的高效率运行。如果调节绕组得到的转差功率越大,电机的机械输出功率则越小,转速则越低 ;反之,转速则越高。当调节绕组的功率为零时,机械功率几乎等于转子功率,此时的电机转速最高。图5所示的是内馈电机调速流程图[12]。

普通的内馈电机串级调速系统会出现波形严重畸变的问题。为了解决这一问题,研究人员在该系统的直流回路部分增加了斩波器,电机转速的调节由调节占空比来控制。改进后的系统成为内馈斩波串级调速系统,其电路示意图如图6所示[13,14]。

该系统由三部分组成,分别是不可控整流桥、 升压斩波电路和晶闸管桥式电路 ( 该电路工作于有源逆变状态 )。通过控制升压斩波器,将较低的转子整流电压提升到一个较高值,进而调节电机转速[9,14]。通过整流器将内馈电机的转子电势整流为直流电压。导通斩波管时,转子整流电压被斩波管短路,转子电流上升,斩波电感进行储能 ;断开斩波管时,斩波电感经过续流二极管为电容充电, 电容的电压升高。当电容电压高于逆变器固定电压门槛,电容能量经过逆变器回馈给电网。

用UR表示转子的整流电压,UC表示电容的电压, 在系统稳定时的关系式为 :

电容的电压UC固定,只需要改变斩波器的占空比D或者转子的整流电压UR,也就相当于改变了进入转子电路的附加电势值,电机的转速便可以改变[13,14]。转子侧电子变频调速相比于定子侧电子变频调速,其变频电路的电压低、功率小,所以大大降低了成本。而且,转子侧电子变频调速将转子铜耗回馈到电网或者定子侧,也提高了电机运行的效率。当然,上述转子侧电子变频调速方法的优势只能在电机调速范围不大 ( 如20% ~ 30%) 的场合显现出来。目前低扬程、径流式河道上的泵站上下游水位的变化一般都不大,20% ~ 30% 的调速范围完全可以满足这些泵站的优化运行。所以,转子侧电子变频调速方式将会在泵站中有非常广阔的应用前景[15,16]。

4结语

从1986年江都三站最先进行反向发电开始,至今利用泵站进行反向发电已有大约30年的历史,在这期间越来越多的专业人士看到了泵站反向发电的优越性和广阔的发展前景。但是,30年来泵站反向发电的主电机主要采用同步电机,而且发电方式主要集中在同转速、倍极变极调速和机械变频调速这三种。经过调研发现电机的调速方式其实还有很多, 例如电子变频调速和双速变极调速,这两种调速方式的研究已经相当成熟,但只是应用于泵站的抽水运行中,并未应用于发电运行。电动机和发电机的调速原理其实是相通的,因此可以考虑将这些调速方式应用到泵站发电运行。但是,若要将文中所列的调速方式应用于泵站发电,还需要对每个泵站的自身条件进行分析,并对每一种可行的调速方式进行模型试验,预估出平均年发电量和发电效益,再结合经济效益分析,最后选择最优调速方式。

摘要：分析了利用国内现有泵站进行发电的可行性及其主要应用的调速方式,介绍了其他可应用于泵站发电的调速方式并分析了各自的优缺点。指出若要将这些调速方式应用于泵站发电,需结合泵站自身条件,并在对可行的调速方式进行模型试验基础上,预估出平均年发电量和发电效益,再结合经济效益分析,选择最优调速方式。

关键词：泵站,发电,调速方式

大型泵站主电机调速方式的选择 篇2

据2004年调查统计, 我国当时机电排灌保有量达7 000多万k W, 居世界第一。其中大、中型水泵站就有5 500余座[1]。至2008年, 全国排灌机械保有量增加到8 668.4万k W[2], 发展非常迅猛。但国内对泵站的研究主要集中在流道的型式、水泵叶片设计及水泵选型上, 而对主电机型式、传动和调速方式等研究不多。到目前为止, 我国建设的低扬程大、中型泵站, 大都采用低速大型同步电动机与水泵直联配套, 工况的调节主要靠调节叶片的角度来完成。新型调速方式少有应用, 相关研究更是少见。针对这一情况, 在分析现有泵站主电机调速运行现状的基础上, 本文主要研究了变频调速、双馈调速及内反馈调速等调速方式在泵站中应用可行性, 为这些新技术在大中型泵站中的应用给相关工程技术人员提供参考。

1变频调速方式在泵站中的应用

水泵是风机类负载, 当运行转速稍有变化时, 其输出流量、扬程特别是功率就有较大变化。其比例关系如下式所示:

可见, 轴功率随转速的三次方关系变化。所以, 采用变频器调节水泵机组转速时, 节电效果是明显的。由于变频调速装置的动态跟踪性能优越, 当上下游水位变化而使机组的运行工况偏离高效区时, 能动态调整机组的运行转速, 使机组仍然运行于高效区。同时, 变频调速装置亦能在定流量或最大流量要求前提下, 当上下游水位发生变化时, 及时调整机组的运行速度, 实现机组的最优运行[3]。冶金工业部自动化研究院生产的高压直接变频调速装置 (ARIVERT-HS) 专门用于由高压同步电动机拖动的大容量风机、水泵速度调节控制系统中, 同时, 可实现同步电动机的软起动。该院第一台同类产品于1997年10月在广东凡口铅锌矿800 k W、6 k V矿井通风机上顺利投入了运行, 不到11个月便收回了全部投资, 其经济效益亦是十分可观的。水泵与通风机是同类负载, 目前泵站主电机亦多为大功率同步电动机, 而且冶金工业部自动化研究院生产的高压直接变频调速装置是专门用于大功率低速高压同步电动机的, 其具备的性能特点亦非常适合泵站的情况。

江苏首个采用电机定子侧变频调速方式的泵站是淮阴三站。淮阴三站为南水北调东线第三梯级提水泵站, 调水设计流量为100 m3/s, 实际装机为134 m3/s, 工程总投资2.67亿元。安装叶轮直径3.2 m的贯流泵178GZ-4.78四台, 为目前国内叶轮直径最大的贯流泵。主电机采用常规卧式同步电动机, 单机功率2 200 k W, 总装机容量8 800 k W。流量调节采用国际先进的变频技术, 变频装置采用某公司生产设备, 装置型号为空冷型完美无谐波系列NBH高压变频器。

大型同步电机定子侧变频调速在国内外大型调水工程中为首次使用。其最大的优势是可实现机组的软起动, 并在不同扬程和不同流量情况下, 保证机组高效运行。而且其调节是无级的。但值得注意的是:电机定子侧变频调速装置的一次性投资太大, 尤其是用于高压电机时。如江苏淮阴三站, 一套高压变频调速装置 (包括为了避免谐波对电网的影响而设置的同容量隔离变压器) 的价格远远超过了该站主电机 (高压同步电机) 的价格 (不包括电机底座, 因为是贯流泵, 电机底座包含在水泵里) 。

2交流励磁电机应用于泵站的可行性分析

三相交流绕线式异步电机转子绕组施加三相交流电进行交流励磁后就成为交流励磁电机。交流励磁电机的定子具有同步电机的结构和电气特性, 而转子则具有异步电机的结构和电气特性。通过改变交流励磁电机转子侧输入电流的频率、幅值或相位, 既可以控制电机的转速以及有功功率, 又可以调节无功功率, 这就是双馈调速。它具有变频装置容量小、电压低, 以及功率因数可调节、改造费用较低、调速性能好等优点。基于矢量控制的交流励磁电机能最大程度地捕捉风能, 因此, 该电机已在风力发电系统中被广泛应用, 但其在泵站中的应用研究还少见报道。

本文对交流励磁电机应用于泵站的可行性进行了仿真研究。图1为交流励磁电机转子侧PWM变频器双闭环控制系统框图, 利用该控制系统建立了泵站用双馈调速系统仿真模型, 并在MATLAB/Simulink仿真系统中, 对应用于泵站的交流励磁电机进行了转速调节和独立调节有功、无功功率调节的仿真研究[4]。

图2为调节转子电流频率时转子转速的波形 (亚同步调速时) , 图3为转子频率调速时, 相应的电机有功、无功响应波形。图4为调相时, 电机转速、有功和无功响应波形。

可见, 选择合适的控制策略, 交流励磁电机的有功、无功均可独立调节。该特性非常适用于水泵的拖动。如以电机调速代替水泵调角, 则可减少泵站的辅助设备, 减轻运行维护工作量;如以电机调速结合水泵调角, 则可提高泵装置的效率;如以转子变频调速代替定子变频调速, 则可降低电机和变频装置的造价, 亦可提高电机的效率;如以转子调相实现无功功率的调节, 则可解决异步电机功率因数低的问题。

3内馈调速方式应用于泵站的可行性分析

内馈电机是在绕线转子异步电机的定子中增加一套绕组, 称之为内馈绕组而形成的。该绕组与原绕组只存在电磁感应, 没有电的直接联系, 主要用来接收从转子反馈的能量。

内馈调速是根据功率控制调速理论创建的新型交流调速系统。通过将转子的部分功率 (指转差功率) 以电能的形式反馈给电机定子上安装的内馈绕组来实现功率的控制。转子反馈给内馈绕组的功率越多, 电动机输出机械功率越少, 转速就越低;反之, 转子反馈给内馈绕组的功率越少, 电动机输出机械功率越多, 转速就越高[5]。内馈调速主电路如图5所示[6]。

内馈电机是在传统串级调速基础上, 在直流回路部分增加了一个斩波器 (即绝缘栅双极晶体管IGBT导通关断电路) 。这种拓扑结构是通过改变斩波器的占空比来调节电机转速, 而不是通过改变晶闸管逆变器移相角来实现电机调速。此时逆变器的触发角固定为允许的最小逆变角不变。因此与传统串级调速相比, 在50%~100%的调速范围内, 内馈斩波串级调速系统的逆变器容量和电机辅助绕组容量最多只有电机额定功率的30% (通常电机转子功率只占整个电机功率的30%左右) , 比传统串级调速小得多。另外, 由于晶闸管逆变器移相角不管速度高低, 都固定在最小逆变角, 并且容量比较小, 它产生的无功远小于传统串级调速系统, 因此其功率因数比较高, 可以达到0.8左右[7]。

内馈调速方法已在部分水厂和电厂冷却水系统得到应用。经使用证明, 它具有下列优点[5]:

(1) 调速效率高。因为内馈电机斩波控制装置没有变压器等耗能设备, 其调速效率高于高压变频等其他高效调速方式。

(2) 可靠性得到提高。回避了高压与大容量的问题, 内馈电机斩波控制装置的工作电压低于l 000 V, 其可靠性得到提高, 另外系统本身带有自动和手动的旁路, 不需另作旁路系统, 增加了运行可靠性。

(3) 经济性尤其明显。由于避开了高压和大功率问题, 内馈电机斩波调速装置的投资减少明显。

(4) 安装简便, 附加设施少。

但是, 目前内馈调速技术仅在中型电机、高速运行 (电机同步转速1 000 r/min) 的泵站中得到成功应用。而在大型泵站, 特别是低速大中型区域调水泵站 (如江苏大部分大中型泵站) 中还没有应用的实例。鉴于内馈调速技术的成功应用和大功率齿轮箱制造成功, 可以考虑用高速内馈电机结合齿轮箱减速技术来解决低速大中型泵站主电机的调速问题。

4结语

随着新技术的不断发展和成功应用, 大中型泵站在设计建设和改造中有必要吸收新型调速方式等技术, 提高泵站的技术水平、运行效率和可靠性, 并减少投资。特别是已经在国外大中型泵站成功应用的技术, 如齿轮减速传动等, 应大力推广。有些在其他行业得到成功应用的技术, 例如交流励磁电机、内反馈调速等也应该积极探索和尝试使用。

摘要：分析了定子变频调速方式在泵站的应用情况及其优缺点;介绍了在风力发电中获得大量应用的交流励磁电机在泵站中应用的可行性;研究了已在自来水厂等获得成功应用的内反馈调速方式在泵站中的应用前景。提出应在大中型泵站建设与改造中积极推广应用新型调速方式, 以达到节约投资、节约能源和提高泵站技术的目的。

关键词：泵站,变频调速,交流励磁电机,内反馈调速

参考文献

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[6]徐鹏飞.基于PWM逆变器的内反馈串级调速系统研究[D].扬州:扬州大学, 2013.

调速方式 篇3

目前常用的调速方式主要有三种:一是通过减速机换挡进行调速, 二是通过电动机进行调速, 三是通过改变滑轮组倍率进行调速。本文针对大型塔机提出了一种采用变频调速电机+液力换挡变速器方式进行调速的方法, 其调速范围广、变速平稳、无冲击, 有效提高起升速度, 提高工作效率。

1工作原理

1.1变频调速电机

交流异步电机的转速公式如下

式中f——电源频率;

p——电动机极对数;

S——转差率。

由于转差率S为常数而且很小, 所以决定交流异步电机转速的是电源频率f和电机极对数p这两个因素。改变电机极对数进行调速的方法为变极调速, 改变电源频率进行调速的方法为变频调速。

变极调速构造简单, 成本低廉, 维修方便, 应用较广, 缺点是换挡时有一定的冲击, 慢就位速度不是很理想, 常用于中小吨位塔机起升机构。

而对于大吨位塔机, 对吊重平稳性要求较高, 一般采用变频调速。变频调速具有以下优点。

1) 由于电源频率可以任意改变, 所以能实现真正的无级调速。

2) 调速时平滑性好、调速范围大、精度高、效率高。变速平稳、无冲击, 可以大大改善机构和钢结构的使用情况。

3) 可以长时间慢速工作, 电机也不会过载、过热, 有利于减少操作者的紧张情绪, 提高安装、吊重的定位精度。

4) 使用鼠笼电机, 具有可靠性高、体积小、重量轻的特点。

5) 起动电流低、变速时电流变化不大, 对工地电网冲击小。

6) 利于钢丝绳排绳, 提高钢丝绳寿命, 同时提高了塔机的安全性。

相对于变级调速, 变频调速成本较高, 技术复杂, 但起制动更加平稳, 调速性能好, 运行平稳无冲击, 能延长结构和传动件的寿命, 同时提高了塔机的安全性。

1.2液力换挡变速器

本文设计选用液力换挡变速器有四套离合器部件, 通过电液控制, 四套离合器部件可单独工作, 实现不同的挡位功能。图1所示为变速器结构及工作原理简图。变速器为平行轴传动结构, 由液压控制的多片式摩擦离合器, 实现接合和脱开, 实现换挡。换挡时, 相应挡位的离合器摩擦片被受轴向作用的油压所推动的活塞压紧。离合器摩擦片的松开是靠复位弹簧的作用力将活塞返回, 通过上述过程的循环往复运动, 从而实现增挡及减挡的换挡过程。

本文设计所采用变速器的挡位数为4挡, 实现四种速比分别为5.18/2.63/1.21/0.66, 可实现快慢速之比为7.85, 变速范围大。其缺点是:该变速器为电液控制, 需外接动力单元及冷却装置;内含液压回路, 对管路中液压油质量要求较高;变速器的保养和维护比较繁琐;技术复杂, 对电气控制等要求也较高。

1.3起升机构

常规的起升机构采用传动方式为:电机→减速机→卷筒→钢丝绳, 而本文所提出的起升机构 (图2) 在原有的基础上, 增加了液力换挡变速器, 其传动方式为:电机→液力换挡变速器→减速机→卷筒→钢丝绳。较之常规传动方式增加了一道环节, 技术更加复杂, 保养和维护更加繁琐, 对各方面要求都有所提高。

2对比分析

变频调速电机的优点前文已经比较详尽的描述, 下面主要介绍有无液力换挡变速器对塔机起升机构的影响。

例:某大型平臂塔机, 最大额定起重量100t, 工作级别M4, 起升速度0~80m/min, 起升高度280m。采用起重机用变频调速电机。

从表1对比可以看出: (1) 在满足相同参数要求的情况下, 采用变频调速电机+变速箱方案变速范围较大, 重载时速度很低, 利于稳定就位; (2) 采用变频调速电机+变速箱方案所需电机功率仅为采用变频调速电机方案的41.9%, 能耗小, 经济环保; (3) 电机功率小, 所配套的变频器规格相对较小, 可有效降低成本; (4) 采用变频调速电机方案时, 为增大电机的调速比需加宽电机的恒功率段, 即将电机基频50Hz降低为33Hz, 超频使用, 对电机的参数和质量提出了更高要求。

3结论

采用变频调速电机+液力换挡变速器方式进行调速的方法, 其优缺点总结如下。

1) 采用变频调速电机, 起制动运行平稳无冲击, 能延长结构和传动件的寿命, 利于钢丝绳排绳, 提高钢丝绳寿命, 同时提高了塔机的安全性。

2) 液力换挡变速器可实现四种速比分别为5.18/2.63/1.21/0.66, 可实现快慢速之比为7.85, 变速范围较大, 降低电机功率, 降低塔机成本及运行能耗, 在大型塔机的应用效果尤为明显。

3) 缺点是技术复杂, 变速器的保养和维护比较繁琐, 技术复杂, 对各方面要求也较高。

综上所述, 在大型塔式起重机起升机构中采用变频调速电机+液力换挡变速器方式进行调速, 调速范围广、变速平稳、无冲击, 很好地满足了用户要求, 适应了市场发展。

摘要：针对大型塔式起重机工作时要求重载低速、轻载高速、慢就位的特点, 提出了一种新型的起升机构调速方式, 即采用变频调速电机+液力换挡变速器方式进行调速的方法。充分利用了变频调速电机的无级调速及变速箱的多挡变速功能, 有效地解决了大型塔机起升机构对吊重的平稳性及速度要求, 降低了电机功率, 提高了塔机工作效率, 更好地适应了市场需求。

关键词：塔式起重机,起升机构,变频调速电机,液力换挡变速器

参考文献

[1]张质文, 王金诺, 程文明, 等.起重机设计手册 (第二版) [M].北京:中国铁道出版社, 2013.

调速方式 篇4

随着电力系统互联规模的增大,低频振荡的问题越来越突出。电力系统低频振荡主要是机电模式的振荡。文献[1]发现励磁系统有可能削弱机组的阻尼转矩,甚至导致阻尼转矩为负。因此,负阻尼机理广泛应用于低频振荡分析和抑制方法研究[2,3,4,5,6,7]。但是,在系统实际运行中还存在负阻尼机制无法解释的低频振荡现象,如文献[8]所述中国河北南网安保线上多次发生的等幅低频振荡。由此,文献[8,9]提出了低频振荡的共振机理。文献[10,11]分析认为,原动机侧的外界振荡扰动与系统固有频率接近或相同时会引起共振。文献[12]发现,当电网侧出现扰动时,由于汽轮机组功率—频率调节采用机端有功信号,因此,实际控制方式由反馈变为前馈方式[13],使机械功率阻尼降低并出现共振频率点。当电网侧振荡扰动接近共振频率时,会引起汽轮机组机械功率大幅振荡,进而引起低频振荡。

在发电机稳定控制方面,虽然各种新理论的研究很多,但实际应用并不理想。在励磁侧配有电力系统稳定器(power system stabilizer,PSS)后,若仍然发生低频振荡,现场可采用降出力的办法。但该办法抑制振荡耗费时间长,且会改变系统运行方式,容易导致系统解列。此外,现场运行经验表明,改变控制方式、系统结构和参数可能使振荡平息。文献[14]阐述了某厂在发生低频振荡时,通过改变调速系统控制方式,将闭环控制改为开环控制,使振荡平息的过程。为保证发电机的稳定性,一些发电厂甚至在正常运行时,也将调速控制系统的反馈回路断开,不将一次调频功能投入[15]。

其实,每种控制方式都有其控制目的。功率反馈、频率反馈和压力级反馈对保证一次调频和二次调频精度、线性度和及时性都有作用。只有通过对每种控制方式的阻尼特性和频率特性进行分析,才能在改变系统控制方式以抑制低频振荡时,做到有的放矢。

因此,本文对汽轮机组调速系统的3种控制方式进行了阻尼特性和频率特性分析,提出了控制方式在线调整策略,以便有效地抑制低频振荡。

1 数字电液调速系统的控制方式

一次调频要求汽轮机具有快速功率响应特性和较好的功率—频率线性调节特性。故现代大型机组调速系统普遍采用数字电液(DEH)调速控制系统。

近代高参数大容量机组普遍采用单元制中间再热,调速控制系统增加了调节级压力反馈控制回路和功率反馈控制回路,并结合前馈比例—积分(PI)校正[16,17,18],以使汽轮机输出功率能准确、快速地跟随给定值。但由于现实中汽轮机机械功率Pm测量困难,一般采用发电机出口有功功率Pe代替[17,18]。控制系统原理如图1所示[16]。图中,ωr为转速设定值,ωm为转速实际输出值。

图1中,汽轮机转速为主被调量,调速级压力为副被调量。频差放大器、发电机有功调节器和PI1控制器构成主控制回路,调速级压力调节器和PI2控制器构成副控制回路。

实际运行中,系统的虚拟开关由软件实现,开关K1和K2的指向可提供不同的运行方式,即K1与K2全部闭合,为串级PI控制方式;K1闭合而K2断开,为单级PI1控制方式;K1断开而K2闭合,为单级PI2控制方式。

2 避开共振频率点的控制思路

以上控制方式从热工控制的角度出发,主要控制目标是使汽轮机输出功率和转子频率跟随给定值。为与负荷平衡,考虑了有差调节。但是,从电力系统稳定运行的角度,则要求汽轮机输出机械功率能及时跟随电网侧负荷的变化。

当系统负荷变化时,先造成发电机有功功率的变化,然后因机械功率和电功率不平衡才引起转速变化。所以,此时调速系统中的Pe成为前馈输入信号而不是反馈信号,Pm随其变化而变化[12,14]。

若电网侧某扰动源引起的低频振荡传递到机端,使机端Pe低频振荡,由于控制方向改变,ΔPe有可能通过调速系统激起汽轮机ΔPm共振(ΔPm是ΔPe的几倍振幅),使转子的不平衡力振荡力矩迅速增大,转子大幅振荡[12]。造成这种情况的原因是Pe→Pm控制方向的共振频率与扰动频率接近或相同。

在抑制上述机理的低频振荡时存在2个问题:为满足二次调频功能以及一次调频静态调节特性,不宜改变调速系统原有的结构;另外,为保持正常的一次调频静态调节特性和抗高频干扰,电功率测量回路设计成低通信道,即无法阻止低频振荡信号进入前馈通道。

为此,本文的思路是:通过改变DEH调速系统的控制方式,来改变Pe→Pm控制方向的系统机构和特征值,从而改变共振频率点,避免ΔPm和ΔPe共振。由于调速级压力和机端ΔPe都是副被调量,故可通过开关K1和K2的闭合改变辅助控制方式,从而改变Pe→Pm的特征值及固有频率。同时保留了原有的闭环“调速”功能。

下面,分别依托简化模型和典型模型,对串级PI、单级PI1和单级PI2这3种控制方式的阻尼特性和频率特性进行分析,研究共振频率的分布特点,以便振荡时采取合适的控制方式。

3 简化模型的阻尼和频率特性分析

3.1 串级PI控制系统的阻尼和频率特性分析

根据图1,汽轮机DEH控制系统的简化系统如图2所示。

图中:Gc1(s)=Kp1和Gc2(s)=Kp2分别为主、辅控制器,为降低回路阶数,只使用比例环节;Gv(s)=Kv,为伺服系统;GCH(s)=1/(1+TCHs),为高压容积;GRH(s)=1/(1+TRHs),为再热与低压容积;Gσ(s)=1/(Tσs),为转子模型;ΔPe为电功率扰动;ΔPm为机械功率输出。令

$G{}_{\text{Ο}}=\frac{G{}_{\text{c}2}G{}_{\text{v}}G{}_{\text{C}\text{Η}}}{1+G{}_{\text{c}2}G{}_{\text{v}}G{}_{\text{C}\text{Η}}}(1)$

以扰动ΔPe为输入,ΔPm为输出。则有

$-[(\text{Δ}{\rm P}{}_{\text{m}}-\text{Δ}{\rm P}{}_{\text{e}})G{}_{\text{σ}}+\text{Δ}{\rm P}{}_{\text{e}}]G{}_{\text{c}1}G{}_{\text{Ο}}G{}_{\text{R}\text{Η}}=\text{Δ}{\rm P}{}_{\text{m}}(2)$

为了直接推导出系统的主要振荡模式,须先进行系统降阶。因TCH相比于TRH和Tσ较小,可将此环节降阶,即TCH=0。则将各元件模型代入式(2),得到串级PI控制的简化系统模型为:

$\frac{\text{Δ}{\rm P}{}_{\text{m}}(s)}{\text{Δ}{\rm P}{}_{\text{e}}(s)}=\frac{{\rm K}{}_{\text{p}1}{\rm K}{}_{\text{m}}(1-{\rm T}{}_{\text{σ}}s)}{{\rm T}{}_{\text{σ}}{\rm T}{}_{\text{R}\text{Η}}s{}^2+{\rm T}{}_{\text{σ}}s+{\rm K}{}_{\text{p}1}{\rm K}{}_{\text{m}}}(3)$

式中:

${\rm K}{}_{\text{m}}=\frac{{\rm K}{}_{\text{p}2}{\rm K}{}_{\text{v}}}{1+{\rm K}{}_{\text{p}2}{\rm K}{}_{\text{v}}}(4)$

可得串级PI控制的系统无阻尼自然频率ωc和阻尼比ζc分别为:

$\begin{array}{l}\omega {}_{\text{c}}=\sqrt{\frac{{\rm K}{}_{\text{p}1}{\rm K}{}_{\text{m}}}{{\rm T}{}_{\text{σ}}{\rm T}{}_{\text{R}\text{Η}}}}(5)\\ \zeta {}_{\text{c}}=\frac{1}{2}\sqrt{\frac{{\rm T}{}_{\text{σ}}}{{\rm K}{}_{\text{p}1}{\rm K}{}_{\text{m}}{\rm T}{}_{\text{R}\text{Η}}}}(6)\end{array}$

若$\zeta {}_{\text{c}}<\sqrt{2}/2$,则ΔPe和ΔPm的共振频率ωx为:

$\omega {}_{\text{x}}=\omega {}_{\text{c}}\sqrt{1-2\zeta {}_{\text{c}}^2}=\sqrt{\frac{{\rm K}{}_{\text{p}1}{\rm K}{}_{\text{m}}}{{\rm T}{}_{\text{σ}}{\rm T}{}_{\text{R}\text{Η}}}-\frac{1}{2{\rm T}{}_{\text{R}\text{Η}}^2}}(7)$

由图2可得:

$(\text{Δ}{\rm P}{}_{\text{m}}-\text{Δ}{\rm P}{}_{\text{e}})\frac{1}{{\rm T}{}_{\text{σ}}s}=\text{Δ}\omega (8)$

将式(3)代入式(8),可得

$\frac{\text{Δ}\omega }{\text{Δ}{\rm P}{}_{\text{e}}}=\frac{-{\rm T}{}_{\text{R}\text{Η}}s-({\rm K}{}_{\text{p}1}{\rm K}{}_{\text{m}}+1)}{{\rm T}{}_{\text{σ}}{\rm T}{}_{\text{R}\text{Η}}s{}^2+{\rm T}{}_{\text{σ}}s+{\rm K}{}_{\text{p}1}{\rm K}{}_{\text{m}}}(9)$

由式(3)和式(9)可见,Δω与ΔPm具有相同的自然频率、阻尼比和共振频率。

以上分析表明,若$\zeta {}_{\text{c}}<\sqrt{2}/2$,则存在共振频率ωx。在该频率的ΔPe扰动下,汽轮机机械功率ΔPm会因共振而增大,进而引起转速振荡Δω增大。

3.2单级PI1控制系统的阻尼和频率特性分析

图1中,当只有PI1控制器起作用时,得到图3所示单级PI1控制系统,其他环节与串级PI控制系统相同。

以扰动ΔPe为输入,ΔPm为输出。则有

$-[(\text{Δ}{\rm P}{}_{\text{m}}-\text{Δ}{\rm P}{}_{\text{e}})G{}_{\text{σ}}+\text{Δ}{\rm P}{}_{\text{e}}]G{}_{\text{c}1}G{}_{\text{v}}G{}_{\text{R}\text{Η}}G{}_{\text{C}\text{Η}}=\text{Δ}{\rm P}{}_{\text{m}}(10)$

近似令TCH=0,将各元件模型代入式(10),得到单级PI1控制的简化系统模型为:

$\frac{{\rm P}{}_{\text{m}}(s)}{{\rm P}{}_{\text{e}}(s)}=\frac{{\rm K}{}_{\text{p}1}{\rm K}{}_{\text{v}}(1-{\rm T}{}_{\text{σ}}s)}{{\rm T}{}_{\text{σ}}{\rm T}{}_{\text{R}\text{Η}}s{}^2+{\rm T}{}_{\text{σ}}s+{\rm K}{}_{\text{p}1}{\rm K}{}_{\text{v}}}(11)$

由式(11)可知,单级PI1控制的系统无阻尼自然频率ωc1和阻尼比ζc1分别为:

$\begin{array}{l}\omega {}_{\text{c}1}=\sqrt{\frac{{\rm K}{}_{\text{p}1}{\rm K}{}_{\text{v}}}{{\rm T}{}_{\text{σ}}{\rm T}{}_{\text{R}\text{Η}}}}(12)\\ \zeta {}_{\text{c}1}=\frac{1}{2}\sqrt{\frac{{\rm T}{}_{\text{σ}}}{{\rm K}{}_{\text{p}1}{\rm K}{}_{\text{v}}{\rm T}{}_{\text{R}\text{Η}}}}(13)\end{array}$

若$\zeta {}_{\text{c}1}<\sqrt{2}/2$,则ΔPe和ΔPm的共振频率ωx1为:

$\omega {}_{\text{x}1}=\omega {}_{\text{c}1}\sqrt{1-2\zeta {}_{\text{c}1}^2}=\sqrt{\frac{{\rm K}{}_{\text{p}1}{\rm K}{}_{\text{v}}}{{\rm T}{}_{\text{σ}}{\rm T}{}_{\text{R}\text{Η}}}-\frac{1}{2{\rm T}{}_{\text{R}\text{Η}}^2}}(14)$

同理,可证明该控制方式下Δω与ΔPm具有相同的自然频率、阻尼比和共振频率。

3.3单级PI2控制系统的阻尼和频率特性分析

图1中,当只有PI2控制器起作用时,得到图4所示单级PI2控制系统,其他环节与串级控制系统相同。

以扰动ΔPe为输入,ΔPm为输出。则有

$-(\text{Δ}{\rm P}{}_{\text{m}}-\text{Δ}{\rm P}{}_{\text{e}})G{}_{\text{σ}}G{}_{\text{Ο}}G{}_{\text{R}\text{Η}}=\text{Δ}{\rm P}{}_{\text{m}}(15)$

则以扰动Pe为输入,Pm为输出的闭环传递函数为:

$\frac{\text{Δ}{\rm P}{}_{\text{m}}(s)}{\text{Δ}{\rm P}{}_{\text{e}}(s)}=\frac{{\rm K}{}_{\text{m}}}{{\rm T}{}_{\text{σ}}{\rm T}{}_{\text{R}\text{Η}}s{}^2+{\rm T}{}_{\text{σ}}s+{\rm K}{}_{\text{m}}}(16)$

故单级PI2控制的系统无阻尼自然频率ωc2和阻尼比ζc2分别为:

$\begin{array}{l}\omega {}_{\text{c}2}=\sqrt{\frac{{\rm K}{}_{\text{m}}}{{\rm T}{}_{\text{σ}}{\rm T}{}_{\text{R}\text{Η}}}}(17)\\ \zeta {}_{\text{c}2}=\frac{1}{2}\sqrt{\frac{{\rm T}{}_{\text{σ}}}{{\rm K}{}_{\text{m}}{\rm T}{}_{\text{R}\text{Η}}}}(18)\end{array}$

若$\zeta {}_{\text{c}2}<\sqrt{2}/2$,则ΔPe和ΔPm的共振频率ωx2为:

$\omega {}_{\text{x}2}=\omega {}_{\text{c}2}\sqrt{1-2\zeta {}_{\text{c}1}^2}=\sqrt{\frac{{\rm K}{}_{\text{m}}}{{\rm T}{}_{\text{σ}}{\rm T}{}_{\text{R}\text{Η}}}-\frac{1}{2{\rm T}{}_{\text{R}\text{Η}}^2}}(19)$

同理,可证明该控制方式下Δω与ΔPm具有相同的自然频率、阻尼比和共振频率。

3.43种控制方式的阻尼和频率特性比较分析

现比较分析3种控制方式的阻尼比。由式(7)、式(13)和式(18)可得:

$\zeta {}_{\text{c}2}>\zeta {}_{\text{c}}>\zeta {}_{\text{c}1}(20)$

由线性单自由度系统的强迫阻尼振荡理论可知,阻尼比必须小于$\sqrt{2}/2$才有共振频率,且振幅放大倍数随阻尼比变小而增大。因此,从阻尼角度,单级PI1控制最容易出现共振,且振幅比最大,单级PI2控制最不容易出现共振,且振幅比最小,串级PI控制居中。

一般情况下,Kp1与Kv的取值都远大于1。由式(4)可知Km小于但接近1。因此,由式(7)、式(14)和式(19)可得:

$\omega {}_{\text{x}1}>\omega {}_{\text{x}}>\omega {}_{\text{x}2}(21)$

即单级PI1控制共振频率最高,单级PI2控制共振频率最低。

若发生共振,带宽B为:

$B=2\zeta \omega {}_{\text{c}}(22)$

式中:ζ为阻尼比。

将式(5)和式(6)、式(12)和式(13)、式(17)和式(18)分别代入式(22)。得到串级PI、单级PI1和单级PI2控制的带宽为:

$B{}_{\text{c}}=B{}_{\text{c}1}=B{}_{\text{c}2}=\frac{1}{{\rm T}{}_{\text{R}\text{Η}}}(23)$

再热低压容积时间TRH较长,约10 s。故共振带宽较小,约0.1 rad/s。说明避开共振频率后振幅衰减迅速。

因此,发生共振时的调整策略是:通过切换控制方式,避开共振频率点,即可使振荡迅速减小。

4 典型模型的阻尼和频率特性

考虑典型模型、参数时,汽轮机调速控制系统为高阶系统。汽轮机模型采用3阶模型[19]:

$\frac{{\rm P}{}_{\text{m}}}{\mu }=\frac{1}{1+{\rm T}{}_{\text{C}\text{Η}}s}[f{}_1+\frac{1}{1+{\rm T}{}_{\text{R}\text{Η}}s}(f{}_2+\frac{f{}_3}{1+{\rm T}{}_{\text{C}\text{Ο}}s})2〗(24)$

式中:高压容积GCH=1/(1+TCHs);再热容积GRH=1/(1+TRHs);低压容积GCO=1/(1+TCOs);TCH=2 s;TRH=8 s;TCO=0.5 s;f1∶f2∶f3=0.3∶0.4∶0.3。

转子的传递函数为Gσ=1/(Tσs),Tσ=10 s。

调速系统模型参数[19]如下:PI1控制器为Kp1+1/(TI1s),Kp1=2.9,TI1=2 s;PI2控制器为Kp2+1/(TI2s),Kp2=1,TI2=0.55 s;电液转换器Ge=1/(1+Tes),Te=0.05 s;油动机Gs=1/(1+Tss),Ts=0.02 s;继动器G1=1/(1+T1s),T1=0.02 s;调节限制μmax=0.7,调差系数δ=5%。

在ΔPe扰动下,3种控制方式的ΔPm阶跃响应如图5所示,ΔPm幅频特性如图6～图8所示。

图5表明,单级PI1控制方式的阻尼最小,单级PI2控制方式的阻尼最大,串级PI控制阻尼居中,与第3节中简单模型得到的分析结果(式(20))是一致的。

由图6～图8可见,单级PI2控制的共振频率小于0.1 Hz,相对较小;由图6和图8可见,串级PI控制与单级PI1控制方式的共振点接近,在0.25 Hz左右,在常见的低频振荡范围内。3种控制方式的共振频率分布规律与第3节简单模型的分析结果(式(21))是一致的。

若发生强迫共振时,单级PI1控制方式的放大倍数|ΔPm/ΔPe|最大,达2.7倍左右;单级PI2控制方式的最小,约1.3倍;串级PI控制的居中。与前面阻尼分析的结果是吻合的。

5 共振抑制策略

单级PI1控制方式和串级PI控制方式的共同点是都有电功率反馈通道。在电网侧扰动瞬间和振荡过程中,给定值并未改变,机械功率的波动是由电网侧电功率扰动输入引起的。所以,该通道其实是电网侧扰动的前馈输入通道,控制方向和结构的变化,导致阻尼降低。由前面分析可知,若电网侧功率的扰动频率与共振频率相同(或接近时),机械功率出现大幅共振,导致转子不平衡功率增大,进而引起转速振幅增大。而且,为保证机械功率跟随给定值的稳态控制精度,电功率反馈通道必须为低通通道,无法阻断电网侧的低频扰动信号。

单级PI2控制避免了电网侧低频扰动信号的直接引入,转子惯性削弱了ΔPe扰动的影响。因此,由前面分析可知,对ΔPe扰动的阻尼较大,且共振频率一般不在低频振荡范围。由图7可见,单级PI2控制的共振频率为0.092 3 Hz,且带宽很小。

因此,共振抑制策略是:在正常的串级PI或单级PI1控制时若发生大幅振荡,则通过在线切换开关K1和K2,将控制方式切换到单级PI2方式,既可保留转速控制回路,保持稳定转速,又能有效地避开共振点,降低转子振幅。

假设5 s时,有大小为0.1(标幺值)、频率为0.25 Hz的振荡扰动ΔPe;在47 s时,分别将串级PI和单级PI1控制方式切换成单级PI2控制方式。切换前后,ΔPm和转速Δω的振荡情况如图9和图10所示。

由图9和图10可见,在此频率的ΔPe扰动下,串级PI和单级PI1控制方式因发生共振,ΔPm振幅较大。切换成单级PI2控制方式后,相比正常的串级PI控制方式,ΔPm振幅降低到1/5左右,Δω振幅降低一半左右;而相比单级PI1控制方式,ΔPm和Δω则降低更多。说明该抑制策略能有效地抑制低频振荡。

6 结语

在电网侧发生振荡功率扰动时,功频调速控制系统中的功率反馈通道变成了扰动功率的前馈通道,使机械功率阻尼降低,出现共振频率点。

实际运行中,系统的虚拟开关K1和K2的指向可提供3种不同的运行方式。简单模型的理论分析和典型模型的仿真分析表明,阻尼从小到大的排序为:单级PI1方式、串级PI方式、单级PI2方式;共振频率从小到大的排序则相反。

阻尼越小越容易发生低频振荡。因此,在单级PI1或串级PI控制方式发生大幅低频振荡时,可通过切换开关K1和K2,在线将控制方式切换为单级PI2方式。这样,既可保留转速反馈通道,保持转子稳定控制功能,又能有效地避开共振点,从而大幅度降低机械功率和转子振幅。

该方法不增加新的控制器,只是对原有系统的运行方式进行在线切换。对于抑制低频振荡具有实际意义。

调速方式 篇5

1 常用的几种调速方式

电厂风机与水泵的调节基本可分为两类:一类是通过改变管道特性曲线来改变工作点, 如节流调节;另一类是通过改变风机与水泵的性能曲线来改变工作点, 如变角调节、变压调节、变速调节。

1.1 改变管道特性曲线的调节方式

节流调节是指在输送流体管道上改变阀门开度来调节泵与风机的流量。这种方法是利用改变管道系统的阻力, 以获得适合于用户需要的工作点。节流调节的缺点是驱动源的输出功率并没有改变, 因而增加了无功, 且在低负荷运行时容易引起叶轮汽蚀。但因节流调节不需要复杂的调节设备, 且调节方法简单可靠, 所以在电站离心泵的调节中仍然得到了广泛应用。

1.2 改变风机与水泵性能曲线的调节方式

1.2.1 变角调节

变角调节主要对风机进行调节, 指通过改变入口导叶或转动叶片安装角度的办法改变风机的性能曲线, 以改变工作点的位置。在离心风机中应用入口导流器比较普遍, 通常称为导流器调节。变角调节具有结构简单、设备费用低的优点。与节流调节相比, 导流器调节所产生的附加阻力损失及效率的下降均较低, 并且能使风机工作性能稳定。轴流式泵与风机多采用调整转动叶片安装角的办法, 称为动叶调节, 该法的特点是只要导叶角度变化不大, 风机的效率也不会有太多的降低。

1.2.2 变压调节

变压调节主要对离心泵进行调节, 是通过改变液体进入叶轮前的压力来调节流量的大小。最常见的方法是汽蚀调节, 其工作原理是利用泵发生汽蚀时流量和扬程都会减少的特点, 实现自动调节。在汽蚀调节过程中, 没有附加的阻力损失, 所以调节效率较高。但因其对泵体结构要求较高, 不宜普遍采用。

1.2.3 变速调节

变速调节包括耦合器调速、变频调速和内反馈斩波调速三种方式。

(1) 耦合器调速是指在电机输出的机械轴上加入一个机械液力耦合调速装置, 通过液力耦合器来调节负载的转速。液力耦合器属于机械调速设备, 特别是液力耦合器的液体油温过高, 骨架油封长期处于高温环境中, 寿命短, 漏油现象经常发生, 造成机械轴及轴承齿轮出现干磨现象, 因此故障率较高。但液力耦合器具有较高的传动效率, 尤其是避免了高压给水泵频繁的节流调节, 总体来说还是比较经济合理的。

(2) 变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。目前广泛使用的变频器主要采用交—直—交方式 (VVVF变频或矢量控制变频) , 先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源, 然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器, 逆变部分为IGBT三相桥式逆变器, 且输出为PWM波形, 中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。

(3) 内反馈斩波调速技术在我国应用范围较广, 受到用户的青睐。这项技术目前非常成熟, 特别是安全性与可靠性极高, 在使用中优势明显, 达到了节电、改善工艺、提高运行质量、降低生产成本的目的, 为企业带来了极大的经济效益, 并且可与同机组的自动控制系统配合, 提高自动回路投入率, 提高机组整体自动化水平和企业整体管理水平。

2 节能原理

电厂水泵 (或风机) 运行时, 经常需要调节流量。传统的做法是通过改变阀门开度来调节流量, 随着阀门开度的关小, 水泵运行效率降低。水泵运行时的流量—扬程特性曲线如图1所示。曲线S1为额定运行水泵的流量—扬程特性曲线, 当阀门为最大开度时, 根据阻力特性曲线R1, 得出M1为额定运行点, 对应的扬程为H1, 流量为Q1, 电动机的功率P1=KH1Q1 (K为比例系数) , 若将流量减小到Q2, 此时管网阻力特性曲线为R2, 水泵的运行点为M3, 扬程为H3, 电动机消耗功率P2=KH3Q2 (K为比例系数) , 与P1相比, P2虽略有减小, 但减小程度不大。若采用降低转速的方式, 流量—扬程特性曲线为S2, 而管网阻力特性曲线仍为R1, 水泵运行点为M2, 此时P3=KH2Q2。因扬程降低很多, 电动机消耗功率大为减少, 在同样的流量Q2时, 降低转速时的扬程H2比关小阀门时的扬程H3小很多, 因而电动机消耗功率大为减少。因此变频调速与内反馈斩波调速为电厂水泵 (或风机) 的首选调节方式。

3 内反馈斩波调速系统

3.1 工作原理

内反馈斩波调速的工作原理如图2所示。电动机的转子电流经过隔离开关K 1和旁路接触器KM 2后流入二极管整流器, 经整流器整流后变换成脉动直流电流, 再经限流电抗器送到BOOST斩波器。斩波器由IGBT1元件和二极管、电容器等组成, IGBT1作周期性导通和关断动作。当IGBT1导通时, 电动机转子电流被IGBT1经由电抗器LR 1短路, 其电流随时间上升, 此时电机的转速也随之上升。当IGBT1关断时, 储藏在电抗器中的能量使IGBT1两端的电压升高并经过二极管使电容器CB充电。CB上的能量加到由6只IGBT组成的有源逆变器, 将电流重新变换成交流电并经过LC滤波器滤波, 最后反馈到电机附加绕组。如果IGBT1持续关断, 转子电流被整流后全部加到逆变器并反馈到电动机定子附加绕组, 这时电动机将具有最低转速;当改变斩波器的占空比 (IGBT1导通时间与导通关断周期时间的比) 时, 可以改变斩波器的输出电压, 从而改变反馈能量大小, 即改变了电动机的转速。如果IGBT1持续导通, 则转子电流达到最大值, 电机转速为最高。由此可见, 采用内反馈斩波调速, 不仅改变了电动机的转速, 而且通过逆变器将电动机的转差能量反馈到电机定子附加绕组, 可提高机组的工作效率。

3.2 系统特点

3.2.1 效率高

在各种调速方法中 (液力耦合器、液态电阻调速、高压变频器、内反馈斩波调速) , 内反馈斩波调速的效率是最高的, 因为这种调速方法是在绕线式电动机的转子回路实现的, 被控制的是电动机的转差功率部分, 而电动机转差功率只有轴功率的25%左右, 所以调速装置的效率较高, 达98%以上。

3.2.2 对电网的影响小

斩波内反馈调速装置工作时, 电动机定子电流的谐波含量小于4%。而对于高压变频器, 尽管已采用多种办法, 力图减小的输入整流器产生的高次谐波, 但由于受整流器输出端电容器的影响, 电流的高次谐波分量仍然很大。

3.2.3 维修方便

IGBT元件采用模块结构, 并且数量较少, 使得装置的结构简单, 易于维修。

3.2.4 成本低

尽管内反馈电动机的价格比鼠笼式电动机高, 但斩波调速系统的总体市场价格仍然只有高压变频器成套系统的50%。

3.2.5 控制可靠性高

每套内反馈斩波调速装置采用可编程PLC控制系统, 与任何基础设备的DCS系统实现了无缝接口。该装置通过对比转速输出量与DCS给定速度之间的大小, 自动调节电动机的转速, 实现水泵或风机转速的自动运行, 同时具有如下特点:

(1) 调速系统既可以调速运行, 也可以直接投入全速运行, 输入的6kV主电源断电时, 3s内内反馈斩波调速装置不会停机, 以满足电厂风机或水泵电源母线切换的需要;

(2) 内反馈斩波调速装置提供的3×380V与220V控制电源断电时, 内反馈斩波调速装置仍然不会停机;

(3) 当现场DCS速度给定信号掉线时, 内反馈斩波调速装置提供报警的同时, 可按原转速继续运转, 维持机组的发电工况不变;

(4) 内反馈斩波调速装置配置旁路, 当局部故障时, 可将故障单元旁路, 其他单元照常工作, 比如软启动功能可独立工作, 减少风机突然或长期停机造成的损失, 保留原电机继续使用。

4 高压内反馈斩波调速与变频调速对比

高压变频器是由高压输入再由高压输出到高压电机, 所有的原件都必须承受强电压和强电流, 可靠性低, 而内反馈斩波调速装置是从高压电机的低压转子三相引出来进行调速, 通过改变电机的占空比来改变电流大小, 是用低压控制高压, 同样是用进口的高压大功率IGBT模块, 使用在低压控制上可靠性更强;高压变频器所用的原器件数量比内反馈多几十倍, 合格率相同时, 显然, 元件用得越多, 故障率越高;对于高压变频器, 元件对地处于高电压下, 空气中的灰尘, 潮气的影响极大。而斩波调速是在绕线式电动机的转子侧实现的, 它的电压比较低, 因此, 斩波调速装置的元件工作条件比高压变频器优越得多。高压内反馈斩波调速装置还具有如下特点。

(1) 高压内反馈斩波调速装置体积小、结构紧凑;高压变频器系统庞大, 高压变频器调速一般为:高—高或高—低—高系统, 需配置1～2台变压器及相应的高压开关柜, 占地面积大, 维修不方便。

(2) 高压内反馈斩波调速控制功率小, 由于是在转子侧实施调速控制, 而转子电压较低, 其控制功率只为电机功率的20%左右, 所以它的谐波污染小, 电流畸变率小于4%, 由于转子的隔离作用不会反馈至电网, 无污染, 是绿色环保产品;而高压变频器是在电网侧控制, 直接承受电源电压, 控制功率要大于电机功率, 且直接污染电网, 需加装滤波装置, 减少谐波量, 电力部门才允许运行。

(3) 高压内反馈斩波调速装置效率高达98%以上;而对于高压变频器, 电动机的全部功率都由变频器变换, 包括无功成分, 所以高压变频器的效率只有95%。

5 结论

调速方式 篇6

直流电机与三相交流电机在当代大工业生产中具有广泛的应用, 甚至可以说这2种电机作为设备的重要组件或者核心组件, 已经渗透到了各个领域的机械设备当中。变速是电机能够实现的主要功能之一, 掌握这2种电机的调速方式对提高电机的工作效率具有十分重要的意义。因此, 本文研究了直流电机中的他励直流电机和三相交流电机的调速方式, 并总结了2种电机的常见故障及其维修方法。

1 他励直流电机及其调速方式

在直流电动机中, 根据励磁方式的不同, 可分为他励、串励和复励等形式, 而他励直流电机作为直流电动机中重要的分支, 它是电枢线圈与励磁线圈分别用不同的电源供电, 以其优越的调速性能而闻名。这种电机的主要特点是调速性能好、机械特性硬。他励直流电机调速系统在工业生产中得到了广泛应用, 如:机械加工、起重机卷扬机等机械设备。他励直流电的电路原理图如图1所示。

其中:

励磁电流:If=Uf/Rf式中, If为励磁电流 (A) ;Uf为励磁绕组上的端电压 (V) ;Rf为励磁回路电阻 (Ω) 。

电枢电路电势平衡方程式:Ua=E+RaIa式中, Ua为电枢绕组上端电压 (V) ;E为电动机的感应电势 (V) ;R为电枢电路电阻 (Ω) ;Ia为电枢电流 (A) 。

电动机的转速:式中, n为电机转速 (r/min) ;CE为电势常数;CT为转矩常数;为主磁通 (Wb) 。T为电磁转矩 (N·m) 。

电动机的调速是在一定的负载条件下, 人为地改变电动机的电路参数, 以改变电动机的稳定运行速度。由电动机转速的表达式可知, 改变串入电枢回路的电阻Rad、电枢供电电压U或主磁通, 都可以得到不同的人为机械特性, 从而在负载不变时可以改变电动机的转速, 以达到速度调节的要求, 故他励直流电机的调速方式有以下几种:

1.1 改变电枢电路外串电阻Rad

如图2所示, 从特性可以看出, 在一定的负载转矩TL下, 串入不同的电阻可以得到不同的转速。如在电阻分别为Ra、R1、R2、R3的情况下, 可以分别得到稳定工作点A、C、D和E, 对应的转速为nA、nB、nC和nD。

特点和缺点:

改变电枢回路串接电阻的大小调速存在如下问题:

(1) 机械特性较软, 电阻愈大则特性愈软, 稳定度愈低;

(2) 在空载或轻载时, 调速范围不大;

(3) 实现无级调速困难;

(4) 在调速电阻上消耗大量电能等。

正因为缺点不少, 目前已很少采用, 仅在有些起重机、卷扬机等低速运转时间不长的传动系统中采用。

1.2 改变电动机电枢供电电压U

如图3所示, 从特性可以看出, 在一定的负载转矩TL下, 在电枢两端加上不同的电压UN、U1、U2和U3可以分别得到稳定工作点a、b、c和d, 对应的转速分别为na、nb、nc和nd, 即改变电枢电压可以达到调速的目的。

改变电枢外加电压调速有如下特点:

(1) 当电源电压连续变化时, 转速可以平滑无级调节, 一般只能在额定转速以下调节;

(2) 调速特性与固有特性互相平行, 机械特性硬度不变, 调速的稳定度较高, 调速范围较大;

(3) 调速时, 因电枢电流与电压U无关, 且=N, 若电枢电流不变, 则电动机输出转矩T=KmNIa不变, 我们把调速过程中, 电动机输出转矩不变的调速特性称为恒转矩调速。

1.3 改变电动机主磁通

如图4所示, 从特性可以看出, 在一定的负载功率PL下, 不同的主磁通N、1、2, 可以得到不同的转速na、nb、nc, 即改变主磁通可以达到调速的目的。

特点:

(1) 可以平滑无级调速, 但只能弱磁调速, 即在额定转速nN以上调节;

(2) 调速特性较软, 且受电动机换向条件等的限制, 普通他励电动机的最高转速不得超过 (1.2~2) nN倍, 所以, 调速范围不大, 若使用特殊制造的“调速电动机”, 调速范围可以增加到 (3~4) nN倍的额定转速;

(3) 调速时维持电枢电压U和电枢电流Ia不变时, 电动机的输出功率P=UIa不变, 我们把在调速过程中, 输出功率不变的这种特性称为恒功率调速。

2 三相交流电机及其调速方式

三相交流电机广泛应用在发电设备及电动设备上, 其调速方式大体分为: (1) 变极调速; (2) 变频调速; (3) 变转差率调速。

而三相电机又根据电机种类的不同, 其调速方式也不同。

(1) 普通三相鼠笼式。这种电机只能通过变频器改变电源频率和电压调速。

(2) 三相绕线式电机, 可以通过改变串接在转子线圈上的电阻改变电机的机械特性达到调速的目的。这种方式常用在吊车上。长时间工作大功率的绕线式电机调速不用电阻串接, 因为电阻会消耗大量的电能。通常是串可控硅, 通过控制可控硅的导通角控制电流。相当于改变回路中的电阻达到同上效果。转子的电能经可控硅组整流后, 再逆变送回电网。这种方式称为串级调速。

(3) 多极电机。这种电机有一组或多组绕组。通过改变接在接线合中的绕组引线接法, 改变电机极数调速。

(4) 三相整流子电机。这是一种很老式的调速电机, 现在很少用了。这种电机结构复杂, 它的转子和直流电机转子差不多, 也有换向器和电刷。通过机械机构改变电刷相对位置, 改变转子组绕组的电动势改变电流而调速。这种电机用的是三相流电, 但是, 严格意义上来说, 其实它是直流机, 原理有点像串励直流机。

(5) 滑差调速器。这种方式其实不是改变电机转速, 而是改变电机滑差离合器的离合度, 改变离合器输出轴的转速来调速的。还有如硅油离合器、磁粉离合器等等, 一些离合机械装置和三相电机配套用来调速的方式。严格意义上来说不算是三相电机的调速方式。但是很多教材常常把它们算作调速方式的一种。

3 他励直流电动机常见故障及维修

3.1 电刷偏离几何中心线故障

对于正、反转可逆运行电机, 电刷若偏离了中性线, 当外加同样大小的电枢电压时, 正反向旋转速度就会不同, 出现一边高一边低的现象, 同时电刷下的火花在一个方向小一个方向大。调整刷杆座到原有记号位置;或可使电机静止不动, 将电枢和磁场绕组与外界断开, 电枢两端接上直流毫伏表或毫安表。在励磁绕组两端用1节或2节干电池触动, 在触动的同时观察电表指针的摆动情况, 触上和断开时, 如果电表指针左右偏摆, 将电刷沿换向器圆周方向前后移动, 直到触上和断开时, 电表指针不再向两侧偏摆或偏摆最小为止。这就是电刷中性线位置。检查完将电刷架紧固好。

3.2 电刷与换向器之间接触不良

如电刷弹簧压力不合适, 电刷与刷盒间配合太紧或太松、盒边离换向器表面距离太大, 使电刷与换向器表面接触不良产生火花。用00号玻璃细砂纸或用换向器磨石把换向器打磨光滑后, 再用00号细砂纸压在电刷和换向器中间 (有砂的一面朝向电刷接触面, 紧贴在换向器的表面上, 不能两端拉起) , 调整电刷与换向器接触面, 应大于整个电刷截面的80%, 然后刷净炭屑、砂粒, 再用布揩干净。

3.3 电枢绕组内部短路或断路

换向器出现严重火花, 甚至形成环火。电枢绕组断路, 每当电刷经过开路点的换向片时, 火花更为光亮, 并且在换向器的两片有开路的换向片之间出现烧毁的黑点。

将毫伏表两端接到相邻换向片上, 依次检查片间电压, 如果毫伏表读数呈周期性变化, 则表示绕组良好。如读数突然变小, 则表示该两片间的绕组元件发生短路, 若换向器片间短路, 毫伏表读数应为0。有时遇到片间电压突然升高, 则可能是由于绕组断路或脱焊所造成的。

电枢绕级断路, 常常是由于换向器铜片上引线松脱, 或是引线端焊接不佳所致。这只要将引线从铜片上拆下加以处理, 再将它焊接在原来的位置上即可。如果线圈短路是由于换向器上铜片短路所造成, 可将该短路铜片上的2根导线甩出焊在一起, 并将接头包好, 再将短路铜片焊接起来。然后电机装好, 通电试验, 无火花即可。

3.4 刷握松动、电刷排列不成直线

在正常运行中, 电刷要排成一条直线, 如不成直线会影响到换向器接触面积与整流的好坏。电刷位置偏差愈大, 火花也愈大。修理时, 应把电刷校正为一直线后拧紧。

3.5 电刷规格不等

电刷在刷握里摇晃, 运转时会发出“嘎嘎”的声音与火花。电刷磨损后, 应按规定进行更换。若更换部分电刷时, 必须保证整台电机电刷牌号一致。

4 三相交流电动机常见故障及维修

4.1 电机转速降低

(1) 电源电压过低, 应检查电源。 (2) 转子导条断裂或脱焊, 应检查修理断条。 (3) 拖动负载过大或传动装置卡阻, 应减轻负载排除卡阻。 (4) 重绕绕组匝数过多, 应查原始数据并与手册核对。 (5) 重绕绕组有局部线圈接反接错, 应纠正接线错误。

4.2 电机不能启动或启动困难

(1) 电源短路, 应查找电源。 (2) 电源电压过低, 应检查或更换电源。 (3) 定子绕组有短路或接地故障。 (4) 负载过大或拖动机械卡阻。 (5) 电动机轴承磨损, 定转子相擦。

4.3 电动机外壳带电

(1) 引出线绝缘破坏碰壳。 (2) 绕组受潮或绝缘损坏接地。 (3) 绕组长期过载, 绝缘老化龟裂而碰壳, 应再次浸绝缘漆或绕线包。 (4) 定子铁心槽口硅钢片与绕组直接相连导致接地, 应检查排除接地点。 (5) 槽口纸破裂导致绕组局部接触, 应局部修理或重绕。 (6) 定子绕组端部过大, 直接与端盖相碰对地, 应重新整包重新组装。

4.4 启动时熔丝烧断过流或跳闸

(1) 三相电源短路或启动负载过重。 (2) 熔丝太小或安装时受机械损伤 (熔丝截面积小) 。 (3) 负载过重或堵转。 (4) 定子绕组一相断路。 (5) 定子绕组或转子绕组严重短路或接地。 (6) 修理过的电机一相首末端接反或内部分线圈接反。

4.5 缺相运行

(1) 总电源线路上因其他设备故障引起一相断电, 接地在该电源线路上的其他三相设备就会缺相运行。 (2) 一相电源接触不良, 熔丝氧化或受机械损伤 (特别是安装时的人为损伤) , 使一相熔丝提前熔断。 (3) 运行设备的刀闸或触头有一接触不良或未接触上, 如触头烧伤或松脱。 (4) 电机一相绕组断路或接线盒内一相头松脱。

5 结语

由于他励直流电机与三相交流电机应用的广泛性, 因此, 掌握2种电机的调速方式可以提高这2类电机的工作效率, 对直流电机与交流电机的最优控制具有重要意义, 同时对电机的常见故障及其维修方法的总结, 也有助于保证电机的安全与正常运转。希望本文的研究内容对实际的电机控制与电机维修工作起到一定的参考作用。

摘要：详细研究了他励直流电机与三相交流电机的调速方式, 以及这2种电机的常见故障与维修方法, 希望对实际的电机控制与故障维修工作起到一定的借鉴作用。

关键词：他励直流电机,三相交流电机,调速方式,故障维修

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