劉 濤

(山西省信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司，山西 太原 030012)

0 引言

雙定子異步電動(dòng)機(jī)采用獨(dú)立磁路的兩定子結(jié)構(gòu)，兩定子繞組的電壓相量易于控制且具曲折轉(zhuǎn)移的條件，能使在同一磁路中的兩個(gè)轉(zhuǎn)子繞組的合成電勢作相應(yīng)變化，進(jìn)行電機(jī)的調(diào)速[1]。

東方電機(jī)公司研制了1 000 kW做為球磨機(jī)配套用的雙定子異步電機(jī)。其起動(dòng)電流為3.4倍額定電流，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩達(dá)1.8倍額定轉(zhuǎn)矩。兩個(gè)定子繞組在起動(dòng)時(shí)串聯(lián)，使兩定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場在空間的相位差為60度，每一籠型轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中的感應(yīng)電勢就有相位差，連接轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的中間環(huán)中有電流流過，這等效于在轉(zhuǎn)子回路中串入電阻增加阻值而產(chǎn)生較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。ZL雙異步電動(dòng)機(jī)組合移相調(diào)速裝置，對(duì)兩臺(tái)繞線式異步電機(jī)供電，將轉(zhuǎn)子繞組經(jīng)滑環(huán)聯(lián)接成串聯(lián)回路，再將副電機(jī)的三相定子繞組串聯(lián)電容器與逆變器連接，如此隨逆變器的移相控制，可逐漸改變兩定子繞組之間的電勢相量，進(jìn)而改變兩串聯(lián)轉(zhuǎn)子繞組的合成電勢相量及轉(zhuǎn)子電流的變化，從而改變同軸的兩電機(jī)的轉(zhuǎn)速。這種調(diào)速技術(shù)所用設(shè)備僅為三只串聯(lián)的電容器和由普通晶閘管構(gòu)成的逆變器，具有調(diào)速中同時(shí)調(diào)節(jié)功率因數(shù)的優(yōu)點(diǎn)，但存在因三相電路結(jié)構(gòu)較復(fù)雜與造價(jià)較高的缺點(diǎn),如能設(shè)法將三相轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)改為單相調(diào)節(jié)，并在調(diào)速中同時(shí)進(jìn)行電容內(nèi)補(bǔ)償，則可大大簡化電路結(jié)構(gòu)和降低調(diào)速設(shè)備的造價(jià)[2]。

1 系統(tǒng)分析

1.1 雙電機(jī)組合主電路接線方式

圖1是雙異步電機(jī)的雙定子和雙籠型組合轉(zhuǎn)子主電路原理圖，做到改三相控制為單向控制。電路包括雙定子繞組聯(lián)接回路、雙轉(zhuǎn)子繞組聯(lián)接回路、電容器和調(diào)節(jié)器。所述的雙定子繞組聯(lián)接回路是主定子繞組Wa1、Wb1、Wc1與副定子繞組Wa2、Wb2、Wc2，采用Wa1與Wa2、Wb1與Wb2、Wc1與Wc2分別的兩繞組首端相聯(lián)而對(duì)應(yīng)引出三個(gè)接線端A2、B2、C2，并用Wa1與Wb2、Wb1與Wc2、Wc1與Wa2兩繞組末端分別相聯(lián)方式構(gòu)成閉合電路，在其相聯(lián)點(diǎn)引出三個(gè)調(diào)節(jié)端A01、B01、C01，還將三個(gè)接線端A2、B2、C2經(jīng)三相交流開關(guān)K1聯(lián)接至電源端A1、B1、C1；雙轉(zhuǎn)子繞組回路是將兩個(gè)鼠籠轉(zhuǎn)子的導(dǎo)電條一一對(duì)應(yīng)相互聯(lián)接，具體將主轉(zhuǎn)子導(dǎo)電條的W11至W1n與副轉(zhuǎn)子導(dǎo)電條W21-W2n分別聯(lián)接而成加長型籠型結(jié)構(gòu)，或是將兩個(gè)繞線轉(zhuǎn)子的三相繞組Wa10與Wa20、Wb10與Wb20、Wc10與Wc20、分別串聯(lián)而成三相串聯(lián)星形接線；所述的調(diào)節(jié)器是用整流管D1與D4、D3與D6、D5與D2聯(lián)成三個(gè)橋臂，其三個(gè)輸入端聯(lián)接于調(diào)節(jié)端A01、B01、C01，在整流橋直流兩端以正端接正極方式聯(lián)接一只可關(guān)斷電力電子器件T1；所述的電容器是用三只單相電容器C02、C03、C01依次聯(lián)接在A01與B2、B01與C2、C01與A2三對(duì)接線端之間。三只單相電容器C01、C02、C03的額定電壓是異步電動(dòng)機(jī)額定相電壓值的1-1.2倍，總?cè)萘恐蹬c副電機(jī)額定功率值為0.4-1.2:1的比例；所述的調(diào)節(jié)器的可關(guān)斷電力電子器件T1是絕緣柵雙極晶體管IGBT或門極關(guān)斷晶閘管GTO，并用1-10 kHz的三角形載波頻率以恒頻調(diào)寬方式進(jìn)行PWM控制。

圖1 雙定子和雙籠型組合轉(zhuǎn)子主電路原理圖

1.2 工作原理淺析

基于異步電動(dòng)機(jī)的定子電壓決定其主磁通、其轉(zhuǎn)矩取決于兩定子合成磁通與組合轉(zhuǎn)子電流的乘積。利用磁路獨(dú)立的、雙定子三相繞組能夠在調(diào)節(jié)器的控制中發(fā)生電壓相量轉(zhuǎn)移，進(jìn)而控制串聯(lián)轉(zhuǎn)子繞組的合成電勢相量，從而達(dá)到簡易控制及調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。同相兩定子繞組的首端相聯(lián)而不同相兩末端相連的六個(gè)繞組閉合的組合接線，在調(diào)節(jié)器與電容器未投入時(shí)，由其三個(gè)串聯(lián)支路構(gòu)成串聯(lián)三角形電路，此時(shí)同相的兩定子繞組中的電流將相差π/3電角度且承受1/2線電壓數(shù)值，對(duì)應(yīng)的串聯(lián)轉(zhuǎn)子繞組在初期的感應(yīng)電勢值為全速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的0.75倍。當(dāng)三只電容器與三個(gè)副定子繞組并聯(lián)時(shí)，利用電容器電流與感性繞組中的電流相量接近于垂直的內(nèi)補(bǔ)償原理，可使主、副定子繞組中的電流相量對(duì)應(yīng)發(fā)生超前或滯后的分別接近轉(zhuǎn)移π/6的相角，由此在三只電容器的容量值與副定子繞組的功率值相當(dāng)時(shí)，便可在六個(gè)定子繞組的電壓相量接近于正六邊形。從而使同相兩定子繞組的電壓相量相差2/3π角度，對(duì)應(yīng)的串聯(lián)轉(zhuǎn)子的合成電勢值初期為全速時(shí)的0.25～0.5倍。在雙定子繞組受調(diào)節(jié)器控制而使其三個(gè)調(diào)節(jié)端的電壓值接近于零時(shí)，同相兩定子繞組分別接近同一電壓相位，期間的電容電壓較初始時(shí)超前約π∕3相角，電容器對(duì)所串聯(lián)的繞組與并聯(lián)繞組分別發(fā)生超前與滯后、且不對(duì)稱的電流相量疊加。經(jīng)調(diào)節(jié)器的接近純阻性的電流疊加，使并聯(lián)繞組的磁勢相量接近于超前π∕3相角，對(duì)應(yīng)的串聯(lián)轉(zhuǎn)子的合成電勢達(dá)到全速運(yùn)轉(zhuǎn)的100%。貫穿于主、副兩個(gè)定子鐵心中的鼠籠型轉(zhuǎn)子(或是同軸聯(lián)結(jié)且三相繞組按同相位及相同首端方向聯(lián)接的兩繞線轉(zhuǎn)子)，其導(dǎo)條(或串聯(lián)的轉(zhuǎn)子繞組)的合成電勢受控于兩定子繞組的合成磁勢和合成磁通，在兩定子的磁通數(shù)值變化較小而相位差變化較大的調(diào)節(jié)中，轉(zhuǎn)子發(fā)生與合成電勢相對(duì)應(yīng)的變化即同步轉(zhuǎn)速發(fā)生變化；根據(jù)異步電機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速正比于電磁功率而反比于轉(zhuǎn)矩的公式，電機(jī)具有25%～100%額定轉(zhuǎn)速的調(diào)速范圍時(shí)，在50%～100%額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，電機(jī)具有較高效率，用內(nèi)補(bǔ)償電容器的配合使得這種調(diào)速方法兼具經(jīng)濟(jì)性[3]。

1.3 調(diào)速和起動(dòng)

本電路的調(diào)速和起動(dòng)原理是在三相整流橋直流端聯(lián)接可關(guān)斷器件構(gòu)成的調(diào)節(jié)器中，用單個(gè)單向器件對(duì)三相電路中性端進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)，并以其平滑的脈寬調(diào)制方式對(duì)串聯(lián)三角形連接的雙定子繞組的三個(gè)調(diào)節(jié)端進(jìn)行電壓量的控制。當(dāng)調(diào)節(jié)端電壓逐漸接近于零時(shí)，雙電機(jī)的轉(zhuǎn)速接近于100%額定轉(zhuǎn)速。三只電容器不僅能以其電容電流與繞組感性電流疊加，使三個(gè)調(diào)節(jié)端與中性端的電壓接近于相電壓值，還能以電容電壓不能突變的特點(diǎn)，為可關(guān)斷器件的瞬間關(guān)斷，提供感性繞組的續(xù)流通路。調(diào)節(jié)器采用的PWM方式，是用頻率為1～10 kHz三角形載波頻率，與直流控制信號(hào)進(jìn)行比較，檢出頻率不變但脈寬變化的控制信號(hào)，使得T1以恒頻調(diào)寬方式工作。電容器移相作用，使調(diào)節(jié)端的電壓值接近相電壓值，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)端逐漸接近于零的調(diào)節(jié)過程。

如果將兩繞線轉(zhuǎn)子的三相繞組經(jīng)由滑環(huán)的三個(gè)接線端之間分別聯(lián)接起動(dòng)電阻，則利用起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子回路的電阻值接近于成正比的特點(diǎn)，而應(yīng)用于球磨機(jī)之類的重載起動(dòng)設(shè)備中，利用聯(lián)接于起動(dòng)電阻兩端的三相交流接觸器使其完成重載起動(dòng)后進(jìn)行短接。至于其調(diào)速，則是利用兩定子繞組電壓相量的相位差變化，組合轉(zhuǎn)子的合成電勢值相應(yīng)變化，從而使電機(jī)的空載轉(zhuǎn)速發(fā)生變化達(dá)到調(diào)速的目的，雙異步電機(jī)能以簡易的控制電路，進(jìn)行較寬范圍和較高效率的調(diào)速。

2 結(jié)語

本電路適用于共用加長籠型轉(zhuǎn)子的雙定子電機(jī)或剛性連結(jié)的雙繞線式轉(zhuǎn)子電機(jī)，在電容器的負(fù)向調(diào)速與調(diào)節(jié)器的正向調(diào)速中能夠在無功內(nèi)補(bǔ)償中，達(dá)到25%～100%額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)平滑調(diào)速運(yùn)行。本電路用整流橋調(diào)節(jié)器控制三相主、副定子繞組的電壓相量，在間接調(diào)節(jié)串聯(lián)轉(zhuǎn)子繞組合成電勢中來改變電磁轉(zhuǎn)矩，并用內(nèi)補(bǔ)償電容器的移相作用對(duì)雙定子繞組進(jìn)行負(fù)向調(diào)節(jié)進(jìn)行調(diào)速控制，具有控制簡單、裝置造價(jià)低、功率因數(shù)較高、節(jié)能效果較顯著等優(yōu)點(diǎn)。