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串级调速技术的发展

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  摘 要:串级调速源于英语“cascade control”,意为“级联控制”,系指当时异步机转子与外附的直流电动机两级联接所形成的调速,虽然后来改进,用静止的电力电子变流装置和变压器取代直流电动机,但串级调速的称谓被习惯地沿用下来。串级调速控制系统是针对绕线式异步电动机专用调速控制系统,他以自动旁路、系统容量小、低压控制高压、高效节能为特点。随着电力电子技术的发展,此项曾一直被认为是即将淘汰的技术,又一次焕发了青春,成为风机、泵类负载电动机节能调速的一个理想选择。本文就串级调速技术的发展进行简要论述。
  关键词:串级调速技术;发展;论述
  DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.14.122
  1 “移相控制”式串级调速技术
  “移相控制”式串级调速控制系统是由不可控整流器UR、直流储能电抗器L和晶闸管逆变器UI组成。工作时通过改变UI的触发延迟角()来改变直流电压,从而改变转子电压。
  “移相控制”式串级调速控制系统又称“传统串级调速控制系统”,他有效率高、低压控制高压、设备容量低三大优点,但是同时存在功率因数低、谐波大、记忆性器件容量大、容易逆变颠覆、电机机械特性变软等明显缺点。由于长时间未被深入研究,所以其被认为是过渡性产品,甚至连同转子侧调速都认为是过渡性产品。目前此类产品基本已经停止生产,但仍有不少设备仍在使用,属于历史问题。
  2 晶闸管逆变型斩波式串级调速技术
  随着对转子变频研究的深入,斩波+晶闸管有源逆变型串级调速控制系统。
  斩波式串级调速控制系统的电动机采用内馈式电动机,他是在绕线电动机的定子侧增加一套调节绕组,他与定子同槽相嵌,相当于把的变压器集成到绕线电动机中。在变频器中增加了由电感、斩波开关、二极管和储能电容组成的升压斩波环节。工作时晶闸管逆变器的触发超前角固定于最小值,逆变直流电压基本不变,通过改变斩波占空比实现调速。
  通过固定有源逆变的逆变角度,改变斩波晶闸管的占空比来进行调速。这种控制系统不仅完全继承了“移相控制”式三大优点,而且有效的提高了系统的功率因数,大幅度降低了系统谐波分量,记忆性器件容量缩小,不易发生逆变颠覆,电机机械特性变硬。随着电力电子器件的发展,大功率IGBT开始广泛应用,斩波器件SCR渐渐被大功率IGBT取代,斩波频率从百赫兹级跃升为千赫兹级,这使得记忆性器件容量进一步减小。目前市场上主要为此类产品,并取得了很好的技术与经济效益。
  但是,这种方式的功率因数仍然偏低、机械特性依然偏软、记忆性元件的容量仍然偏大、有5、7次谐波。
  3 IGBT型逆变斩波型串级调速
  斩波+SPWM有源逆变型串级调速控制系统可以很好的提高斩波+晶闸管有源逆变型系统的性能。SPWM逆变器是一台处于逆变工作状态的低压PWM整流器——有源前端(AFE)整流器,他的电压控制外环保证直流电压恒定,同理,通过改变斩波开关的占空比可以实现调速。由于单元是电压型逆变器,所以在直流回路中无储能电抗器。当斩波开关IGBT的开关频率选到2kHz左右时,仅靠电动机漏感已能满足升压斩波需要,不需电感,但为了减小斩波器开关的高的影响,仍保留电感,但是容量可以很小,进一步降低记忆性元件的容量。此种方式可以产生容性无功,进一步提高系统功率因数,不产生5、7次谐波,抗电网波动能力强、省去一台大电抗器。这种电路拓扑系统已经开始在市场中出现,取得了不错的效果。
  4 高功率因數型串级调速
  斩波+SPWM有源逆变串级调速系统虽然能够提供容性无功,使得变频器功率因数明显提高,但是其不能补偿来自电机的感性无功,电机、变频器组成的系统功率因数仍然不够理想。此外,串级调速控制系统适用于绕线式电动机(包括内反馈式绕线电动机),所以,系统中设置独立的启动系统(一般为频敏变阻器或液态电阻)。换言之,电机的启动系统和调速系统是独立的两套系统,当调速系统出现故障的时候,启动系统不受影响,电机仍然能正常启停,这样便不会影响正常生产。这是串级调速控制系统自动旁路功能的独特优点。但是,若电机不能调速,将会对泵或风机管网系统造成巨大冲击(有些系统由于设计不当风机不能全速工作,否则震动强烈)。
  另外,一般的斩波式串级调速系统均采用双闭环PI调节器作为控制器对斩波器进行触发,这种调节器简单且对线性系统稳定、准确,但对于异步电机调速系统的线性度不够强问题往往存在振荡点,其自适应性较差。针对以上问题,在原有基础上进行升级,可以开发出高功率因数液阻变频双调速控制系统,结构如下:
  (1)内反馈电动机,省去了外馈变压器,同时有效抑制了电流谐波。
  (2)液阻调速系统,在变频出现故障而风机或泵又需要调速时,液阻进行调速。
  (3)串级调速系统,斩波+SPWM型串级调速系统,谐波小,功率因数高。
  (4)TSC无功补偿系统,低压侧自动补偿电动机的无功功率,使得电机、调速器系统功率因数高。
  5 小结
  串级调速技术应用于风机或泵类负载的调速节能,具有设备小巧,可靠性高,适应工作环境能力强,节能率高等优点。但是也由于其仅能应用于绕线式电动机,所以极大的制约了串级调速技术的发展。
  然而,风机或泵类负载本身是比较适用于绕线式电动机的,而且,使用串级调速控制系统,综合投资其实并不大,所以,本项技术不应该被淘汰,应该被更好的开发与应用。
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