盧利虹，張忠

(大連交通大學(xué) 電氣信息學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

2951－BⅢ型電鏟交流傳動(dòng)系統(tǒng)分析

盧利虹，張忠

(大連交通大學(xué) 電氣信息學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

對(duì)工礦企業(yè)2951-BⅢ型電鏟的工作原理及其電氣系統(tǒng)主電路進(jìn)行分析.該系統(tǒng)具有啟動(dòng)力距大、恒功調(diào)速范圍寬、防空轉(zhuǎn)性能好、對(duì)通訊干擾小等優(yōu)點(diǎn).采用三相交流異步電機(jī)則可做到功率大、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠，具有較好的應(yīng)用前景.

交流傳動(dòng);異步機(jī)驅(qū)動(dòng);四象限變流器;脈寬調(diào)制逆變器;轉(zhuǎn)差控制

0 引言

三相交流傳動(dòng)系統(tǒng)有兩類，一類稱交—直—交傳動(dòng)，另一類稱交—交傳動(dòng).2951-BⅢ型電鏟是采用前者，其電動(dòng)機(jī)普遍采用三相交流異步機(jī).直流電動(dòng)機(jī)雖然有良好的調(diào)速性能，但主要的缺點(diǎn)是必須有換向器，這不僅重量和尺寸大，費(fèi)銅，而且故障率高，維修保養(yǎng)工作量大.交流電機(jī)沒有這些缺點(diǎn).但是，異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定它的供電電源頻率.當(dāng)電源頻率一定時(shí)，它的轉(zhuǎn)速變化范圍很小，要把它作為調(diào)速電機(jī)時(shí)，必須對(duì)供電電源的頻率作大范圍的調(diào)節(jié).因此，交流傳動(dòng)的關(guān)鍵是在交流供電電源和交流電機(jī)之間設(shè)置一個(gè)大功率、寬調(diào)頻的變頻裝置.

1 交流異步機(jī)驅(qū)動(dòng)調(diào)速原理

交—直—交電傳動(dòng)系統(tǒng)是先將交流電整成直流，經(jīng)過中間直流環(huán)節(jié)，再經(jīng)逆變器變?yōu)殡妷骸㈩l率可調(diào)的三相交流電，供給三相交流異步機(jī)驅(qū)動(dòng)電鏟車負(fù)載.作為驅(qū)動(dòng)電鏟的三相交流異步機(jī)，其機(jī)械特性必須符合理想的驅(qū)動(dòng)特性.但異步機(jī)的機(jī)械特性是一條硬特性，與理想的特性相差甚遠(yuǎn).從電機(jī)原理可知，電機(jī)轉(zhuǎn)速等于同步轉(zhuǎn)速n1時(shí)，而轉(zhuǎn)矩M為零.當(dāng)轉(zhuǎn)差率很小時(shí)，隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩增加，電機(jī)轉(zhuǎn)速相對(duì)同步轉(zhuǎn)速逐漸下降，而轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)速的減少直線上升，沿特性曲線n1B知道臨界點(diǎn)A.此后如果電動(dòng)機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩超過臨界轉(zhuǎn)矩，電機(jī)將工作在不穩(wěn)定狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速急劇下降直至停轉(zhuǎn)，如圖1所示.

圖1 異步電動(dòng)機(jī)的特性曲線

圖2 變化的異步電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性

一臺(tái)普通的異步電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性曲線(曲線1)與理想的驅(qū)動(dòng)特性(曲線2)只相交于C、B兩點(diǎn)，只有B點(diǎn)才是穩(wěn)定工作點(diǎn).在An1范圍內(nèi)異步電機(jī)雖然能穩(wěn)定運(yùn)行，但負(fù)載變化很大時(shí)，轉(zhuǎn)速變化卻很小(幾乎恒速)，故異步電機(jī)的特性必須進(jìn)行調(diào)節(jié)才能適應(yīng)負(fù)載的驅(qū)動(dòng)特性的要求.因此，異步電動(dòng)機(jī)必須有多條(不同供電條件下)機(jī)械特性曲線和理想驅(qū)動(dòng)特性相交，把這些交點(diǎn)(共5點(diǎn))連接起來，就成為一條模擬的理想驅(qū)動(dòng)特性曲線.(如圖2所示)這時(shí)就可以得到一系列穩(wěn)定的工作點(diǎn)，從而滿足負(fù)載特性的要求.但是，在確定供電的條件下(固定的電壓、頻率)只能對(duì)應(yīng)一條特性曲線，欲得到多條(圖2所示共5條)特性曲線必須使供電電壓、頻率連續(xù)的變化，相應(yīng)的得到連續(xù)變化的特性曲線，異步機(jī)的調(diào)速原理就是從這一思路出發(fā)的.

由電機(jī)學(xué)可知，異步機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為

由式(1)可知異步機(jī)的調(diào)速方法有三種:①改變極對(duì)數(shù)p調(diào)速用繞組連接來實(shí)現(xiàn)的;②改變轉(zhuǎn)差率s調(diào)速;上述兩種只能局部不連續(xù)調(diào)整轉(zhuǎn)速，不可取;③改變供電頻率f調(diào)速.

此法和上述兩種方法有本質(zhì)的不同，以改變定子供電頻率來改變電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速達(dá)到調(diào)速的目的，在調(diào)速過程中無論在高速或低速都保持著有限的轉(zhuǎn)差率，因此具有高效率、調(diào)速范圍廣、調(diào)節(jié)精度高等優(yōu)點(diǎn)，是理想的調(diào)速方法.這是通過大功率可關(guān)斷晶閘管組成的PWM調(diào)制逆變器來實(shí)現(xiàn)的，門控是微機(jī)實(shí)時(shí)控制的.

2 電鏟電氣系統(tǒng)主電路

電鏟電氣系統(tǒng)主電路主要部分是由電網(wǎng)側(cè)的四象限脈沖整流器和電機(jī)側(cè)逆變器構(gòu)成，分別對(duì)其予以簡單的討論.

2.1 兩點(diǎn)式及三點(diǎn)式逆變器

本電鏟是采用的兩點(diǎn)式逆變器，也稱之為二級(jí)逆變器.其特點(diǎn)是把中間回路正極或負(fù)極的電位接到電機(jī)上.隨科技進(jìn)步，目前的電路中，已采用多點(diǎn)式逆變器，其中以三點(diǎn)式電路具有明顯的優(yōu)點(diǎn).它除具備兩點(diǎn)式的特點(diǎn)外，還能把中間直流電壓回路中點(diǎn)電位送到電機(jī)端，故此也稱中點(diǎn)嵌位逆變器，其中主要優(yōu)點(diǎn):①功率元件的阻斷電壓被限制在輸入端直流電壓的一半，即可以提高中間直流回路電壓1倍(對(duì)元件使用有利);②比兩點(diǎn)式逆變器的諧波分量少，在一個(gè)周期內(nèi)前者電路只有7種狀態(tài)，后者有19種.因此有利于減少相鄰兩種電路間轉(zhuǎn)換時(shí)引起的電壓、電流波動(dòng).從而有利降低損耗、提高電動(dòng)機(jī)和系統(tǒng)的效率，減少轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng).

2.2 四象限脈沖整流器

這個(gè)環(huán)節(jié)的功能是為了改善電鏟系統(tǒng)的功率因數(shù)和減少諧波對(duì)電網(wǎng)的干擾.因此在電鏟交—直—交主電路除電機(jī)側(cè)有逆變器外，在電源側(cè)還設(shè)有四象限脈沖整流器.從本質(zhì)上講，它是按升壓交－直流斬波方式工作的整流器，所以它也常稱作脈沖整流器.它又能在電壓、電流平面上所有四個(gè)象限中工作(正反向電動(dòng)、正反向再生狀態(tài))，所以稱四象限脈沖整流器.圖3是四象限脈沖整流器原理電路圖.同樣，它與PWM逆變器相比較，也有兩個(gè)橋臂組成.每個(gè)橋臂電路的控制方法也相類似，即由三角波與正弦調(diào)制波的交點(diǎn)來決定橋臂中的上下功率元件的換流時(shí)刻.兩個(gè)平行的橋臂中的正弦調(diào)制波相位互差180°.由于電源側(cè)回路電感(變壓器的漏感)作用:可使中間回路直流電壓Ud高于整流橋(D1—D4)所產(chǎn)生的整流電壓，如式(2).

圖3 四象限脈沖整流器原理電路圖

式中，UN－m為交流網(wǎng)壓峰值.譬如在正半波時(shí)，(圖3中U端為正、V端為負(fù))觸發(fā)T2，變壓器次邊繞組通過T2—D4短接，由于變壓器具有相當(dāng)大短路阻抗(對(duì)于50 Hz供電網(wǎng)，通常短路阻抗UK＞30%)，所以電流上升率被抑制.此刻讓T2重新關(guān)斷，于是，變壓器的次邊電壓再加上其漏感儲(chǔ)能形成的電壓，它比中間直流回路的電壓要大，所以電流從變壓器經(jīng)D1、D4流入中間回路.這正是上述的交直升壓斬波的結(jié)果，較低的變壓器的次邊電壓可以把中間直流回路電壓抬高130%.對(duì)于負(fù)半波也可類推.

如果為進(jìn)一步改善電網(wǎng)質(zhì)量，提高其功率因數(shù)，可以把幾組四象限脈沖整流器錯(cuò)開相位進(jìn)行斬波(如相互相位移90°)，從而可以成倍的提高斬波頻率.四象限脈沖整流器改善電鏟系統(tǒng)的功率因數(shù)原理簡述如下:系統(tǒng)的功率因數(shù)

式中，μ為系統(tǒng)功率因數(shù);cosφ為相位系數(shù) ;λ為電流畸變系數(shù).

通過調(diào)制，可使直流電壓Ud在電源回路U、V端產(chǎn)生工頻交流正弦電壓Us1.通過對(duì)Us1相位和幅值的控制，可以達(dá)到電源側(cè)回路內(nèi)電流IN與網(wǎng)壓UN同相位，即基波相位系數(shù)等于1，同時(shí)因調(diào)制頻率足夠高，或電網(wǎng)側(cè)(變壓器)漏感LN足夠大可抑制電流畸變，即電流畸變系數(shù)λ≈1，如此μ=λ·cosφ ≈1.

圖4(a)為四象限脈沖整流器等值電路圖，圖4(b)為其向量圖.

圖4 四象限脈沖整流器調(diào)節(jié)的等值電路及其向量圖

四象限脈沖整流器調(diào)制電壓的基波分量為

假定四象限脈沖整流器和中間儲(chǔ)能的損耗忽略，那么，交流端和直流端的功率在每時(shí)刻都必須相等，即

式中，i為四象限脈沖整流器流出的電流(見圖4)，把上述關(guān)系代入，可有如下式

式中直流分量

而式(10)為兩倍網(wǎng)頻的交流分量，可以通過串聯(lián)諧振電路L2、C2慮除掉.

必須指出，有限的調(diào)制開關(guān)頻率和確定供電網(wǎng)絡(luò)漏感下(變壓器漏感)LNus除了基波分量us1外，還包含更高次諧波分量，在供電網(wǎng)中同樣也存在高次諧波分量.所以，即使cosφ=1，但由于λ＜1，供電網(wǎng)的功率因數(shù)μ也略＜1，從電鏟說明書上看到μ=0.955的數(shù)據(jù)是可信的，合理的.

4 結(jié)論

2951-BⅢ 型電鏟是一個(gè)典型的交—直—交傳動(dòng)系統(tǒng)，其精華所在就是接電源側(cè)的四象限脈沖整流器，能把制動(dòng)能量回饋給電網(wǎng)，以供給平行作業(yè)的其他設(shè)備的電鏟，可見節(jié)約能源是本設(shè)備的最大優(yōu)勢(shì)。在負(fù)荷低的工況下自動(dòng)(程序)斷開與電網(wǎng)聯(lián)接，轉(zhuǎn)換為能耗制動(dòng)，作為突出重點(diǎn)來維持電網(wǎng)側(cè)高的功率因數(shù)，這不但可以改善本系統(tǒng)的功率因數(shù)，也可以減少諧波電流對(duì)電網(wǎng)的干擾(不污染電網(wǎng)，釀成公害).本設(shè)備的設(shè)計(jì)思想是很可貴的.其次是在電機(jī)側(cè)的逆變器為三點(diǎn)式(或多電平式)可更會(huì)有效的減少諧波分量，以利于降低損耗，提高電機(jī)和系統(tǒng)效率，減少轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)以錦上添花.

［1］范國偉.電機(jī)原理與電力拖動(dòng)［M］.北京:人民郵電出版社，2012.

［2］陳勇，羅平，向敏.電力拖動(dòng)與控制［M］.北京:人民郵電出版社，2011.

［3］王兆安，劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［4］馮曉云.交流傳動(dòng)及其控制系統(tǒng)［M］.北京:高等教育出版社，2009.

嗎:B

1673-9590(2014)03-0118-03

10.13291/j.cnki.djdxac.2014.03.028

2013-05-04

盧利虹(1962－)，女，講師，學(xué)士，主要從事電氣工程技術(shù)及設(shè)備的研究

E-mail:dq－llh@163.com.