王飛 劉雷

(1.新疆吐哈油田建設(shè)有限責任公司電氣儀表公司 2.吐哈油田公司技術(shù)監(jiān)測中心)

1 引言

雙饋電機也叫交流勵磁電機，它包括電機本身和交流勵磁自動控制系統(tǒng)。雙饋電機是電機與電力電子技術(shù)和數(shù)字控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，在大中型交流調(diào)速系統(tǒng)中，如果采用雙饋電機，它的定子繞組直接接3kV、6kV、10kV的工頻電網(wǎng)，而轉(zhuǎn)子繞組可設(shè)計為低壓，這樣可采用低壓變頻裝置，因而可以大大降低變頻器的成本。據(jù)國外文獻報道，如容量為9000kW，同步速為1500r/min，調(diào)速范圍為30%的雙饋電機調(diào)速系統(tǒng)的價格以 100%計，則同容量、同轉(zhuǎn)速、同調(diào)速范圍的籠型感應(yīng)電動機與變頻器構(gòu)成變頻調(diào)速系統(tǒng)價格為300%[1～3]。雙饋電機是將電動機的定子繞組接到固定頻率的電網(wǎng)上，而變頻電源向轉(zhuǎn)子繞組饋電，改變轉(zhuǎn)子電流的頻率來調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速的方法即可以使電機轉(zhuǎn)速從低于同步速到高于同步速調(diào)節(jié)。

2 主電路和控制電路的設(shè)計

2.1 主電路拓撲比較

雙饋電機調(diào)速系統(tǒng)一般分為控制電路和主電路兩部分。主電路一般由整流、逆變電路構(gòu)成。控制電路是以單片機為核心加上必要的外圍電路。控制電路發(fā)出控制信號，主電路按控制電路發(fā)出的信號給電機供電，實現(xiàn)調(diào)速[4]。

使用多功能變流器的雙饋調(diào)速不但可以滿足調(diào)速中的各種運行模式，而且還能節(jié)約成本，但是對檢測和控制系統(tǒng)提出了更高的要求。

2.2 主電路的設(shè)計

普通脈寬調(diào)制型逆變器電路的優(yōu)點是：可得到接近正弦波的輸出電壓；整流電路采用二極管，可獲得接近1的功率因數(shù)；通過對輸出脈沖脈寬度的控制就可改變輸出電壓，大大加快了變頻器的動態(tài)響應(yīng)。但這種變頻器無法實現(xiàn)從低于同步速到同步速和從同步速到超同步速的連續(xù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換。因此，要對該電路加以改進。圖1是改進后的電路拓撲圖[5]。

圖1 多功能變流器的電路拓樸圖

2.3 軟啟動與斬波調(diào)阻調(diào)速模式

繞線轉(zhuǎn)子電動機的啟動通常是串電阻啟動，在開始啟動時，全部電阻接入回路，獲得最大的啟動轉(zhuǎn)矩，在啟動過程中逐段切除電阻。這里采用單片機發(fā)出PWM控制信號，對IGBT進行控制，形成斬波調(diào)阻啟動方式。可以證明：當忽略電機損耗時，低于同步速雙饋運行時，電機輸出機械功率為定子與轉(zhuǎn)子繞組輸入功率之差；而對高于同步速的雙饋調(diào)速，電機輸出機械功率為定子與轉(zhuǎn)子繞組輸入功率之和。因此，高于同步速比低于同步速時的雙饋調(diào)速效率會高些。

2.4 同步速運行模式

同步運行模式下的雙饋電機，需要向轉(zhuǎn)子繞組饋送直流電流，此時轉(zhuǎn)子三相繞組一般采用“兩并一串”聯(lián)接方式。多功能變流器的功能開關(guān)位置與雙饋運行模式相同，變流器以斬波方式控制不同橋臂的三個功率開關(guān)器件同時導通或關(guān)閉，輸出可控的直流勵磁電流，其等效電路如圖2 所示。

圖2 同步運行模式

2.5 驅(qū)動電路的設(shè)計

EXB系列 IGBT驅(qū)動電路的優(yōu)點是電路參數(shù)一致性好，有防擎住效應(yīng)的緩開關(guān)電路。該電路只有管壓降保護，僅能實現(xiàn)軟開關(guān)功能，無法記憶和封鎖IGBT的 PWM 驅(qū)動信號;在負載頻繁過載時易損壞IGBT。在變頻器應(yīng)用中，通常希望驅(qū)動電路和驅(qū)動電源盡量簡單，而上述兩種模塊系列只能驅(qū)動一只IGBT，而且需要單獨的浮地電源，因此對于一個三相變頻器，增大了變頻器的成本，降低了可靠性。為了解決上述問題，這里選用IR公司的IRZ132。

2.6 控制電路的總體設(shè)計

控制電路的方框圖如圖3 所示。

圖3 控制器電路的框圖

控制回路以 80C196MC為核心，Xilinx公司的CPLD器件XC9572作為鍵盤、顯示的接口；電壓、電流傳感器測量電壓、電流信號；驅(qū)動器IRZ132驅(qū)動IGBT，串行接口芯片MAX232完成與微機的通訊；光電編碼器測量電機轉(zhuǎn)速；光電耦合器6N137使控制器和變流器隔離，這些器件組成控制和測量裝置。

3 控制算法

本文對雙饋電機的控制采用標量控制方式。在這種運行方式下，按速度特性公式，通過控制可控繞組激勵的幅值、頻率以及相位來實現(xiàn)對速度、轉(zhuǎn)矩以及電機性能（如功率因數(shù)、效率等）的控制。標量控制比開環(huán)控制運行穩(wěn)定性有較大提高，動態(tài)性能也有所改善，適用于對動態(tài)性能要求不高的場合。

3.1 頻率控制

WG的重置寄存器(WG_RELOAD)中的數(shù)值決定載波頻率。變流器輸出調(diào)制波的頻率為:

式中： fTXAL為晶體振蕩器頻率；

實際系統(tǒng) fTXAL的選取受到功率元件開關(guān)頻率和系統(tǒng)采樣頻率的限制，當不考慮死區(qū)時間時任意一相PWM輸出的有效時間 fout為:

在忽略死區(qū)時間的情況卜，占空比可表示為:

3.2 幅值控制

建立一個0°～360°的正弦函數(shù)數(shù)據(jù)表，由于正弦值有正負且為小數(shù)，單片機中的數(shù)據(jù)計算采用定點形式，因此把數(shù)據(jù)處理成定點。方法是這樣數(shù)據(jù)表的最小值為0，最大值為2000。載波比取209，數(shù)據(jù)從0°開始，每隔0.2°安排一項數(shù)據(jù)，每個數(shù)據(jù)是兩字節(jié)二進制數(shù)，1800個數(shù)據(jù)，占用3600字節(jié)。

將正弦函數(shù)表的數(shù)據(jù)存入EPROM，單片機通過查表與實時計算相結(jié)合的方法，計算出正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)載波脈寬的給定值，其計算公式如下：

3.3 相位控制

為編程簡便，可按載波比N建立 0°～360°正弦函數(shù)數(shù)據(jù)表，按字存入相應(yīng)的地址單元。這樣正弦函數(shù)數(shù)據(jù)表中每個數(shù)據(jù)所對應(yīng)的相位角φ為：

根據(jù)上式計算出正弦函數(shù)數(shù)據(jù)表的地址指針變量n，電機啟動后，采樣轉(zhuǎn)子電流，找到饋入點后，向轉(zhuǎn)子饋入電流，由于電壓與電流存在著相位差，濾波器也使得電流的相位滯后，所以經(jīng)過計算后，根據(jù)該式通過軟件控制變流器輸出的初始相位角。

4 實驗的波形分析

本次試驗中采用以 2.2kW 交流異步電動機帶動齒輪旋轉(zhuǎn)的方式進行電機調(diào)速試驗。圖4、圖5是電機調(diào)速波形。

圖4 低于同步速向雙饋運行方式轉(zhuǎn)換時轉(zhuǎn)子繞組電壓波形

圖5 低于同步速一同步速一高于同步速雙饋

實驗證明，本論文提出的基于 80C196MC單片機的雙饋電機控制技術(shù)、多功能變流器的電路拓樸結(jié)構(gòu)及合理的控制器的設(shè)計，有效地解決了雙饋電機的軟起動和低于同步速、同步速以及高于同步速運行模式的轉(zhuǎn)換與控制問題。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了雙饋電機調(diào)速所用的多功能變流器和控制器，通過這套實驗裝置可以很好地實現(xiàn)雙饋調(diào)速，從低于同步的雙饋到高于同步速雙饋調(diào)速的連續(xù)調(diào)速。同步運行時，通過多功能變流器向轉(zhuǎn)子繞組通入直流電，電流的大小通過施加的斬波比進行控制。

[1]藏英杰.交流電機的變頻調(diào)速[M].北京:中國鐵道出版社,1984:29～37

[2]涂從歡.電力拖動系統(tǒng)中能量回饋控制的設(shè)計[J].電氣傳動,1996:43～46

[3]劉玉慶,張承慧.一種矢量控制調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].微特電機,1999(5):25～28

[4]黃進,黃建華,等.基于小波分析的直流電機轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)速特性測試,2001,28(2):49～52

[5]王鳳翔.交流電機的非正弦供電[M].北京:機械工業(yè)出版社,1997:107～124

[6]陳伯時,陳敏遜.交流調(diào)速系統(tǒng)[M].北京:機械工業(yè)出版社,1998:45～48