泵站電機交流勵磁調速的控制技術

1引言

為減少洪澇災害，我國在大江大河流域建設了許多電力排灌站。一般電力排灌站設計為固定揚程。在洪澇期間，外江水位超過設計揚程時，泵站被迫停機，使內河漬水不能及時排出，給國家和人民財產帶來嚴重損失。如果此時能使電機超同步運行如提速5％，則水泵揚程可提高10％左右，這可在很大程度上解決水泵因外江水位過高而被迫停機的問題，減少內河澇災損失。因此實現(xiàn)此類電機的超同步運行具有很大的社會與效益。

由于泵用電動機定子側供電電壓為高壓，在定子側采用變頻調速時，調速設備價格昂貴，且升速受供電電壓限制。如采用雙饋調速，則因泵機要求調速范圍有限（僅為±10％），變頻設備容量比在定子側調速要小得多，經濟上合算。采用雙饋調速的另一個重要優(yōu)點是：它從電網(wǎng)吸收的無功功率可通過調節(jié)勵磁電流的大小及相位進行調整，即電機的功率因數(shù)可調，還可進相運行。由于該類泵站機組數(shù)量大，所以采用此技術以后，對節(jié)約電能及改善當?shù)仉娋W(wǎng)功率因數(shù)將起到重要作用。

交流勵磁雙饋調速電機轉子變頻器既可選用交直交變頻器，也可選用交交（AC/AC）變頻器。由于交交變頻器低頻運行時性能優(yōu)于交直交變頻器，因此泵站電機雙饋調速采用交交變頻是十分合適的[1][2][3]。本文介紹采用三相零式交交變頻、以16位單片機為控制核心并采用現(xiàn)場可編程芯片作為存儲器與邏輯電路實現(xiàn)的調速系統(tǒng)設計方案，提出了以期望的功率因數(shù)為參數(shù)、對轉速進行反饋調節(jié)時轉子電流幅值、相位等給定值的計算方法，給出了系統(tǒng)的軟硬件設計。

2系統(tǒng)結構

雙饋調速系統(tǒng)由線繞電機M、勵磁變壓器T、交交變頻器及控制電路等構成。系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1泵站雙饋電機交流勵磁調速系統(tǒng)框圖

圖2電機矢量關系

圖3兩相到三相矢量變換示意圖

交交變頻主電路在控制電路作用下實現(xiàn)向電機轉子供電（超同步運行）或將轉子能量回饋到電網(wǎng)(低同步運行)。為使轉子電流較為平滑、限制誤觸發(fā)瞬時短路電流，主電路中加入了平衡電抗器LP。

控制電路主要完成定子功率因數(shù)、轉子電流及轉速等檢測，并依據(jù)給定轉速、功率因數(shù)與相應實際值的差別，根據(jù)反饋控制的基本思想，按照一定的控制算法，計算轉子供電頻率、電流幅值與相位的期望值，進而確定各晶閘管的觸發(fā)角以實現(xiàn)對晶閘管的控制。實現(xiàn)系統(tǒng)在給定轉速（ω＊）和給定功率因數(shù)角（φ＊）附近的穩(wěn)定運行。

對于既定形式的主電路，其參數(shù)可依據(jù)電機基本數(shù)據(jù)如額定功率、輸入電壓、轉子感應電勢，及調速范圍要求等來確定。

3控制方法

如前所述，改變轉速是通過調節(jié)轉子的供電參數(shù)來實現(xiàn)的，即通過控制轉子的供電頻率、轉子電流的幅值與相位來調速。

31轉子供電頻率

設ω1為同步轉速對應的電源角頻率，ω為電機實際轉速對應的電角頻率，ωS為轉子供電角頻率。則穩(wěn)態(tài)時有：

ωS=ω1－ω

當實際轉速和期望轉速不同時，可調整轉子供電頻率使實際轉速向期望值靠擾。為使電機轉速平穩(wěn)變化，采用下式計算轉子供電頻率的給定值ωS＊：

ωS＊=ω1－αω＊－(1－α)ω

這里0α≤1,α可隨轉速變化有所改變，特別是當實際轉速接近期望轉速時，可取α=1。

32轉子電流幅值與相位設穩(wěn)態(tài)時定子電壓空間矢量為，定子電流空間矢量為，轉子電流空間矢量為，不記定子電阻影響，有[4](1)

如果控制系統(tǒng)的功率因素角φ（超前φ記為負值，滯后為正）具有期望值φ＊，并在運行中保持不變，則調節(jié)定子電流大小即可調節(jié)輸出有功大小，從而也可調節(jié)轉速。反過來，當對速度進行反饋調節(jié)時，速度調節(jié)器的輸出可認為是定子電流大小的期望值I1＊。為保證實際功率因素角φ=φ＊，應選擇轉子電流幅值與相位，使得對期望的I1＊及φ＊，電機矢量關系式（1）成立。

由圖2可知：

xmI2sinθ=x1I1cosφ

U1－x1I1cosφ=xmI2cosθ故選轉子電流幅值、與夾角θ的期望值分別為：I2＊=θ＊=arcsin

當φ＊=0時，定子只從電網(wǎng)吸收有功功率，在泵機提速時可充分利用電機容量。