一种高性能低成本的交流调速系统技术方案

一种高性能低成本的交流调速系统，涉及异步电动机调速、交－交变频、矢量控制技术。可控制被控的绕线异步电动机在其同步转速（ω↓［０］）上下４０％范围内实现平滑无级调速；电机定子侧直接接工频电网，转子侧则连接本调速系统的专用交流励磁电源；系统效率高，采用矢量控制方法将电机的电流分解成励磁分量和转矩分量分别控制，可以实现对转速和功率因数的分别独立调节，电机能稳定工作于功率因数为１甚至超前功率因数状态下；流过用作交流励磁电源的交－交或交－直－交变频器的仅仅是转差功率，而且转子侧工作电压、电流相对于定子侧均要低得多，只需要使用低压、小容量的变频器，成本低。

【技术实现步骤摘要】
一种高性能低成本的交流调速系统
  本专利技术涉及异步电动机调速、交-交变频、矢量控制技术。
技术介绍
目前我国经济迅速发展，但能耗问题却非常突出，每产生1美元产值要消耗的能量是发达国家的许多倍，因此高效的节能技术是我国目前急需开发的新技术。据统计，异步电动机的用电量占到电网总用电量的60％左右，而且大量的异步电动机考虑各种因素选择的容量偏大，从而造成电动机长期偏离高效运行点运行，效率非常低，造成了巨大的能源和设备浪费。另外异步电动机本身调速性能较差，不适应目前各种生产过程对电动机调速性能要求越来越高的形势，因此高性能的异步电动机调速技术也是急需开发的技术。本专利技术的目的是提供一种运行效率高、调速性能好、成本低的异步电动机调速系统。目前异步电动机调速大致有变极调速、转子串电阻调速、调压调速、变频调速和串级调速几种方案。其中变极调速方案只能有有限的几个转速，而且系统结构和操作复杂；转子串电阻调速方案效率低下；调压调速方案转速可调的范围很小；定子侧变频调速方案具有许多优点，但连接于电机定子侧的变频器价格昂贵，特别是用于高压大容量电动机调速的变频器，其容量必须大于电动机容量、耐压值必须超过电动机额定电压的几倍，故而实现和维护困难，价格也高，难以在国内推广；串级调速方案具有与直流调速系统相媲美的调速性能，尤其适合于调速范围不大的场合。最近十几年，工业发达国家对一种结合了变频调速和串级调速的交流调速系统进行了深入研究，这种系统一般称为双馈调速系统或交流励磁调速系统。其核心思想是使用变频器将输入的工频交流电变换成与转子感应电势频率相同的附加电势串入转子回路，由和转子电势共同作用产生转子电流I2，而异步电动机的转矩为    T＝CTJΦ1I2cos2因此，调节变频器使附加电势改变，就可以改变转矩，从而改变电动机的转速，转速变化会引起转子感应电势幅值、频率和相位的变化，系统就必须调节变频器的输出，使附加电势能跟随转子感应电势变化而变化。在这种系统中，能量在系统控制下可以通过变频器在电网与电机转子之间双向流动，理论上变频器不消耗能量，而且电机定子侧的功率因数可按需要任意调节，因此系统运行效率高；在控制上采用矢量控制技术，具有电机的转矩和励磁可以分别独立调节的特点，因此可达到与直流调速系统相媲美的调速性能；而且由于变频器工作于电动机的转子侧，其工作电压低、电流小、容量小，变频器制造成本低，适合在国内推广。但从各个方面检索到的信息来看，国内对此技术虽有大量的研究，但由于此技术较为复杂，涉及电力电子、电机学、控制理论、微机控制技术等多门学科的大量技术问题，国内的研究多仅限于计算机软件仿真或实验室部分功能的实验，尚未有将整个系统实现为一个成熟产品的。-->
技术实现思路
本专利技术在参考了国外双馈调速相关技术资料的基础上，进行了大量的理论分析和实验研究，研制成功了用于双馈调速的交-交变频器、具有矢量控制功能的控制器及它们与绕线式异步电动机组成的交流调速系统。在本系统中被控电机能在其同步转速(ω0)上下40％范围内实现平滑无级调速，即获得了电机同步转速80％的调速范围，而变频器容量仅需要略大于电机额定容量的40％即可，如果实际需要的调速范围较小则变频器容量还可以进一步下降。由于变频器工作于电机转子侧，其工作电压等级仅与电机转子感生电势的电压等级相当，而电机转速在同步转速附近时电机转子感生电势的电压很低(同步转速时为零)，因此变频器的电压等级可远低于电机额定电压，高压大容量电机的变频调速只需要使用低压小容量的变频器即可，系统成本低，且不需要依赖国外进口高压大容量变流器件。当使用特殊结构的两相垂直转子绕组的绕线式异步电动机时，控制方法与三相转子绕组电机完全类似，但励磁主回路及控制电路减少一相，结构更简单、成本更低。本专利技术中的交-交变频器可以实现能量的双向流动，根据电机的运行状态可以使电机输出的转差功率向电网回馈或由电网向电机馈入转差功率(即“双馈”)，没有无谓的能量消耗。另外，采用了矢量控制技术将转子电流I2分成励磁分量IM和转矩分量IT分别进行控制，调整转矩分量就可以按要求调整转速，而调整励磁分量则可以按要求调整电机定子侧的功率因数，两者的调节互不影响，因此在调速范围内的任何转速下，电机能稳定工作于功率因数为1甚至超前功率因数状态下，电机的效率高。由这两点可知，系统运行的效率也很高。当被控电机的功率因数为1时，定子侧电流和电压同相，定子电流全部用来做功，定子电流达到额定电流时电机的输出功率将超过异步电机的额定功率，此时由于电机的电压和电流均为额定值，电机完全可以在这种状态下长期运行，因此本系统除了使异步电动机获得优良的调速性能之外，还在不需要对电机做任何改造的情况使电机的容量有一定的增加。本专利技术的交流调速系统主要包括被控的绕线式异步电动机、作为交流励磁电源的变频器、对整个系统进行控制的控制器三大部分。本系统所使用的绕线式异步电动机，可以直接使用系列化生产的普通绕线式异步电动机，三相转子滑环引线可以具有3个或6个(可选Y形或△形连接)；也可以使用专门设计生产的绕线式异步电动机，其转子只有互相垂直的两相绕组，当该两相绕组通以互差90°的正弦交流电流时能产生圆形的旋转磁场(效果同普通对称三相绕组通以三相对称电流一样)，二相转子滑环引线具有4个。本专利技术的调速系统中的交流励磁电源，主电路可以采用AC/AC直接变频器或AC-DC-AC型间接变频器。当采用AC/AC直接变频器时，其具体连接形式可以是，反并联的三相可控零式整流电路、反并联的三相全控桥式整流电路、反并联的12脉波及以上多相可控整流电路、三相不可逆桥通过电抗器串接而成的三角形交-交变频电路、矩阵式交-交变频电路等。当采-->用AC-DC-AC型间接变频器时，中间以电容或电容加电感作为直流储能元件，而两端的AC/DC和DC/AC两个能量变换器则可根据实际情况选用两个可逆整流器(能量双向流动、转速全范围调节)、电网端可逆整流器和电机端不可逆整流器(成本较低、能量只能从电机向电网单向流动、转速只能在同步转速以下范围内调节)、电网端不可逆整流器和电机端可逆整流器(成本较低、能量只能从电网向电机单向流动、转速只能在同步转速以上范围内调节)等不同的主电路拓扑结构。控制器包含一个转子串频敏电阻异步启动的启动装置，及一个电机启动后切除该频敏电阻并将所述交流励磁电源接到电机转子侧的投励装置；控制器还包括一个零电流检测及无环流换向电路，该电路检测交流励磁电源的各相输出电流，在电流过零时进行工作组与等待组的无环流切换，保证主电路为反并联结构且按无环流方式工作的交流励磁电源能可靠工作，若采用其他结构的交流励磁电源可不用此电路；控制器还包括一个转子电流检测器，由该检测器检测到的电流信号将用来进行电流闭环控制，以获得对电流的精确控制，从而获得极好的动态调速性能；控制器还包括一个转速检测器，所述控制器根据该转速检测器检测到的转速信息调整所述交流励磁电源的输出，使被控电机的转速向期望转速变化(调速时)或稳定不变(稳速运行时)；控制器还包括一个转子感生电势的相位检测器，由该检测器检测到的相位信号将作为核心参数进行矢量变换的运算；控制器还包括一个定子侧功率因数检测器，所述控制器根据该功率因数检测器检测到的功本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高性能低成本的交流调速系统，包括一个被控的绕线式异步电动机、一个给该电动机提供交流励磁的励磁电源和一个控制系统运行的控制器，其特征在于，被控电机采用绕线式异步电动机；调速系统可控制该电机在其同步转速（ω↓［０］）上下４０％范围内 实现平滑无级调速；电机定子侧直接接工频电网，转子侧则连接本调速系统的专用交流励磁电源。

【技术特征摘要】
1.一种高性能低成本的交流调速系统，包括一个被控的绕线式异步电动机、一个给该电动机提供交流励磁的励磁电源和一个控制系统运行的控制器，其特征在于，被控电机采用绕线式异步电动机；调速系统可控制该电机在其同步转速(ω0)上下40％范围内实现平滑无级调速；电机定子侧直接接工频电网，转子侧则连接本调速系统的专用交流励磁电源。2.根据权利要求1所述的绕线式异步电动机，其特征在于，是系列化生产的普通绕线式异步电动机，三相转子滑环引线可能具有3个或6个(可选Y形或△形连接)；或者是专门设计生产的绕线式异步电动机，其转子只有互相垂直的两相绕组，当该两相绕组通以互差90°的正弦交流电流时能产生圆形的旋转磁场(效果同普通对称三相绕组通以三相对称电流一样)，二相转子滑环引线具有4个。3.根据权利要求1所述的电机的调速范围，其特征在于，被控电机的最低转速能达到其同步转速ω0向下调40％(即转速为60％×ω0)，而最高转速能达到其同步转速ω0向上调40％(即转速为140％×ω0)；在该范围内，电机转速可以平滑无级调节，即电机可以工作于调速范围内的任意转速，也包括同步速ω0。4.根据权利要求1所述的交流励磁电源，其特征在于，主电路采用AC/AC直接变频器，其具体连接形式可以是，反并联的三相可控零式整流电路、反并联的三相全控桥式整流电路、反并联的12脉波及以上多相可控整流电路、三相不可逆桥通过电抗器串接而成的三角形交-交变频电路、矩阵式交-交变频电路等；主电路或者采用AC-DC-AC型间接变频器，中间以电容或电容加电感作为直流储能元件，而两端的AC/DC和DC/AC两个能量变换器则可根据实际情况选用两个可逆整流器(能量双向流动、转速全范围调节)、电网端可逆整流器和电机端不可逆整流器(成本较低、能量只能从电机向电网单向流动、转速只能在同步转速以下范围内调节)、电网端不可逆整流器和电机端可逆整流器(成本较低、能量只能从电网向电机单向流动、转速只能在同步转速以上范围内调节)等不同的主电路拓扑结构。5.根据权利要求1、4之一所述的交流励磁电源，其特征在于，当被控电机为权利要求2所述的两相转子绕组结构电机时，交流励磁电源的主电路拓扑结构可从三相输出减少到两相输出，成本约下降1/3...

【专利技术属性】
技术研发人员：许正望，
申请(专利权)人：许正望，
类型：发明
国别省市：83[中国|武汉]