馬小亮
(天津電氣傳動設(shè)計研究所,天津 300180)
節(jié)能調(diào)速主要用于風(fēng)機、泵、壓縮機等通用機械的傳動。它們原本不調(diào)速,交流電動機直接接電網(wǎng),恒速工作。在工廠設(shè)計時電動機及機械設(shè)備容量按最大可能的壓力和流量選取,并為今后發(fā)展預(yù)留適當(dāng)余量,工作時通常不需要這么大,只好借助閥門或擋板來把它們調(diào)到需要值,浪費了大量能量。改用調(diào)速傳動后,可以把閥門或擋板開到最大,通過降低電動機轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)壓力或流量,把閥門或擋板浪費的能量省下,從而實現(xiàn)節(jié)能。改用調(diào)速傳動后,節(jié)能效果取決于電動機的負(fù)荷率,負(fù)荷率越低,節(jié)能效果越好,據(jù)統(tǒng)計平均節(jié)能1/3,效果顯著,因此被廣泛推廣應(yīng)用。
這類傳動的負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速平方成比例,功率與轉(zhuǎn)速3次方成比例,當(dāng)轉(zhuǎn)速降到1/2時,負(fù)載轉(zhuǎn)矩只有1/4,功率僅剩1/8,所以它對調(diào)速范圍的要求一般≤2。這類傳動原本不調(diào)速,流量和壓力調(diào)節(jié)過程較慢,負(fù)載也比較平穩(wěn),因此它對調(diào)速的精度和響應(yīng)的時間也沒什么特殊要求,只要能調(diào)速就行。針對這不高的調(diào)速要求,通常采用V/f控制的標(biāo)量控制系統(tǒng),對于大功率傳動,為改善啟動性能,有時也用無轉(zhuǎn)速傳感器的高性能調(diào)速系統(tǒng)(在大功率變頻器中,增加少許控制的復(fù)雜性已不影響設(shè)備成本)。
雖然這類傳動對調(diào)速性能要求不高,但它對生產(chǎn)的連續(xù)性要求較高,需要一些特殊控制環(huán)節(jié),分述于后。
由于這類傳動原本是不調(diào)速的,而它對生產(chǎn)的連續(xù)性要求又較高,所以希望在變頻器故障時旁路變頻器,讓電動機直接接電網(wǎng),轉(zhuǎn)速回到額定轉(zhuǎn)速,仍用閥門或擋板調(diào)節(jié)壓力和流量,維持生產(chǎn)?!芭月纷冾l器”主電路示于圖1。
圖1 “旁路變頻器”主電路
圖1中K1和K2是交流接觸器。變頻器正常工作時K1閉合、K2分?jǐn)?,電動機接變頻器,按調(diào)速模式工作。在需要“旁路變頻器時”,先分?jǐn)郖1,隔離電動機與變頻器,延時toff時間后K2閉合,電動機接電網(wǎng),加速至額定轉(zhuǎn)速后按恒速模式工作。在K1斷開至K2閉合之間設(shè)置一段完全斷電時間toff的原因是等待電動機消磁。電動機斷電后,定子電流雖然為零,可磁鏈不能馬上消失,因為在磁鏈減弱過程中,轉(zhuǎn)子繞組會感生電流阻礙磁鏈減小,需經(jīng)3倍轉(zhuǎn)子時間常數(shù)Tr后才能使它降到零。在消磁過程中,由于旋轉(zhuǎn)磁場還存在,在定子繞組中仍感生電壓,若在這個感生電壓與電網(wǎng)電壓反相時合上開關(guān)K2,會造成大的定子電流沖擊。為避免這沖擊,要求toff>3Tr。異步電動機的toff和Tr可以從樣本和銘牌數(shù)據(jù)估算得出:
式中:Lr,Rr分別為轉(zhuǎn)子全電感和轉(zhuǎn)子電阻(測量值);UN,IN,I0分別為定子額定線電壓、電流和空載電流(有效值);fN,sN分別為額定頻率和額定轉(zhuǎn)差率。
下面給出幾個經(jīng)驗數(shù)據(jù)供參考:電動機功率(kW)10…50…500,toff(s)0.7…1.6…3.6。
在出現(xiàn)電網(wǎng)短時失電故障時,為保持生產(chǎn)的連續(xù)性,希望電壓型逆變器不停止工作,通過降低電動機轉(zhuǎn)速,把部分動能回饋至它的直流貯能電容,維持一個較低的直流母線電壓,使控制電路繼續(xù)工作(逆變器控制電源來自貯能電容電壓),待電網(wǎng)電壓恢復(fù)后電動機重新加速到原轉(zhuǎn)速,這功能被稱之為越過暫時失電(ride-through),又稱動能緩沖。
越過暫時失電(動能緩沖)功能用Ud.min控制實現(xiàn),框圖示于圖2a,Ud.min控制波形示于圖2b。Ud.min控制的核心是Ud.min調(diào)節(jié)器1AUdR,它的輸入是逆變器直流母線電壓Ud與其最小值設(shè)定之差,輸出是高性能調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩環(huán)ATL的附加轉(zhuǎn)矩輸入正常工作時1AUdR本應(yīng)輸出正值,但由于調(diào)節(jié)器正限幅=0,所以對調(diào)速系統(tǒng)工作無影響,電動機工作在電動狀態(tài),轉(zhuǎn)矩T>0。在t=t1時,電網(wǎng)開始失電,Ud開始下降。在t≥t2后,Ud略小于1AUdR退出正限幅控制開始工作,把轉(zhuǎn)矩T從正值拉到負(fù)值,電動機從電動狀態(tài)轉(zhuǎn)入再生狀態(tài),電動機和被拖動機械的部分動能回饋至直流貯能電容,維持不變,使逆變器控制系統(tǒng)能繼續(xù)工作。在t=t3時電網(wǎng)恢復(fù),來自電網(wǎng)中的能量使Ud升高1AUdR又正限幅控制退出工作,逆變器恢復(fù)正常,轉(zhuǎn)速回升至給定值。圖2b中TRT是失電跨越時間。如果調(diào)速系統(tǒng)是V/f控制系統(tǒng),則1AUdR的輸出是V/f曲線發(fā)生器的附加頻率輸入在1AUdR工作期間,減小逆變器輸出的電壓和頻率,使電動機工作于再生狀態(tài),維持如果沒有Ud.min控制環(huán)節(jié),在電網(wǎng)失電后,Ud將下降至Ud.off,逆變器停止工作,電動機自由停車,如圖2b中Ud波形之虛線所示。
圖2 Ud.min控制框圖和波形
在電動機減速時,電機和負(fù)載的動能將回饋至直流母線,使其電壓Ud升高。如果減速較快及電機和負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量大(例如風(fēng)機傳動),送到直流母線的能量不能全部被吸收或饋回電網(wǎng),則Ud將升至過壓保護動作值,導(dǎo)致停機。為保持生產(chǎn)的連續(xù)性,許多現(xiàn)場希望避免這種非事故停機發(fā)生,為此引入最高直流母線電壓Ud.max控制環(huán)節(jié),示于圖3。Ud.max控制的核心是Ud.max調(diào)節(jié)器2AUdR,它的輸入是逆變器直流母線電壓Ud與其最大值設(shè)定之差,輸出是高性能調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩環(huán)ATL的附加轉(zhuǎn)矩輸入正常工作時,2AUdR本應(yīng)輸出負(fù)值,但由于調(diào)節(jié)器負(fù)限幅=0,所以,對調(diào)速系統(tǒng)工作無影響。在Ud升至略大于后,2AUdR退出負(fù)限幅控制開始工作。電動機減速時,轉(zhuǎn)矩為負(fù)值,加入后,減速轉(zhuǎn)矩值下降,回饋至直流母線的能量減小,維持Ud≈,從而避免過壓保護動作導(dǎo)致的非事故停機發(fā)生。如果調(diào)速系統(tǒng)是V/f控制系統(tǒng),則2AUdR的輸出是V/f曲線發(fā)生器的附加頻率輸入在2AUdR工作期間,減小逆變器輸出電壓和頻率的下降速率,使電動機工作于再生狀態(tài),減小回饋至直流母線的能量,維持
圖3 Ud.max控制框圖
轉(zhuǎn)速跟蹤啟動功能用于啟動正在旋轉(zhuǎn)中的電動機。泵和風(fēng)機傳動有時會遇到在變頻器投入工作前電動機已在旋轉(zhuǎn)的情況,例如:啟動前在風(fēng)道或管道中存在壓力,推動電動機旋轉(zhuǎn);大型風(fēng)機的機械慣量大,自由停車時間很長,在電動機尚未停止前又需要恢復(fù)工作;“旁路變頻器”后,變頻器故障排除,希望恢復(fù)調(diào)速工作模式等。電動機在這種情況下接至變頻器,如果變頻器的輸出頻率與電動機轉(zhuǎn)速不匹配,轉(zhuǎn)差率大,將導(dǎo)致電流沖擊。要解決這問題,需根據(jù)轉(zhuǎn)速來設(shè)置變頻器的初始頻率,而泵和風(fēng)機傳動通常都無轉(zhuǎn)速傳感器,因此希望變頻器能自動檢測電動機的實際轉(zhuǎn)速,據(jù)此設(shè)置初始頻率,這就是轉(zhuǎn)速跟蹤啟動。
自動檢測轉(zhuǎn)速任務(wù)通過頻率搜索實現(xiàn),其工作原理是:在逆變器輸出頻率與轉(zhuǎn)速相匹配時(fs=np/60,p 為電動機極對數(shù)),電動機功率最小。頻率搜索框圖見圖4,圖4中SFS是搜索頻率給定,輸出一個從1.0(對應(yīng)于50Hz)逐漸降至0的頻率給定信號f*(t),經(jīng)V/f曲線發(fā)生器得到定子頻率和電壓給定fs*和us*,為防止搜索過程中電流太大,令(5%~20%)us*作為PWM發(fā)生器的電壓輸入。在搜索過程中檢測逆變器直流輸入電流或用電動機電壓、電流瞬時值計算功率,當(dāng)它們小于某門檻值時便停止搜索,并把這頻率值設(shè)置為逆變器初始頻率。從最高工作頻率開始搜索的原因是,在頻率高于轉(zhuǎn)速對應(yīng)值時轉(zhuǎn)差率為正,電動機工作于電動狀態(tài),不必?fù)?dān)心再生功率使直流母線電壓升高問題。如果正方向搜索沒找到所需頻率,則需從反方向最高頻率開始反向搜索。
圖4 頻率搜索框圖
注意,為防止搜索過程中過電流,要求原V/f控制系統(tǒng)中的電流限制環(huán)節(jié)有效工作。
對于泵和風(fēng)機傳動,隨轉(zhuǎn)速降低,負(fù)載轉(zhuǎn)矩按平方減小,低速時電動機工作于負(fù)載轉(zhuǎn)矩非常小的工況,這時若仍維持額定磁鏈,鐵損大,效率低。如果隨轉(zhuǎn)速降低,適當(dāng)減小電動機磁鏈,能降低鐵損,提高效率,電動機噪聲小。
減小磁鏈后,鐵損減少,銅損增加,磁鏈減弱多少合適,有個優(yōu)化問題。從損耗分析知,若磁鏈與轉(zhuǎn)速成比例,能取得效率優(yōu)化結(jié)果為
式中:Ψ,n為磁鏈和轉(zhuǎn)速相對值。
由于定子電壓相對值us≈Ψn,所以
當(dāng)轉(zhuǎn)速從額定轉(zhuǎn)速(n=1.0)降至半速(n=0.5)時,磁鏈也應(yīng)從額定(Ψ=1.0)減弱至一半(Ψ=0.5),定子電壓從額定(us=1.0)減至1/4(us=0.25)。
效率優(yōu)化控制的實現(xiàn)方法:對于高性能調(diào)速系統(tǒng),按式(2)設(shè)置磁鏈給定值(圖5a);對于V/f控制調(diào)速系統(tǒng),按式(3),把V/f曲線從線性改為二次曲線(圖5b)。
圖5 效率優(yōu)化的實現(xiàn)
注意:節(jié)能調(diào)速的調(diào)速范圍一般≤2,即nmin≥0.5,圖5中n*(或f*)≤0.5段不用;效率優(yōu)化控制只用于負(fù)載較平穩(wěn),變化慢的場合。
某些節(jié)能調(diào)速傳動要求工藝閉環(huán)控制,例如:擠壓機傳動要求壓力閉環(huán)控制;泵傳動要求液位閉環(huán)控制;風(fēng)機傳動要求風(fēng)量閉環(huán)控制等,為此在許多通用變頻器中都設(shè)有供自由選用的工藝控制功能塊,示于圖6。
圖6 工藝控制功能塊
工藝控制功能塊的核心是工藝調(diào)節(jié)器TCR,它是1個PID調(diào)節(jié)器,其輸入是工藝設(shè)定量和工藝反饋量。工藝設(shè)定量可人為設(shè)定或來自上級數(shù)字控制器,一般是數(shù)字量。反饋量來自工藝參數(shù)傳感器,例如壓力計、液位計、流量計等,一般是4~20mA的模擬量或數(shù)字量。TCR的輸出是附加轉(zhuǎn)速給定Δn*,它與轉(zhuǎn)速主設(shè)定n*相加后,送至調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速給定輸入端。
[1]天津電氣傳動設(shè)計研究所.電氣傳動自動化技術(shù)手冊[M].第2版.北京:機械工業(yè)出版社,2005.
[2]中國電氣工程大典,第15卷(電氣傳動自動化)[M].北京:中國電力出版社,2009.
[3]馬小亮.高性能變頻調(diào)速及其典型控制系統(tǒng)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2010.
(未完待續(xù))