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词条 串级调速
释义

串级调速源于英语“cascade control”,意为“级联控制”,系指当时异步机转子与外附的直流电动机两级联接所形成的调速,虽然后来改进,用静止的电力电子变流装置和变压器取代直流电动机,但串级调速的称谓被习惯地沿用下来。

串级调速的再讨论

前言

十几年前,串级调速作为一种高效率的交流无级调速曾经盛行一时,随着近代变频调速的兴起,串级调速日渐萧条,被误认为是落后的调速技术。串级调速真的比变频调速逊色吗?实际上,串级调速在效率、机械特性等本质方面,和变频调速几乎是完全一致的,而且高压串级调速的经济性明显优于变频调速。尤其在高压大容量风机泵类节能方面,串级调速的某些优势表现的更为明显。实践是检验真理的唯一标准,在近代工业迫切呼唤交流调速发展的今天,尤其是风机水泵调速节能迫在眉睫,我们应该反思,如此轻率地放弃串级调速是否明智?

如何评价交流调速技术的优劣,不同的需求有不同的标准。但普遍的共识是:

⑴ 效率高;

⑵ 调速平滑即无级调速;

⑶ 调速范围宽;⑷调速产生的负面影响(如谐波、功率因数等)小;

⑸成本低廉。

如果把高压型变频调速和串级调速应用作以对比,就会发现变频调速并非如我们期望的那样理想,而串级调速也不象我们评价的那样逊色。

理论是指导实践的基础。之所以产生上述情况,主要原因是调速理论误导所致,当然,也和串级调速当时技术上存在缺陷有关。调速理论界大多认为,串级调速的理论问题已经彻底弄清楚了*,实际未必尽然。例如,为什么串级调速的同步转速不变而理想空载转速却改变?为什么转子串电阻的机械特性是汇交于理想空载转速的软特性曲线,而串级调速却是平行的硬特性曲线?转差功率回馈为什么会导致理想空载转速的改变?诸多问题,无论是传统还是近代的调速理论,都没有对此做出完整、科学的解释,串级调速一直局限在变转差率原理的束缚中,被结论为是区别而且逊色于变频的调速。

具有相同结果的不同方法,必然遵循共同的规律。既然串级调速和变频调速有一致的调速特性,调速原理就不应该是对立而是统一的。在事实与理论发生碰撞的情况下,我们只有尊重事实反思理论。

本文根据作者提出的交流调速功率控制原理,从理论上重新分析、讨论了串级调速,并指出,串级调速与变频调速是殊途同归的,两者同属于电磁功率控制原理,除了调速控制的对象不同之外,原理上是完全一致的。本文同时分析了串级调速技术上存在的问题和不足,并结合作者的多年实践——内馈调速及斩波控制,指出了串级调速的改进要点和发展方向。

一. 串级调速原理的再认识

1. 传统理论的质疑与商榷

认为串级调速从属于变转差率原理,是根据传统电机学的异步机转速公式

(1)

而得出的。但深入分析,这个表达式却只是个人为的定义式,并非公式。不仅不能作为串级调速的理论依据,也不能成为其他交流调速的指导公式。公式是客观规律的数学表达形式,它只能产生于科学分析和实践,而不能产生于人为的定义。

传统电动机学的异步机转速表达式是这样建立的,首先定义转差率s,

令 (2),

式中: n1为同步转速;

n 为机械转速。

由式(2),经代数变换得

(3)。

由于初等变换不改变等式性质,可见表达式(3)仍然是定义式,它是式(2)的另外一种表达形式。

又,由于

(4)

将式(4)代入定义式(3),于是有表达式(1)。

应该注意,式(3)与式(1)没有本质区别,尽管式(4)是公式,但它仅仅起到参数变换作用,并没有改变式(1)、(3)的定义式性质。因此转速表达式(1)只是人为的定义式,并非公式,自然不能成为交流调速的理论依据,否则就犯了基本的逻辑错误。

另外,转差率改变与否和调速性能的优劣并没有明确的关系,不能把转差率当作效率。转差功率定义为 ,系指电磁功率中没有转化为机械功率的部分,至于是否成为损耗,并未确定。在自然运行时,可以狭义地认为转差功率就是损耗功率,而扩展到调速,例如串级调速,转差功率可以以电能形式传输,并不成为损耗而降低调速效率。实际的交流调速也不能简单地依照表达式(1)进行,例如单纯地改变频率而不改变定子电压,当频率低于额定值时,电机将剧烈发热,不能正常运行;又如,只改变极数而不相应改变有效串联匝数,电机同样无法工作。以上两例都是依循表达式(1)操作的,结果却遭失败,如果公式是科学的,绝不应该出现这样例外。

2. 交流调速的功率控制原理(P理论)

为了探求异步机调速的实质,以及便于深入分析,应首先建立异步机的物理模型。

根据异步机的能量转换与传输原理,异步机等效于图1的功率圆模型。

图1A鼠笼转子的异步机模型 图1B 绕线转子的异步机模型

电动机是将电能转化为机械能的设备。异步机的定子与电源相联,从中吸收电功率P1,同时吸收感性无功功率建立旋转磁场。旋转磁场的主要功能是将定子的电磁功率传输给转子,转子则将电磁功率转化为机械功率,因此,旋转磁场可等效为联接定、转子的功率传输通道,为与电传导方式相区别,称为感应通道。主磁通 是电磁感应中极为重要的参数,可以形象地认为是感应通道畅通与否的标志,为了保证感应通道畅通,应使主磁通保持设计伊始的常量,否则将使功率传输的损耗增大,并且影响电机的转矩性能。

定、转子之间传输的电功率称为电磁功率,也是转化为机械功率的源泉。定子的电磁功率为

(5),

即输入功率与损耗功率之差,转子的电磁功率则为

(6),

为机械功率与转子损耗功率之和。应该注意,定、转子的电磁功率相等,只是表达形式不同。

对于鼠笼型异步机,转子电压和电流是短路、封闭的,不能为外界所控制,因此,鼠笼型异步机转子只有一个机械输出端口。绕线型异步机的转子则是开启的,并受外部控制才能形成电气回路,因此具有机械和电气两个输出端口。

转速产生于转子,因此是调速的主要分析对象。根据力学原理,异步机的角速度

(7),

其中:PM为异步机机械功率;

T为输出转矩。

根据异步机的能量转换与守恒,转子的功率方程为

(8),

其中:Pem为异步机转子的电磁功率;

为转子的损耗功率。

因此,异步机输出角速度表为

(9)。

式中的 (10),

称为理想空载角速度;

(11),

称为角速度降。

量纲变换后,有

(12),

式中的 (13),

即为理想空载转速;

(14),

为转速降。

异步机的理想空载转速表达为电磁功率与电磁转矩之比,其含义是:在假定转子无损耗的理想状态下,异步机的全部电磁功率都转化为机械功率所能获得的转速。由于这种假设只有在理想空载的条件下才能实现,故称理想空载转速。理想空载转速取决于电磁功率,是异步机调速非常重要的参量。转速降即为转速损失,取决于损耗功率。

按照公式(7),转矩T似乎也应该成为调速的控制参量,实际上是不可能的。电机稳定运行必须遵循转矩平衡方程式,即电磁转矩与负载转矩相等

(15)。

负载转矩是由机械负载本身性质决定的,既不取决于电机性能也不取决于调速与否,电磁转矩只能服从客观存在的负载转矩,不能随意改变,否则,破坏了转矩平衡方程式,电机将无法稳定运行。

由此可见,交流调速的实质在于控制其机械功率,电气上有电磁功率控制和损耗功率控制两种原则。电磁功率控制改变的是理想空载转速,机械特性为平行曲线,是高效率节能型调速;而损耗功率控制则是增大转速降,机械特性为汇交曲线,是低效率的耗能型调速。调速性能取决于调速原理,选择定子控制还是转子控制,仅仅是对象的不同,并没有本质的区别。以上就是交流调速的功率控制原理,为了便于称谓,简称为P理论。根据电机学原理,异步机转子的电磁功率和电磁转矩方程为

(16);

(17)。

其中,转矩系数 (18)。

根据功率控制原理所得出的公式(10),异步机的理想空载角速度为

(19),

其中的电势系数: (20)。

换算成每分钟转速,同乘以 ,有

(21),

其中的转子电势系数 (22)。

表明异步机的理想空载转速与转子开路电势E2成正比,与主磁通量 成反比。至于电势系数,在电机设计制造时已确定,可以当作常量,改变理想空载转速可以通过:

1) 恒磁调压方法。即,使主磁通 不变,调节转子电压(电势)。

2) 恒压弱磁方法。即,使转子电压不变,减小主磁通。

改变转子电势有电传导和磁感应两种方法,电传导方法用于转子控制调速,其理想空载转速为

(23);

感应法用于定子控制调速,理想空载转速则为

(24)。

公式(23)(24)物理意义鲜明,具有普遍性,实际上,变频调速、串级调速、以及将介绍的内馈调速等高效率交流调都是依据该公式实现的。

3. 串级调速的功率控制原理

串级调速是基于转子的电磁功率控制调速,其系统原理如图2 所示,

附图2 串级调速的功率控制原理

串级调速的功率控制原理是:从转子入手控制异步机的电磁功率,从而改变理想空载转速。当转子的部分功率被移出,总的电磁功率减小,理想空载转速降低,是一种低同步调速系统。

如果转子通过电传导另外得到的部分功率,总的电磁功率增加,理想空载转速将超过同步转速,实现超同步调速。这种能够实现两个方向功率控制的系统,即可实现低同步和超同步两种调速,称为双馈调速。

利用功率控制原理推导出的公式(23) ,可以使串级调速得到简明、量化的分析。通过电传导的方法在转子回路串联附加电势Ef,可以改变转子的合电势,从而改变理想空载转速。而磁通由定子电势和频率决定,故不改变。于是串级调速实现恒磁通(即恒转矩)的高效率的无级调速。

应该指出,改变理想空载转速才是调速的关键所在,至于同步转速改变与否并不重要。在串级调速中,理想空载转速可调,而同步转速不变,事实证明了理想空载转速与同步转速没有必然的联系。

与高压交流调速的定子控制(变压变频)对比,作为转子控制的串级调速具有以下优点:

 高压调速,低压控制。经济、可靠。

 控制装置功率小于电机功率,可以在调速范围满足需求的前提下,减小控制装置的容量。

 一元控制,技术简单。主磁通自然恒定,只需单一控制附加电势。

 调速控制与机械输出成并联关系,故障时可以短路转子,旁路控制装置,使异步机自然运行,提高系统运行可靠性。

 谐波畸变小。由于转子与定子的气隙隔离作用,定子电流的畸变较小。

当然,转子控制也存在明显的缺点,就是滑环和电刷问题。一方面使电机成本增高(约比鼠笼机高出10—15%),另外增加了电机维护量(大约每运行一年左右需要更换电刷)。要实现转子无刷控制,技术难度较大。但可以改进电刷和滑环的工艺和材料,减小维护,提高寿命,目前这一目的已经实现。

二. 串级调速存在的问题与缺点

必须承认,串级调速在实践中取得过较大的成功,但也暴露出很多问题和缺点。为了使串级调速得以发展,除了在理论上给予正名之外,重点还应分析出问题和缺点的原因,进而采取有效的改进措施。

串级调速存在的问题可以归结为两个方面,一个是回馈方案问题,另一个是变流控制问题。

1. 回馈方案问题

1) 电转差功率的无谓循环

这是较为突出的问题。在串级调速系统中,电转差功率以电能的形式由定子从电网中吸收进来,又以同样的能量形式反馈电网,显然是一种无谓的功率循环。这种无谓循环的结果,一方面是增大了损耗降低效率。另外更为不利的是加重了定子的负担。在串级调速系统中,电机定子绕组的功率为

(25)。

当机械功率随转速降低而减小时,电转差功率却相应增大,特别是恒转矩负载时,定子有功电流只与负载相关,不随转速而变,于是导致低速时定子严重发热,甚至不能正常运行,因此,尽管串级调速具有恒转矩调速特性,但却很少在恒转矩负载上应用,使串级调速的使用范围受到限制。对于风机水泵类负载,电流正比于转速的平方即 ,这个问题表现不是很突出,因此串级调速多应用于风机水泵调速。

2) 外附变压器

逆变变压器是串级调速不可或缺的设备,作用是产生与转子电势相匹配的附加电势。逆变变压器的存在,使系统的体积增大,成本提高,同时也产生损耗。

表面上回馈方案的缺点产生于“串级”,实质问题是电机调速的内因不足,自身不能为调速提供附加电势,因此必须依靠外附的设备和电源,结果使电机的能量保守性被破坏,造成电转差功率的外泄,同时又使系统复杂化。

2. 变流控制问题

与回馈方案问题相比,变流控制问题更为突出,其中,主要集中表现在有源逆变器环节上。

1) 功率因数问题

受技术条件限制,当时串级调速的变流控制多采用图3的移相控制主电路。该电路由整流器和有源逆变器两大部分构成,电抗器是为了电流连续所必需的。

图3 移相控制的变流电路

根据功率控制原理,装置的任务有二:一是频率变换。由于转子电压的频率是变化的, ,而逆变交流电源的频率恒为工频,不同频率的电源无法实现有功功率交换,因此,要把转子的频率随转速而变的电转差功率馈入工频的电网,必须进行频率变换,使之统一;二是回馈功率控制。转速随从转子转移出的功率即回馈功率而变,回馈功率越大,转速越低,反之转速越高。为了实现无级调速,必须对回馈功率的大小连续的控制。

电路的频率统一是通过“交-直-交”变换完成的,性能良好,问题出在电转差功率控制上。

忽略变流控制的损耗,转子的电转差功率和回馈功率相等,从有源逆变器的交流输出端观察,结合变流技术理论,回馈基波功率为

(26)。

式中的UK和IK分别为逆变变压器副边的相电压和电流, 为控制角,即UK、IK之间的相角, 为逆变角,且有 。为简化分析,忽略了波形畸变的影响。

分析发现,要改变图3电路的 大小,式中除了功率因数角 之外都不可调,理由是: 取决于变压器副边线圈匝数,一经制造完成不可改变;逆变电流 就是转子电流 ,而转子电流取决于负载,无法改变;至于相数 自然也是确定的常量,于是电转差功率就只有通过改变逆变角 调节,故称移相控制。实际上,移相控制是人为地改变电流与电压的相角度,受晶闸管自然换向的限制,电流总是滞后电压的,因此,移相触发在调节有功功率的同时,必然产生相应的感性无功功率。

在改变逆变角时,有功功率按公式(26)变化,同时产生感性无功功率

(27)。

这部分无功功率是人为移相控制所产生的,它将导致系统的功率因数降低,特别是逆变角接近90○时,逆变器的功率因数几乎为零,平均系统的功率因数仅为0.2左右 ,使调速性能受到不利影响。

2) 可靠性问题

移相控制另外的主要缺点是可靠性较差。与可控整流电路不同,有源逆变器对换向的要求是非常严格的,任何换向失误,都将导致逆变颠覆也就是严重短路的后果。造成换向失败的原因主要有:

 脉冲电路的响应与抗干扰

移相控制是通过脉冲移动调节转速的,有源逆变器又对触发脉冲的可靠性要求十分严格,于是产生移相响应和抗干扰的矛盾。从控制角度,要求脉冲移相具有快速响应性,因此电路惯性环节小。而抗干扰则要求电路具有时间常数较大的滤波环节,电路无法同时满足这两个相互矛盾的要求,只能牺牲抗干扰性能。特别是限于串级调速当时的历史条件,脉冲控制电路主要由分立器件构成,很多高性能的数字化电路还无法实现,导致脉冲移相电路的可靠性降低。

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