变频调速特性

2024-05-15

变频调速特性（精选7篇）

变频调速特性篇1

1 变频调速技术概述

随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展, 电气传动技术面临着一场历时革命, 即交流调速取代直流调速、计算机数字控制技术取代模拟控制技术。电机交流变频调速技术已经成为当今节电、改善工艺流程、提高产品质量的一种方法。变频调速以其优异的调速起动、制动性能、高效率、节电等, 广泛的运用于各行各业。变频调速技术已经深入到我们生活的方方面面, 变频空调、冰箱、洗衣机等家用电器上都可以看见变频调速技术的身影。

变频调速技术是一种以改变交流电动机的供电频率来达到交流电动机调速目的的技术, 电力推动系统由电动机、负载和传动装置组成。变频调速系统控制的方式有两种, 一种是在基频以下调速, 一种是在基频以上调速。

变频调速技术的基本原理是:电机转速与工作电源输入频率成正比, 有这样一个公式:

在这个公式中, n表示的是转速, f表示的是输入频率, s表示的是电机转差率, p表示的是电机磁极对数。通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。变频器就是基于上述原理采用交-直-交电源变换技术, 电力电子、微电脑控制等技术于一身的综合性电气产品。

交流变频调速技术是强弱电混合、机电一体的综合性技术, 既要处理巨大电能的转换, 又要处理信息的收集、变换和传输。未来的发展方向有:实现高水平的控制、缩小装置的尺寸、高速度的数字控制、开发清洁电能的变流器。

2 变频调速起重机的优缺点

随着变频调速技术的广泛运用, 在起重机这一块, 变频调速技术的运用主要是在起升机构、大小车运行、变幅、回转等方面。相较于未采用变频调速技术的起重机, 变频调速起重机有以下优缺点:

第一, 性价比高, 安全性高。变频调速起重机采用变频调速技术、可编程控器技术, 使得起重机的电控系统得到了质的飞跃。变频调速的电控结构相对比较简洁, 它节省了时间继电器、中间继电器、交流接触器、过电流继电器, 这样就大大的节约了成本, 还使得操作更加的简便。在操作简单方面还体现在司机发出指令后, 变频控制会对各机构的动作进行全自动的控制, 这样就减少了司机的工作。另外, 变频调速系统使得过渡过程变得较为平稳, 这样就使得起重机在操作的时候更加的安全。

第二, 就位准确。变频调速一个最大的优点就是变频的范围很大, 在理论上可以达到0—400Hz, 使得定位更加的精确。

第三, 便于维护。变频调速技术在起重机上的运用实现了无触点控制, 环节步骤也相对简单, 这样就使得常发的接触器烧坏、粘结等故障不再发生了。而且, 采用了变频调速技术的起重机, 有了详细的系统运行信息和故障信息, 这样使得机器出现问题时, 确立故障变得更为容易, 维护起来也就更加的容易。变频调速技术使得起重机的调速更加的平稳, 在使用前进行认真的设计调试, 在运行时多方注意, 是可以实现零故障的, 这样在另一层面上又提高了机器的使用寿命。

第四, 影响电源设备的使用寿命。起重机上的电压源型变频器、直流电压在被平滑电容滤波之后就输出给后续的电路。由于内部阻抗, 因此变频器输出电流的波形会随着变频器供电的电源容量的变化而不断的发生着变化, 波形的变化会使得起重机的接触器、继电器、主电机等电源设备产生过热、振动、噪声的现象, 减少了这些电源设备的使用寿命。

第五, 对电机的不良影响。变频器产生的谐波会引起电动机附加发热, 金额导致电动机升温, 这样使得电动机只能降额使用。谐波还会增加电动机矩阵脉动和噪声, 另外, 谐波还会对电容器、日光灯等设备产生影响。

3 起升动载特性

起重机根据性能和构造一般可以分为:轻小型起重设备、桥式类型起重机械和臂架类型起重机。常见的千斤顶、卷扬机就是轻小型起重设备;龙门起重机、梁式起重机就是桥架类型起重机械;塔式起重机、履带起重机就是臂架类型起重机。

起重机又俗称为吊车, 将那些人力所无法搬动的物料进行搬运工作。起重机的零件主要是由起升机构、运行机构、变幅机构、回转机构和金属结构所组成。起升机构是其最基本的机构。起重机在一个工作循环中取料、运移、卸载, 这样使得起重机的起升机构随着工作的原因不断的发生着变化, 进而就产生了动载。

起重机的起升动载荷系数φ2是起重机结构设计的一个重要参数, 它关系到了起重机的使用寿命。

3.1 起升动载荷系数φ2

变频调速技术的运用降低了起重机载荷的离地速度, 同时在载荷离地的瞬间产生了附加加速度, 这样就减少了载荷离地瞬间对起重机的动态冲击值和附加加速度引起的附加动应力载荷。附加动应力载荷可以表示为:

β2是起重机的工作等级系数, 按照相关规定, 起重机工作等级系数可以分成4个等级, 即HC1、HC2、HC3、HC4, 每个等级都有对应的β2值和φ2的最大值和最小值。Vh指的是起重机载荷离地瞬间的速度, 用m/s来表示。

3.2 对起重机起升机构的影响

有两个方面需要考虑, 即疲劳强度计算和静强度计算。

第一, 疲劳强度计算。TImax=φ6FQR/mi。这个公式中的TImax指的是起升机构中零件的疲劳计算的基本载荷;FQ指的是额定的起升载荷;R是卷筒的卷绕半径;m是起升机构的滑轮组的倍率;i是零部件所在的轴到卷筒轴之间的传动比;φ6是动载系数, 它的计算与起升动载荷系数相关,

第二, 静强度计算。TIImax=φ2FQR/mi。TIImax指的是机构工作时的最大载荷;FQ指的是额定的起升载荷;R是卷筒的卷绕半径;m是起升机构的滑轮组的倍率;i是零部件所在的轴到卷筒轴之间的传动比;φ2是起升动载荷系数。

从这几个公式中可以明显的看出起升动载荷系数对机构选用的影响, 变频调速可以一定程度上降低起升动载荷系数。

3.3 起升动载特性分析

对采用变频调速控制系统的起重机和未采用变频调速控制系统的起重机进行分析得出:变频调速控制下的起重机的起升速度更快, 起升的过程中也比较的稳定, 加速的时间较长。

由于起重机做的工作是间歇式的工作, 而且在一个循环工作中是取料、运移、卸载, 可以看出起升机构在整个机器中的重要性。而起升机构随着间歇式的循环工作开始逐渐的发生着变化, 这样就产生了起升动载。前文中已经给出了起升动载荷系数的计算方法, 它是根据实际情况的变化而变化的, 对于不同的类型的起重机计算起来也要区分开来。通过实验分析研究, 可以得出:第一, 电动机控制方式对起升机构的振动有着极大的影响, 通过增加电阻级数和使用频率继电器来抑制过渡过程, 这对减小振幅有着显著的作用。第二, 机构过渡中最大的冲击载荷是在制动和电流换向阶段, 而不是在克服负载的起升阶段。

4 结束语

变频调速技术的运用越来越广泛, 由于起重机的特殊性使得变频调速技术在起重机上的运用也变得具有特殊性。变频调速起重机有性价比较高、操作简单、更加安全、易于维护等优点, 但是同时也带来了一些缺点, 他对起重机的电机设备、电源设备、变压器、开关等设备都带来了一定的害处。虽说是有利有弊, 但是总的来说还是利大于弊, 变频调速技术在起重机上的运用带来了极大的经济价值。但是, 由于目前国内的技术与国外相差了十几年, 所以, 变频调速起重机上的相关部件都是进口的, 价格比较高昂, 这也是变频调速起重机没有得到非常普遍运用的一个原因。

既然变频调速技术在起重机方面的运用有着如此多的好处, 那么就更应该加重对变频调速技术的开发和研究了, 根据现有的情况, 努力的减少变频调速技术给起重机带来的损害, 提变频调速起重机的使用寿命的经济价值。

摘要：变频调速技术目前已经被广泛的运用于调速系统上, 在起重机调速系统上的运用, 变频调速技术是最新成就, 相比于以前的直流调速、能耗制动调速而言, 性价比更高, 更加安全, 从上世纪九十年代开始便得到广泛的运用。本文分析了变频调速技术的工作原理, 变频调速技术运用于起重机的优缺点, 分析变频调速起重机的起升动载特性。

关键词：变频调速,起重机,起升动载

参考文献

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[4]王梅生, 许长山.变频调速对起重机整机设计的影响[J].起重运输机械, 2008 (3) .

变频调速特性篇2

高压绕线式异步电动机, 在电机定子侧变频调速, 对功率器件的电压、电流耐量提出过高要求, 不可避免地要进行功率电子器件的串、并联。这不但降低了装置的可靠性, 也大大地增加了投资。而绕线式电动机的转子变频调速性价比较高, 电动机的转子绕组为低压绕组, 转子变频器的电压等级只要与电机转子电压匹配即可, 这样可以大大降低功率器件的电压、电流耐量, 避免了功率器件复杂的串、并联, 使其可靠性得到提高[1]。

1转子侧交交变频原理

三相对称绕组中通入三相对称交流电, 电机内部就会产生以同步速n1旋转的旋转磁场。绕线式三相异步电动机单边励磁, 旋转磁场会分别切割定转子绕组并感应电势。和感应电机正常的运行原理相似[2], 定子绕组处于短接状态时, 绕组内部就会有电流产生。由于是在转子绕组中通的三相对称电流, 所以以转子绕组为参考系, 旋转磁场相对于转子以同步速旋转, 在转子旋转磁场和定子电流的相互作用下, 电机的定子会产生电磁力和电磁转矩。但是定子是固定不动的, 根据力的相互性, 该电磁力和电磁转矩会反作用于转子, 异步电动机的转子以一定的速度开始反方向旋转, 实现了电能向机械能的转换。

和在电机定子侧进行变频调速相似, 把绕线式电机的定子短接, 在转子侧可以进行变频, 不同频段之间的过渡采用不同的切换方式时, 会给系统的机械、电气性能带来一定的影响。

2仿真模型的构建及结果分析

2.1系统仿真模型构建

构建系统模型有2个关键点:电机模型和转子变频电源。以实验室现有的绕线式三相异步电动机作为试验电机, 具体参数如下:定子额定电压380 V;额定电流6.3 A;转子额定电压110 V, 额定电流18.3 A;额定转速1 403 r/min;额定功率2.8 kW;额定输出转矩19.1 Nm。仿真中将电机模型的各相参数设置为接近试验中要用的电机值, 使仿真结果更具有真实性和指导意义。

按照变频器输出电压波形的不同, 交交变频器可分为方波输出交交变频器、正弦波输出交交变频器和梯形波输出交交变频器[3], 三者主要特点见表1。

综合这些变频器输出波形的正弦度、对称度、谐波含量以及实际中对电机运行的影响, 本文选择梯形波调制, 并与双变量理论结合起来, 在转子侧进行变频调速的仿真实验。

转子变频电源采用六脉波双变量交交控制方式[4], 所谓双变量, 即控制角α和脉冲宽度b。第1个变量α角的控制和相控方法相同。第2个变量b有2个作用:①封闭可能出现的各种环流条件;②引导电流的换向范围以及保证实现自然换流的条件。该变量与负载大小、性质、输出频率、α角以及电源的瞬时值等因素有关, 从而实现交交变频器无环流、无死区、宽范围频率输出。

系统的仿真模型如图1所示[5], 主要由六相电源模块、脉冲触发输出模块、开关切换模块、实验电机和测量模块构成。通过设置开关的开通和关断时刻, 实现在线调速仿真。

2.2仿真结果分析

根据建立的转子侧交交变频调速系统仿真模型, 在Matlab6.5/Simulink环境下进行仿真, 仿真时间为3 s, 3个频段的工作时间由K1～K9确定。在满足各个频段下电机转速达到稳定的前提下, 2个频段可以通过采用不同的切换方式来达到调速的目的, 有直接切换和各相单独切换两种选择, 具体设置为:4分频向3.5分频切换时, U、V、W三相的切换时刻分别为1.055, 1.040, 1.065 s;3.5分频向3分频切换时, U、V、W三相的切换时刻分别为2.035, 2.045, 2.020 s。

根据上述不同方式的时间设置, 得到系统的仿真结果如图2—图5所示, 电流波形图中的1、2、3、4、5、6是切换时刻点。

直接切换的仿真结果如图2和图3所示, 在切换点0.9, 1.9 s处, 转子电流波形偏离理想正弦波形的幅度很大, 转速变化不稳, 导致转矩振荡剧烈, 可能会使电机产生大量的不规则制动力矩, 损坏电机轴及传动设备。

各相单独切换的仿真结果如图4和图5所示。电流在切换时刻变化比较平稳, 接近标准的正弦变化, 转速过渡平滑, 可以满足连续分频调速的要求。

另外, 把2种仿真结果分别进行纵向比较, 可以看出, 从4分频向3.5分频切换时, 电流和转矩的波动明显比3.5分频向3分频切换时的波动小。这主要是由变频级差的不同造成的:前者切换时的频率级差为1.786 Hz, 占工频的3.573%;后者切换时的频率级差为2.38 Hz, 占工频的4.76%。后者较前者多了1.187%, 高频率级差导致了大的电流转矩波动。

3结论

比较2种不同的仿真结果可以看出, 直接切换时控制虽然比较简单, 但是对电机正常运行造成的负面影响不容忽视, 解决这一问题的关键是寻找到合适的切换时刻点, 保证切换时电流的波动在允许范围之内。另外, 还可以通过平均周期法[6]来增加分频段, 减小分频切换时的频率级差, 实现分频调速的平滑过渡。

仿真结果验证了转子变频调速的可行性, 对实际的绕线式电机转子变频调速研究具有理论指导意义。

参考文献

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[3]孙树朴, 李明.电力电子技术[M].徐州:中国矿业大学出版社, 2000.

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[5]潘晓晟, 郝世勇.MATLAB电机仿真精华50例[M].北京:电子工业出版社, 2007.

变频调速特性篇3

工程实际中广泛使用变量泵—定量马达容积调速系统, 通过改变液压泵的排量来实现速度调节。由于变量泵—定量马达容积调速系统没有节流溢流和压力损失, 且具有传动效率高、产生热量少、调速范围大和输出转矩恒定等优点, 被广泛应用在大型工程机械液压系统中[1]。目前国内对工程机械的液压系统设计和元件选型, 多数采用经验公式或类比的方法, 设计出的系统需经整车装配、调试后才能知道系统的优劣, 这样造成效率不高、经济性下降等问题[2]。本文以某履带起重机为原型, 对回转闭式液压系统特性进行分析, 以了解变量泵-定量马达容积调速回路中各参数对动态特性的影响。

1 变量泵-定量马达容积调速回路的数学建模

图1为变量泵-定量马达容积调速回路的简化原理图。由定量马达驱动工作机构旋转, 当改变泵的排量来调节其输出流量或马达的负载转矩发生变化时, 由于油液的压缩性、机构的惯性和阻尼等因素的影响, 都会使回路各处的压力和流量发生瞬时的变化, 使液压马达的输出转速出现加速或减速的瞬态变化。

为简化分析作如下假设[3]: (1) 泵和马达的回油压力为大气压, 泵和马达的泄漏为层流, 忽略低压腔壳体的外泄漏; (2) 泵和马达组成的两个腔室的总容积相等, 每个腔室内油液的温度和体积弹性模量不变化; (3) 忽略管道中的压力损失和压力冲击以及压力流体质量效应等; (4) 补油系统的压力、流量不滞后, 忽略负载瞬变的影响, 补油压力为工作时低压油腔的压力, 且为常数; (5) 忽略结构柔度的影响; (6) 不发生压力饱和现象。

设VM、ωM为马达的排量和角速度, p1、p2为回路高、低压管路压力, 并设p2为常数, JM为折算到马达轴上的等效转动惯量, BM为液压马达和负载的总黏性阻尼系数;TL为外负载转矩。根据上述假设条件可列出系统的动态方程。

液压马达轴上的转矩平衡方程为:

回路高压管路的流量连续方程为:

其中:VP、ωP分别为变量泵的排量和角速度, 并设ωP为常量;k1c为回路的泄漏系数;V为高压管路 (包括泵与马达容腔) 内油液的体积;K为油液的体积模量。

由式 (1) 、式 (2) 取增量, 经拉氏变换后整理得:

由式 (3) 和式 (4) 可得到:

由于在液压系统中通常k1cBM/V2M远小于1, 忽略此项, 式 (5) 可简化为:

其中:分别为回路的固有角频率和阻尼比,

分析式 (6) 可知, 决定系统特性的是固有角频率和阻尼比两参数。

负载转矩TL恒定, 即TL (s) =0时, 系统传递函数为:

变量泵排量恒定, 即VP (s) =0时, 系统传递函数为:

同理根据式 (3) 、式 (4) 可得以马达入口压力为输出的传递函数:

2 液压系统动态特性分析

从以上传递函数中可知, 影响系统性能的主要参数有放大系数、液压回路的固有频率和阻尼比及刚度。根据式 (7) ~式 (10) 所描述的传递函数, 对系统的动态特性进行分析。

2.1 液压泵输入流量的动态特性

2.1.1 放大系数k1

放大系数, k1的取值能够表明变量泵流量输入对系统工作压力控制的灵敏度, 它会对系统的响应速度以及稳定性产生直接影响。k1的取值越大, 系统的压力响应越迅速, 但稳定性会随之降低。

2.1.2 液压系统固有频率

由可看出, 对液压系统固有频率的影响因素有:折合到轴上的转动惯量JM, 泵、马达容腔与管道的总容积V, 液压马达的排量VM和油液弹性模量K。减小JM、V或增加K、VM都可提高系统的固有频率。油液弹性模量K基本一定, 增加VM的值虽然能使固有频率提高, 但同时又会引起系统放大系数的降低, 使系统的响应速度降低, 因此应综合考虑各参数设计, 以达到系统的最优状态响应。

2.1.3 阻尼比

由可知, 在确定的系统中, 系统阻尼比是由众多参数影响的, 只有选取最佳的参数值才能确定最适宜的阻尼比。

2.2 负载扭矩对动态特性的影响

负载扭矩的改变必然会导致系统压力的改变, 由公式 (9) 可知, 负载力矩扰动动态特性主要由放大系数决定。减小马达排量虽然能使负载的动态响应时间加快, 但系统稳定性也随之下降。因此在系统设计时, 不可单一追求某一性能指标, 应该在满足液压系统稳定性的前提下, 综合考虑系统的各项性能指标。

3 基于AMESim的履带起重机回转液压系统仿真

3.1 履带起重机回转液压系统概述

履带起重机是一种可进行物料起重、运输、装卸和安装等作业的工程机械[4]。其回转机构的工作原理如下:发动机动力通过分动箱驱动回转泵, 回转泵驱动两个回转马达, 回转马达驱动回转减速机小齿轮转动, 使回转滚盘内外圈相对转动, 从而使整个上车及臂架系统相对下车转动。

3.2 建立液压系统模型

图2为工作平台液压系统的仿真模型, 为使模型简化并提高运算速度, 在这里液控泵采用直接加载连续信号来代替电液比例的操作, 实现供油方向与排量的变化[5,6,7]。确定主要元件模型参数如下:发动机转速为1 000r/min;泵的排量为100mL/r;马达排量为50mL/r;补油泵出口压力为2.5MPa;减速器传动比为1 000;摩擦阻力矩为28 000Nm;负载矩为38 000Nm。

3.3 仿真研究分析

3.3.1 不同的调速输入曲线对系统的影响

一般的履带起重机生产商会在起重机的电器控制系统中设置一条速度控制斜坡线。国内在斜坡曲线控制方面主要由电气工程师和司机来调试, 依靠人的操作感觉来选取。这不仅要花费很长时间, 而且由于试验的局限性以及人为判定的不确定因素导致评定选择的斜坡不一定是最优的。通过仿真分析则很容易得出起重机不同速度控制斜坡线下回转液压系统压力曲线。

图3为三条不同速度斜坡曲线下马达压力曲线, 分别设置启动时间为5s、10s、15s, 启动过程为线性变化。从结果分析可知启动斜坡越平坦, 系统压力响应越平稳, 冲击力也越小, 但随之启动时间也越长, 效率变低。因此不同工况选择不同的最优斜坡线很重要。

3.3.2 转动惯量对液压系统动态特性的影响

在起重机不同工作状态下, 分别选取转动惯量为2.8×106kgm2、9.4×106kgm2、1.6×107kgm2, 得到不同转动惯量下系统的压力曲线, 如图4所示。

从图4中可以看出, 在启动过程中转动惯量越大, 马达的压力峰值越高, 波动越大, 压力稳定性越差, 因此转动惯量对液压系统的动态特性影响较大。

3.3.3 不同负载矩对马达转速的影响

设置负载矩分别为38 000Nm、76 000Nm、114 000Nm, 对系统进行仿真, 马达的流量特性曲线见图5。

从图5可知, 不同的负载情况下, 马达转速基本不变, 因此可知负载的变化对系统的速度响应影响很小。这可保证起重机在回转过程中不会因为速度不稳定的原因使负载重物发生摆动导致未知不安全因素。

4 结语

通过对液压回路系统动态特性分析可知:

(1) 转动惯量与坡度是影响履带起重机回转液压系统动态特性的主要参数, 而履带起重机在不同的工作形式下转动惯量变化是很大的, 可以在调速控制中多设置几条斜坡。在无法减小转动惯量的情况下, 选用斜率低的调速斜坡;或在液压系统设计中采用并联阻尼孔的形式, 当遇到大负载的情况下开启阻尼孔以降低液压系统的波动冲击, 而在负载不太大时关闭阻尼孔以减少耗能。

(2) 液压系统性能由各个参数共同决定, 在设计系统动态特性时必须权衡各个参数的影响, 这样才能在系统稳定性与快速性要求中求得最优。

参考文献

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彭水水电站调速器的运行特性分析篇4

1 彭水调速器的运行特点

彭水水电站采用武汉事达比例伺服阀式微机调速器，调速器是GE原装进口的FC20000阀组含有分段关闭装置。具备以下特点： (1) 彭水调速器不设置事故配压阀装置，事故关机靠紧急阀组来实现，在紧急情况下，不论处于何种工况，处于优先位置的任一紧急停机阀动作，均能实现导叶关闭，保证机组安全可靠。 (2) 是比例伺服阀具有四个工作位，通常只用三个工作位，即开、关、停，只有当比例伺服阀出现故障或失电时，才处于第四个工作位，第四个工作位称作故障保险位，处于这个位时，主配压阀的控制腔通回油，这时接力器关闭，即系统关机，这样可充分保证机组安全。 (3) 是电动紧急停机阀为两位三通电磁换向阀(单电磁线圈)，操作电压：直流24V，断电停机。 (4) 当比例伺服阀出现故障或失电时，主配压阀的控制腔通回油，接力器关闭，停机，保证机组安全。 (5) 同时调速器A机或B机cpu故障或断电，调速器可发出故障信号并自动切换到正常机工作。 (6) 分段关闭电磁阀平时带电，断电动作进入第二段关闭速度。运行巡视时要注意电磁阀指示灯常亮。 (7) 调速器在电气手动控制工况时，当机组甩负荷，能将导叶关闭到与运行水头相适应的空载开度附近。 (8) 彭水调速器目前只设置一个转速继电器，继电器故障将使调速器失去转速信号。另发电机的出口DL节点为直接从发电机出口GCB引用的硬节点，避免因软节点信号判断错误使机组运行中调速误关机。 (9) 调速器设置两套可编程控制器控制自动回路的比例伺服阀，两套可编程控制器出口后经KAO继电器常开与常闭节点切换控制选择，由于继电器节点的抖动，使得输出信号叠加，造成停机后导叶无故开启过速现象。 (10) 比例伺服的切换阀的位置保持程序为每隔60秒使切换阀线圈带电1S，加上切换阀存在切换不到位置及运行中位置漂移现象，两者相互作用，造成机组运行中有突然无故关机、开机振荡现象。

2 彭水调速工况特性

2.1 工况切换特点

以下为符号对照表

2.1.1 停机等待

(TJDD)状态：在这种状态下，调速器使导叶关闭至零。当接收到电站下达的开机指令后，即转至开机(1)过程。

2.1.2 开机

(1) (KJ1)过程：当调速器接收到开机指令后，首先将导叶开启一个较小的开度，并维持一段时间，然后再以一定速度开启至第一开机开度YKJ1;导叶开启至YKJ1后，转入开机(2)过程。

2.1.3 开机

(2) (KJ2)过程：调速器进入KJ1后，延时t0后开始测量机组和电网频率;当检测到机组频率fg连续2s大于45Hz时，将导叶关闭至第二开机开度YKJ2，转入空载状态。此时若接收到停机指令，则转到停机过程。

2.1.4 空载

(KZ)状态：调速器进入空载状态后，调用PID调节程序。此时若机组油开关合，则转至负载状态;若接收到停机指令，则转向停机过程。

2.1.5 负载

(FZ)状态。调速器进入负载状态后，机组油开关断开，则转入甩负荷过程;若接收到停机指令，则转入停机过程。

2.1.6 甩负荷

(SFH)过程。调速器进入甩负荷过程后，将电气开度限制L以一定速度关闭至YKJ2，并转入空载状态;此时若接收到停机指令，则转入停机过程。

2.1.7 停机

(TJ)过程。调速器进入停机过程后，以两种关闭速度使导叶关闭至全关，并转至停机等待状态。

2.2 模式切换特点

并网前，机组处于空载状态，此时调速器控制机组跟踪电网频率处于频率调节模式。采用PID调节规律及适合于空载运行的一组PID参数，选用该调节规律可控制机组快速跟踪电网频率、使频率偏差小，便于机组并网。

并网后，调速器主要任务是控制机组稳定的发电，此时处于功率(开度)调节模式。采用PI调节规律及适当的一组PID参数，可使机组减少不必要的调节过程，且运行稳定不会造成负荷的波动，同时可降低设备的油耗减少油泵电机的工作次数。当机组频率波动较大或超过给定频率死区时，采用PID调节规律及适合于调频运行的一组PID参数，控制机组频率稳定在给定频率。同时采用该调节方式，可保证由于线路跳开关使机组转速上升时，调速器进行快速调节不至于造成机组过速。

调速器在频率模式时，接收到增加/减少命令，将增加/减少频率给定值;调速器在功率(开度)调节模式时，接收到增加/减少命令，将增加/减少功率(开度)给定。控制系统在PI调节的同时，加入了实际开度与给定开度的偏差，使机组能快速跟踪给定值。

由于在同种模式下均有对其它模式给定值的跟踪功能，所以在三种模式间切换时，调速器均无扰动。

2.3 开机、停机特性

接到开机指令后，调速器将导叶开启一定开度，维持一段时间后，再将导叶打开至第一开机开度YKJ1，等待一定时间后，开始检查机组频率。机组频率连续1秒钟均大于45HZ，则将导叶关闭至第二开度YKJ2。

调速器由开机工况转入空载工况，进行PID调节。

调速器退出开机工况的情况： (1) a-b-c-d-e开机成功，转入空载工况; (2) 开机过程中接到停机指令，转入停机过程，最后回到停机工况; (3) e-d间，等待60秒，若机组频率fj<45HZ或机组不正常，则自动转入停机工况。

b.停机特性

(a) 正常停机：接到停机指令后，导叶即由当时开度，以第一停机速度将导叶关闭。当导叶关闭至yb开度时，即以第二停机速度将导叶关闭至全关位置。yb是调保计算导叶两段关闭的拐点值。

(b) 事故停机：机组设备发生事故时，调速器紧急停机电磁阀以允许的最大速率和两段的特性关闭导叶并保持锁定状态。

(d) 闭锁：在找到事故原因并加以消除以前，事故停机和紧急事故停机回路一直保持闭锁状态，只有通过手动操作复归按钮或通过计算机复归程序才能复归。

综述：

根据以上的分析叙述，目前随电网容量的不断增大，彭水机组单机35万KW故障对电网的影响也逐步降低，其调速器在各种工况下，从机械回路还是工况流程的设置均体现“停机优先”的理念，其更多考虑的是保证事故时机组的安全，防止事故扩大。

参考文献

变频调速特性篇5

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.

变频调速特性篇6

转速表作为柴油机的一个辅助部件其作用不可小视。它要求操作人员随时监控其速度, 按其所设计的转速去工作, 并且保证其在安全转速范围内工作。当负载或其它因素发生变化时, 由电子调速器控速的柴油机会将转速信号传输到CPU, 通过反馈来的转速信号控制调速器的伺服机构, 从而达到调整供油量的目的。而机械式调速器则会通过转动轴传来的转矩, 打破旧的平衡, 建立一种新的平衡, 从而达到加减油的目的。调速器作为柴油机的指挥中心, 最重要的功能在于应对外界变化, 建立新的平衡, 保证柴油机正常工作。而新平衡的建立依靠转速变换器的信号采集, 试想一下如果转速信号不能正常传输到调速器, 其后果将不堪设想。

1 故障现象

某型柴油机遥控启动后, 其转速可以维持在400 r/min, 此速度即该柴油机组的怠速转速, 而转速表上显示300 r/min。按照常规运行一段时间后便进入加速阶段, 然而将加油手轮的转速转到500 r/min后, 柴油机上的转速表依然显示为300r/min。停车, 采用手动启动模式, 柴油机处于怠速状态, 其转速表显示的数字就是300 r/min。手动加速柴油机, 转速表的示数没有变化。

2 故障排查

进行了详细的分析后, 将可能导致该故障的因素进行了罗列:第一种是遥控与手动启动系统的伺服马达存在故障;第二种是泵-喷油器故障;第三种是调速器故障;第四种是转速表的故障;第五种是转速变换器故障。带着种种疑问, 我们一一进行了排查。先将柴油机遥控控制台内同步电机与调速器内的同步电机的匹配情况进行了检查, 未发现异常;然后又将启动伺服马达进行了拆卸检查, 也未发现情况;接下来我们对六个泵-喷油器进行了全面检查, 各缸供油传动装置灵活无卡滞现象, 泵-喷油器密封性及雾化状况良好。

后来将调速器从柴油机上拆卸下来后进行了彻底的检修, 并进行了台架试验, 各项参数均正常。到底是什么原因导致柴油机的转速无法升高?难道是转速表的显示有问题?我们将其拆卸下来之后安装到另一台柴油机上进行对比实验, 现象表明, 其在另一台机上工作正常, 但不能完全排除转速表的问题, 因为转速表与转速变换器中间存着一定的匹配关系。

最后一个没有排除的就是转速变换器的故障, 因为该变换器比较复杂, 我们没有贸然拆卸, 且暂时保留了该设备故障的意见。

3 故障根源

反复启动柴油机, 仔细观察转速表的变化, 发现柴油机在启动过程中, 转速表从0 r/min上升到300 r/min时就再也不能升高了。这时也不能确定就是转速表的问题, 该转速表不同常用的机械式转速表, 而是一种电子式的转速表, 其测速原理是:将一台与柴油机曲轴相连的小型交流发电机, 即转速变换器发出的电压信号通过电缆与另一台电动机相连, 从而组成一套测速系统。小型交流发电机产生交流电, 交流电通过电缆输送, 驱动小型交流电动机, 小型交流电动机的转速与被测轴的转速一致。磁性转速表头与小型交流电动机同轴连接在一起, 磁性表头指示的转速自然就是被测轴的转速。我们所研究的这一款柴油机的调速器为机械式调速器, 其转速变换器输出的信号与调速器的伺服机构不进行直接关联, 但与自动控制和遥控系统关联在一起, 从而间接地控制了调速器的功能。关闭自动和遥控系统, 转用手动模式转动加油手轮, 试着提高柴油机的转速, 手轮刻度显示此时柴油机的转速应该在上升, 用噪声计测试发现此时柴油机的噪音在不断上升, 而转速表的示数一直显示300r/min。我们用机械转速表对柴油机进行了转速测试, 印证了转速此时在不断攀升, 当达到600 r/min时柴发机组的连锁开关指示信号灯亮, 表明达到了柴油机与发电机联动的额定转速。接着进行了离合器联结操作, 发电机正常运转, 电压稳定。说明柴油机的转速没有问题, 而问题关键则出现在转速变换器上。下面我们将对转速变换器进行研究。

4 转速变换器的工作原理

4.1 结构

图1所示变换器是一个有特殊结构的三相异步交流发电机, 它的转子是一个永磁体, 电动机的传动轴与柴油机的曲轴直接连接, 是一种将输入的机械转速变为电信号输出的信号元件。转速变换器具有自动控制系统中用于测量或自动调节柴油机的转速, 在随动系统中用来产生电压信号以提高系统的稳定性和精度, 在计算解答中作为微分和积分元件。

1.插入式转轴2.连接壳体3.骨架油封4.深沟球轴承5.永磁体转子6.绕线定子7.密封圈8.接线端子9.深沟球轴承10.螺纹接头11.压盖

变换器旋转可以输出电压, 通过转速表显示出来, 转速高则输出电压也高。可以直接测试柴油机的转速, 其结构包括转轴、转子、定子、轴承、壳体、油封、密封圈、连接壳体、压盖、电流输出端子等零件组成。从结构上看, 该电动机与其它的电动机的结构不同, 其转轴因为可拆卸式, 壳体与柴油机的曲柄箱相连。因为曲柄箱里有大量的润滑油, 为了防止滑油从转轴与转子的间隙之间进入电机腔室, 所以在转轴上装有密封圈, 与此同时在左端的轴承外部也装有骨架油封。

4.2 转速变换器的转速-电流特性

为了便于说明问题在此借用一台普通转速变换器的曲线图来分析问题, 见图2。不难看出变换器输出电流大小随转速的升高而增大, 但曲线越来越平坦, 当转速达到一定值时, 无论转速增加多少, 电流都不再增加。即一定结构的转速变换器与交流发电机一样, 输出最大电流Imax有一定的限制。由此可见, 交流发电机自身具有限制输出电流, 防止过载的能力, 又称为自我保护能力。

4.3 交流发电机的转速与内压降特性

由于交流发电机还具有如下的特征, 所以会出现上面的结果。交流发电机的定子具有一定的阻抗Z, 它由绕组的电阻R及感抗XL两部分组成, 则有UZ=UR+UXL, 而总电压为U总=UZ+U外, 即U总=UR+UXL+U外=IRZ+IR外=I (R+XL) +IR外, 而XL=2nf L。即在理想状况下, 交流测速发电机的输出电压与转速之间保持严格的正比例关系, 其电压的大小与转速成正比, 其输出电压的相位与励磁电压相同, 且转速为零时, 输出电压为零。

定子绕组的阻抗Z随发电机的转速升高而增加。高速时, R与X L相比可忽略不计, 故阻抗Z约等于XL。转速高时, 产生的内压降较大, 定子电流增加时, 由于电枢反应的增强, 也会使感应电动势下降, 两者共同作用的结果。当发电机的转速升高到一定时, 输出电流几乎不随负载电阻的减小或转速的增加而增大。而我们的转速变换器在设计的时候当然考虑到了其实用性, 如果不能在规定的转速范围内运行, 则没有实际意义。

所以也不可能在300 r/min时就达到最大电压值, 那么一定是外界的因素提前改变了电机的感抗, 使其在300 r/min时输出电压达到了极限值, 所以就会看到前面的现象了。

4.4 故障根源

将转速变换器分解后发现电机腔室中存在大量的润滑油, 究其原因是骨架油封由于长期磨损造成了泄漏, 从而导致了润滑油进入电机腔室, 导致绝缘下降, 磁通量减小, 感抗提前升高, 最后提前限制了电机输出电压。

5 故障处理

转速变换器拆卸分解后, 用无水乙醇进行了清洗, 并用电烘箱进行了烘干, 最后更换了油封与密封圈, 重新装上柴油机, 启动柴油机后故障消除。

参考文献

[1]周龙保.内燃机学[M].北京:机械工业出版社, 2003.

[2]何超.电工技术[M].北京:中国人民大学出版社, 2000.

变频调速特性篇7

1 分析方法及稳定判据[10]

研究电力系统元件对系统稳定特别是小干扰稳定性问题,可以采用时域分析方法,也可以采用频域分析方法。通过研究原动机调速系统主要参数对系统提供的附加阻尼系数及其对分界频率(boundary frequency)的影响,可以获取待研究对象对系统影响的性质及大小。

2 汽轮机调速系统的模型及简化

典型的汽轮机调节器模型如图1所示,该模型有3种基本调节方式,即阀位控制、负荷回路控制及调节压力控制。

汽轮机调速系统的PID环节中,比例放大倍数一般在0.1~2之间,积分时间常数一般大于20 s,微分环节一般退出运行,图1模型可简化成一带纯延时的比例环节来表达。

典型的液压执行机构模型如图2所示。图中,vELO为油动机过速开启系数;vELC为油动机过速关闭系数;τC为油动机关闭时间常数;τO为油动机开启时间常数。

该模型将调门开度指令PGV作为反馈信号构成闭环调节,其中液压转换PID模块中KP起主要作用,积分、微分作用较小,随着工艺的提高,汽轮机调速系统液压部分的迟滞等非线性环节不突出,该环节可以简化为带延时的一阶惯性环节来表达。

大机组基本为一次中间再热式汽轮机,其模型框图如图3所示。图中,FHP为高压缸功率比例;FIP为中压缸功率比例;FLP为低压缸功率比例;τCH、τRH、τCO为蒸汽容积时间常数。

理论及实测表明,τRH远大于τCH,对于动态稳定所关心频率范围(通常为0.1~2.0 Hz)的低频振荡,将其简化为一个只考虑高压汽室容积时间常数的环节。简化模型的传递函数可用式(1)表示:

其中,KA为放大倍数,τg为液压系统时间常数,τCH为高压汽室容积时间常数。

根据文献[7]可以得到调速系统的阻尼系数为

求解式(2),可以计算得到DG=0对应的频率fd,称之为分界频率。

3 调速系统主要参数系统稳定的影响研究

3.1 KA频率特性及对系统阻尼的影响

放大倍数KA等于转速不等率的倒数,以下分析汽轮机调速系统在不同放大倍数下的频率特性及其对阻尼系数和分界频率的影响。

取经典参数τg=τCH=0.2 s不变,放大倍数KA分别为16.7、22.2、33.3。计算得到该3组不同放大倍数下的相频曲线如图4所示(图中,曲线1、2、3分别表示KA为16.7、22.2、33.3时的曲线;后同)。

由图可见,KA的变化不影响调速系统的相频特性,单独改变KA,不会对分界频率产生影响。当KA分别取33.3、22.2、16.7这3组参数时,调速系统的分界频率均为fd=0.8 Hz(每0.1 Hz取1点),图5为汽轮机调速系统提供的附加阻尼特性(标幺值)曲线。

结果表明,附加阻尼系数(DG)的过零点是相同的,在正阻尼区域(DG>0)放大倍数越大,正的附加阻尼越大,给系统提供的正阻尼越大;负阻尼区域(DG<0),放大倍数越大,附加阻尼的绝对值越大,给系统带来的负阻尼也越多。放大倍数只改变系统阻尼的大小,不改变系统分界频率。

3.2 τg及τCH频率特性及对系统阻尼的影响

本节考虑了3组不同τg配置下的频率响应特性。取KA=22.2、τCH=0.2 s不变,τg分别为0.02 s、0.2 s、1 s,该3组参数下调速系统频率特性见图6。

随着振荡频率的增大,调速系统相位滞后加大,当参数τg由小到大变化时,系统的滞后角度具有相同的变化趋势,具有单调性。但不同参数同一振荡频率下调速系统的滞后特性有较大的差异。

不同参数下调速系统的阻尼特性曲线如图7所示。这3组参数对应的分界频率分别为0.36 Hz、0.80 Hz、2.50 Hz。

τg的变化将显著影响调速系统的幅频及相频特性以及阻尼特性。随着τg的变大,系统的分界频率逐步降低。当振荡频率低于分界频率时,调速系统提供正阻尼;当振荡频率高于分界频率时,系统提供负阻尼。不同的τg配置对分界频率的影响比较大。

在物理意义上,τCH是指汽轮机高压蒸汽管道容积时间常数,简化模型中,仅考虑了一个高压缸做功的情况。τCH的大小直接关系着高压缸出力的变化。与τCH相关的传递函数模型为1/(1+τCHs),该模型与1/(1+τgs)具有相同的形式,τCH对系统阻尼的影响分析与τg对系统的影响相同,不同的是2个参数的取值范围有差异。

当振荡频率在分界频率附近时,附加阻尼系数DG很小,此时调速系统提供的附加阻尼接近于0,对系统的影响较小。

3.3 非线性环节对系统阻尼的影响

汽轮机调速系统的非线性环节主要有死区、纯延时、限幅等。它们对调速系统的频率特性及阻尼特性均有影响,以纯延时环节的影响为大。

纯延时环节可以用式(4)表示:

其中,τ为延时时间常数,根据计算得知,对于频率1.0 Hz左右的振荡,纯延时环节引起的相位滞后为72°,该环节对分界频率有很大的影响,考虑原动机调速系统对电力系统稳定的影响时,纯延时环节是不能忽视的。

4 小干扰分析和时域仿真计算[11,12,13]

仿真工具为电力系统仿真计算软件PSD-BPA,在IEEE 90系统框架上进行时域仿真以及小干扰分析,故障类型为1号发电机对应线路侧三相瞬时短路故障。研究的3机系统的故障类型相同,采用相同的原动机调速系统模型参数,计算中采用了六绕组发电机模型、数字式电液调速系统及自并励励磁系统,励磁系统及调速系统采用实测参数,发电机参数部分采用设计值。

在图8模型基础上研究原动机调速系统主要参数对阻尼特性的影响,篇幅所限,只列出不同放大倍数下的小干扰计算结果和时域仿真曲线。频域计算采用BPA-SSAP小干扰程序计算特征值及特性向量,时域仿真分析包含不考虑调速系统和考虑2组不同放大倍数下调速系统在故障下的发电机功角(1号发电机为参考机)及有功功率振荡曲线,KA分别取33.3、16.7。一个n机系统对应有n-1个机电振荡模式;对于3机系统,相应地有2个机电振荡模式,这2个模式的特征值计算结果如表1和表2所示。

表1中,放大倍数KA=16.7时,相比于无调速系统,阻尼比分别降低0.014 0和0.011 8;KA=33.3时,阻尼比分别降低0.027 3和0.023 0,调速系统给系统提供的是负阻尼,随着放大倍数的增大,提供的负阻尼越多。表2中,放大倍数KA=16.7时,相比于无调速系统,阻尼比分别提高了0.006 5和0.0047;KA=33.3时,阻尼比分别提高0.012 1和0.007 6,调速系统给系统提供的是正阻尼,随着放大倍数的增大,提供的正阻尼越多。

对应地,时域仿真中发电机2的功角摇摆曲线如图9、10所示(图中,曲线1、2、3分别表示无调速、KA=16.7、KA=33.3这3种情况下的仿真曲线)。

频域小干扰计算结果与时域分析结论吻合。多机系统研究还表明,调速系统对电力系统动态稳定的影响与机组对某个振荡模式的相关程度有关。

5 结论

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