高曼曼，杜慶楠，潘天文，楊樹德

（1.商丘學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，河南 商丘 476113；2.河南理工大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，河南 焦作 454003）

1 引言

雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)的變頻電源可以使用交－直－交和交－交變頻器兩種變頻裝置。由于6脈波雙變量交－交變頻器可以實(shí)現(xiàn)調(diào)速系統(tǒng)自然無環(huán)流而無需增加額外的環(huán)流電抗器等裝置，有著體積小，成本較低，效率高等優(yōu)點(diǎn)，所以研究6脈波雙變量交－交變頻雙饋調(diào)速系統(tǒng)具有重要的意義和實(shí)用價(jià)值。而研究輕載時(shí)可變電源的頻率對(duì)繞線電機(jī)從啟動(dòng)到切換到雙饋狀態(tài)的過渡過程的影響為雙饋調(diào)速系統(tǒng)的進(jìn)一步深入研究奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2 雙饋電機(jī)的啟動(dòng)方法對(duì)過渡過程的影響

繞線電機(jī)單邊供電時(shí)可以接電阻啟動(dòng)，降壓?jiǎn)?dòng)或變頻啟動(dòng)等，但雙饋電機(jī)運(yùn)行時(shí)是由定轉(zhuǎn)子雙邊同時(shí)饋電，故雙饋電機(jī)的的啟動(dòng)與單邊供電時(shí)不同，它需要經(jīng)過2個(gè)階段，即單邊啟動(dòng)和牽入雙饋。典型的雙饋電機(jī)的啟動(dòng)方法有定子側(cè)工頻啟動(dòng)和轉(zhuǎn)子變頻啟動(dòng)兩種。

轉(zhuǎn)子側(cè)接入低頻電源啟動(dòng)，定子繞組短接，在轉(zhuǎn)差允許的范圍內(nèi)進(jìn)行變頻過渡，當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到半速時(shí)，這時(shí)變頻電源的頻率為2分頻，即25Hz，轉(zhuǎn)速為750r／min，待電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行后，定子側(cè)接入50Hz工頻電源，同時(shí)調(diào)換轉(zhuǎn)子側(cè)變頻電源的相序，由原來的反序電源改成正序電源。由芯片控制繼電器繼而來控制接觸器的動(dòng)作，這種啟動(dòng)方式的弊端是：在切換時(shí)，定子側(cè)接觸器和轉(zhuǎn)子側(cè)接觸器是由一個(gè)繼電器控制的，在發(fā)出切換指令后，由于繼電器和接觸器都會(huì)有動(dòng)作的延時(shí)，在延時(shí)的瞬間電機(jī)處于斷電的狀態(tài)，這必然會(huì)引起電機(jī)轉(zhuǎn)速的下降，很容易導(dǎo)致切換后牽入雙饋失敗。本文采用定子工頻軟啟動(dòng)方法。

2.1 定子工頻軟啟動(dòng)

定子側(cè)工頻啟動(dòng)方案（見圖1）是在轉(zhuǎn)子繞組先接入頻敏變阻器，定子工頻軟啟動(dòng)，當(dāng)電機(jī)在某一合適的轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行后，發(fā)出切換控制指令，程序控制繼電器KA得電，KA常閉常開開關(guān)動(dòng)作，根據(jù)電氣控制原理，電機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)將接入6脈波雙變量交－交變頻器。電機(jī)經(jīng)過幾秒鐘的小范圍震蕩過程后進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行，電機(jī)過渡到雙饋狀態(tài)成功。

圖1 定子側(cè)工頻啟動(dòng)方案Fig.1 Starting method with power frequency in the state side

如果定子側(cè)直接接入電網(wǎng)，電機(jī)內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)磁場(chǎng)，在過渡的瞬間，定、轉(zhuǎn)子強(qiáng)磁場(chǎng)的相互作用容易使電機(jī)震蕩，最終會(huì)出現(xiàn)過渡到雙饋狀態(tài)失敗。定子側(cè)使用軟啟動(dòng)的作用主要是在電機(jī)啟動(dòng)時(shí)提供一個(gè)幅值較小的電壓，可以減小啟動(dòng)時(shí)定子側(cè)電流太大對(duì)電機(jī)引起的沖擊，減小磁場(chǎng)強(qiáng)度，磁通處于非飽和狀態(tài)，使過渡到雙饋狀態(tài)比較容易，在過渡之后將定子側(cè)電壓調(diào)到額定值，電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。

這種啟動(dòng)方法與轉(zhuǎn)子變頻啟動(dòng)相比，簡(jiǎn)化了啟動(dòng)步驟及切換過程，縮短了啟動(dòng)時(shí)間，提高了切換過程的可靠性。考慮到6脈波雙變量交－交變頻器輸出頻率越高諧波含量越大的缺點(diǎn)，繞線電機(jī)有可能受諧波影響導(dǎo)致過渡過程失敗。所以本實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)子側(cè)交－交變頻器的頻率選擇在6分頻（1／6工頻）到11分頻下，在這個(gè)頻段內(nèi)，雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍為1 230～1 363r／min。在各個(gè)分頻下，分別選擇不同的工頻電壓在定子側(cè)啟動(dòng)，然后牽入雙饋狀態(tài)，研究不同的頻率對(duì)雙饋過渡過程的影響。

2.2 轉(zhuǎn)子電壓對(duì)過渡過程的影響

在交流調(diào)速開環(huán)控制系統(tǒng)中，一般采用壓頻比恒定控制，保持磁通恒定，以便充分利用電機(jī)鐵心，發(fā)揮產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的能力。在繞線電機(jī)過渡到雙饋狀態(tài)時(shí)，除了考慮恒壓頻比外還要考慮電壓的幅值問題。在過渡到雙饋狀態(tài)的瞬間，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電磁轉(zhuǎn)矩，與轉(zhuǎn)子電壓的大小有關(guān)，由于和定子側(cè)電源產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩方向相反，此時(shí)是制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，如果轉(zhuǎn)子電壓太大，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩也大，這對(duì)過渡過程是不利的。

同時(shí)，轉(zhuǎn)子側(cè)的勵(lì)磁電源還會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈震轉(zhuǎn)矩，在轉(zhuǎn)差率較大時(shí)，勵(lì)磁電流將會(huì)引起嚴(yán)重的功率、電流、電壓及轉(zhuǎn)速等的震蕩，所以在過渡過程中不能使轉(zhuǎn)差率太大，通過改變交－交變頻器的輸出頻率，使轉(zhuǎn)差率在一定的范圍內(nèi)，保證過渡過程成功。

2.3 勵(lì)磁電源頻率對(duì)過渡過程的影響

同步電機(jī)牽入同步的過程是很復(fù)雜的，在一定條件下，電機(jī)才能被牽入同步并正常運(yùn)行；在不利的情況下，也可能不被牽入同步而造成異步運(yùn)行的不良后果。

通過同步電動(dòng)機(jī)異步運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩－轉(zhuǎn)差率公式，得出在同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩－轉(zhuǎn)差率特性中，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、牽入轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)矩是3個(gè)很重要的量。其中牽入轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)的是轉(zhuǎn)差率s＝0.05，轉(zhuǎn)差S＝s×100，同步轉(zhuǎn)速的5%的轉(zhuǎn)差就是電機(jī)被牽入同步并正常運(yùn)行起來的條件。

雙饋電動(dòng)機(jī)的過渡過程和同步電機(jī)的牽入同步過程是相似的，同樣是復(fù)雜的，是一個(gè)非線性的機(jī)電關(guān)聯(lián)的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)問題，對(duì)于同步電動(dòng)機(jī)5%的轉(zhuǎn)差條件同樣適用于雙饋電動(dòng)機(jī)。由于繞線電動(dòng)機(jī)不需要在接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)過渡到雙饋狀態(tài)，所以在過渡時(shí)需要根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)速大小來選擇輸入到轉(zhuǎn)子側(cè)的頻率大小，控制轉(zhuǎn)子側(cè)接入勵(lì)磁前后的轉(zhuǎn)差在一定的范圍內(nèi)。

雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)速為

式中：f1為定子側(cè)電網(wǎng)頻率；f2為轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器輸出頻率；n0為繞線電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速；f1／f2是分頻數(shù)。雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)差為與同步電機(jī)的轉(zhuǎn)差不同的是，n1是轉(zhuǎn)子側(cè)接入變頻電源后的轉(zhuǎn)速，n2是轉(zhuǎn)子側(cè)接入變頻電源前的轉(zhuǎn)速。

電機(jī)定子接入工頻電源時(shí)的同步轉(zhuǎn)速為1 500r／min，實(shí)際測(cè)量的雙饋電機(jī)6分頻對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速是1 230r／min。因?yàn)橛型睫D(zhuǎn)速的5%的轉(zhuǎn)差范圍，那么繞線電機(jī)切換到雙饋電機(jī)前的轉(zhuǎn)速最大應(yīng)該是75r／min。以上數(shù)據(jù)是參考定子側(cè)同步轉(zhuǎn)速的5%轉(zhuǎn)差計(jì)算得出，且5%是理論值，是否會(huì)和實(shí)際一致，將通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。假如以繞線電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)接入不同分頻時(shí)對(duì)應(yīng)的同步轉(zhuǎn)速為參考，轉(zhuǎn)差是否有規(guī)律性將根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3 實(shí)驗(yàn)研究

雙饋調(diào)速系統(tǒng)由主回路和控制系統(tǒng)組成，主回路采用三相零式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，控制系統(tǒng)中以TI公司生產(chǎn)的STM32F103ZET6為主控元件，配上外圍電路，實(shí)現(xiàn)功能判斷，電壓電流檢測(cè)，測(cè)速及顯示，系統(tǒng)保護(hù)等。在KEIL環(huán)境下編寫6脈波交－交變頻器控制程序，控制雙饋電機(jī)的啟動(dòng)與調(diào)速。由于篇幅所限，在此只附上轉(zhuǎn)子側(cè)接入6分頻和10分頻時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化波形。

在圖2中接入6分頻之前的轉(zhuǎn)速為1 300r／min，接入后，電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行在1 230r／min。圖3中接入10分頻之前的轉(zhuǎn)速為1 377r／min，接入后，電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行在1 330r／min。

圖2 1／6工頻下電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 300r／min時(shí)的過渡過程Fig.2 Transition process when the motor speed is 1 300r／min with 1／6power frequency

圖3 1／10工頻下電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 377r／min時(shí)的過渡過程Fig.3 Transition process when the motor speed is 1 377r／min with 1／10power frequency

電機(jī)的參數(shù)在過渡過程中都會(huì)發(fā)生變化，比如定、轉(zhuǎn)子側(cè)的電壓和電流，轉(zhuǎn)速等，電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化也是過渡過程的一個(gè)重要參考量。圖2記錄了電機(jī)從啟動(dòng)過程，轉(zhuǎn)子側(cè)加入勵(lì)磁的過渡過程，以及過渡后雙饋電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的轉(zhuǎn)速變化波形。

圖2和圖3中轉(zhuǎn)速震蕩區(qū)就是電機(jī)由單邊饋電切換到雙邊饋電的過程，由切換過程的轉(zhuǎn)速波形可以看出，電機(jī)在切換過程中的震蕩過程是一個(gè)衰減過程，即電機(jī)震蕩的幅度越來越小，最后趨于穩(wěn)定狀態(tài)。在震蕩的過程涉及到兩個(gè)作用力，即同步力和異步力。同步力是上下震蕩的力，異步力是朝某個(gè)方向旋轉(zhuǎn)的力。牽入雙饋的過程就是同步力和異步力相互作用的過程，如果同步力大于異步力，則電機(jī)的切換過程將會(huì)失敗。反之，異步力大于同步力，則切換成功，電機(jī)會(huì)穩(wěn)定運(yùn)行。圖4和圖5均因在轉(zhuǎn)子側(cè)加入勵(lì)磁前后電機(jī)的轉(zhuǎn)速差值太大導(dǎo)致過渡過程失敗的轉(zhuǎn)速變化波形。

圖4 1／6工頻下電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 315r／min的過渡過程Fig.4 Transition process when the motor speed is 1 315r／min with 1／6power frequency

圖5 1／10工頻下電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 380r／min時(shí)的過渡過程Fig.5 Transition process when the motor speed is 1 380r／min with 1／10power frequency

通過分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出每個(gè)分頻都對(duì)應(yīng)一個(gè)牽入雙饋允許的最大轉(zhuǎn)差，此轉(zhuǎn)差是以定子側(cè)同步轉(zhuǎn)速1 500r／min為參考得出，如表1所示。

表1 以定子側(cè)同步轉(zhuǎn)速為參考時(shí)分頻對(duì)應(yīng)的實(shí)際轉(zhuǎn)差Tab.1 Real speed difference corresponding to frequency division taking synchrouous speed in the stator as the reference

將表1中的數(shù)據(jù)利用Matlab軟件進(jìn)行曲線擬合，得出允許的最大轉(zhuǎn)差的變化曲線如圖6所示。從圖6中可以看出，過渡到雙饋狀態(tài)時(shí)允許的最大轉(zhuǎn)差與變頻器的分頻數(shù)有關(guān)，及轉(zhuǎn)速差的大致變化趨勢(shì)，最大轉(zhuǎn)差基本維持在3%～5%之間，且變頻器頻率越低，過渡到雙饋時(shí)允許的最大轉(zhuǎn)差越小，過渡過程的難度加大。從圖形的趨勢(shì)看，如果變頻器的分頻數(shù)小于6時(shí)，允許的最大轉(zhuǎn)差會(huì)逐步逼近電機(jī)同步轉(zhuǎn)速的5%，這與理論結(jié)果相符。

圖6 頻率與實(shí)際轉(zhuǎn)差的關(guān)系曲線Fig.6 The relation curves between frequency and actual slip

表2是以轉(zhuǎn)子側(cè)不同的頻率對(duì)應(yīng)的同步轉(zhuǎn)速為參考時(shí)，轉(zhuǎn)差公式為

得出的不同分頻對(duì)應(yīng)的允許最大轉(zhuǎn)差表。牽入雙饋狀態(tài)時(shí)允許的最大轉(zhuǎn)差與變頻器的分頻數(shù)有關(guān)，以轉(zhuǎn)子側(cè)分頻對(duì)應(yīng)的同步轉(zhuǎn)速參考時(shí)，分頻數(shù)越大，最大轉(zhuǎn)差越大。9分頻時(shí)的最大轉(zhuǎn)差略小的原因是接觸器動(dòng)作的時(shí)間或電機(jī)的震蕩過程導(dǎo)致在測(cè)量時(shí)存在一定的誤差。從圖6中可以看出以轉(zhuǎn)子側(cè)不同頻率對(duì)應(yīng)的同步轉(zhuǎn)速為參考得出的最大轉(zhuǎn)差也具有一定的規(guī)律性。

表2 以轉(zhuǎn)子側(cè)頻率對(duì)應(yīng)的同步轉(zhuǎn)速為參考時(shí)的實(shí)際轉(zhuǎn)差Tab.2 Real speed difference taking synchronous speed corresponding to frequency in the rotor as the reference

繞線電機(jī)從啟動(dòng)過渡到雙饋狀態(tài)成功以后，將定子電壓調(diào)至額定值，通過改變可變電源的頻率對(duì)雙饋電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。圖7是從6分頻調(diào)到10分頻時(shí)雙饋調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速波形，由波形看出，調(diào)速的過程也是一次過渡過程，6分頻過渡到7分頻時(shí)，震蕩幅度比較大是因?yàn)?分頻時(shí)電壓諧波含量較大，電流存在死區(qū)現(xiàn)象。6脈波交－交變頻器的優(yōu)點(diǎn)是低頻段時(shí)輸出電壓波形諧波含量小，所以在8到10分頻的過渡過程中，震蕩幅度有逐漸減小趨勢(shì)。

圖7 雙饋狀態(tài)下的電機(jī)調(diào)速波形Fig.7 Waveform of motor speed gover－｀ning in double－fed state

4 結(jié)論

通過分析分別以定、轉(zhuǎn)子側(cè)同步轉(zhuǎn)速為參考時(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出的雙饋電機(jī)過渡過程允許的最大轉(zhuǎn)差與轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器輸出的頻率有直接的關(guān)系。在以轉(zhuǎn)子側(cè)分頻對(duì)應(yīng)的同步轉(zhuǎn)速為參考時(shí)，得出的最大轉(zhuǎn)差有一定的規(guī)律性，基本上與變頻器的分頻數(shù)成正比關(guān)系。允許的最大轉(zhuǎn)差存在一定的誤差，主要是因?yàn)?脈波交－交變頻器提供交流可變電源諧波含量較大，對(duì)最大轉(zhuǎn)差有一定的影響。同時(shí)接觸器的動(dòng)作時(shí)間及電機(jī)的震蕩過程也會(huì)影響最大轉(zhuǎn)差，但是過渡過程的最大轉(zhuǎn)差規(guī)律還是具有一定的參考價(jià)值。

通過對(duì)雙饋啟動(dòng)過程進(jìn)行分析、比較與研究，從而對(duì)雙饋啟動(dòng)特性有了比較全面和深刻的認(rèn)識(shí)，也為雙饋調(diào)速的控制方法和運(yùn)行特性的研究奠定了基礎(chǔ)。

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