組合變流變頻方式控制電磁振動成型機的研究

0 引言

現行的人造合成石等建筑裝飾板材的真空振動成型裝置，受其軸承等轉動件的機械強度影響而難以在振動中達到6 000 r/min(折合為100 Hz 的振動頻率)，并且用氣缸及活塞帶動的壓制器具也不便于及時調節。若采用現行的交流變頻器進行控制，供電磁鐵繞組的電流由于電感的作用其上升速率較低，其較小的電磁振動力與較高的造價也不太適用。

現行的采用可關斷電力電子器件與PWM技術構成的交流變頻裝置，以其性能與價格均較高的特點而廣泛用于交流電機的調速。晶閘管用于逆變電路須配備強迫換流電路，從而制約了它在變頻電路中的應用，其自身的諸多優點難以在變頻領域發揮。我們在控制電磁振動成型機的小型變頻試驗中，通

過在逆變橋每個橋臂上下晶閘管之間串聯2個電磁鐵繞組，而繞組的公共端經電容器后接至逆變橋輸入直流電壓的中點。這樣可利用電容器電流過零使晶閘管關斷。

1 電磁振動成型機的基本結構

該裝置6只較大功率的電磁鐵裝設于壓具的鋼板上，并利用裝設于上部或壓具側邊的多組壓縮彈簧配合產生較強的振動力。其磁力線經由電磁鐵的中柱鐵心，樹脂基混合料、鋪料鋼板和壓具鋼板而構成回路。參照盤式電磁鐵的吸引力與勵磁安匝的平方成正比，而與其間隙的平方成反比的計算公式，若使其每個電磁鐵產生29.4 kN的吸力，其電磁容量接

近于20 kV·A。壓縮彈簧在電磁鐵通電時向下運動而儲存能量，在電磁鐵失電時釋放儲存能量而反彈，使壓具的鋼板對聚酯樹脂混合的料體瞬間產生98 kN以上的沖擊力。并在其單向磁場的作用中，使其壓實的薄板具有微置的磁性。

該裝置在壓制305 cm伊125 cm 規格的平板時,能提供超過150 kV·A的電磁振動，要求電磁鐵繞組中通過的電流脈沖幅值較高，而斷電時又具有一定的時間間隔，以此產生較強的激振力。在振動壓制時，還應具有振動頻率可調節與某個電磁鐵吸引力可調節的性能，從而保證壓制薄板具有均勻性的工

藝要求。裝設于壓具鋼板上的6只電磁鐵，按WA1、WC2、WB1、WA2、WC1、WB2環行排列的順序，依次進行振動控制而產生推移式的揉動力。

2 組合變流電路的拓撲結構

利用電容器與電感線圈串聯的方式，在其電場能量與磁場能量進行往復的傳遞中可實現其無功能量的平衡。若用交替通斷的電力電子器件經由串聯的電容器對電感線圈進行正、反向的通流控制，利用充電的電容器的脈波放電形式對感性線圈進行快速的通流，可使其電流的相位接近于電壓的相位而提高其功率因數。

本裝置包括6 只整流管D1-D6構成的三相整流橋;2只鐵芯電抗器L1與L2組成濾波電感;4只晶閘管T7-T10和換流電容器C4 構成的調壓斬波器;2 只電解電容器C01 與C02構成的具有中點E0 的濾波電容器;3只電力電容器C1-C3構成的換流電容器;6只晶閘管T1-T6構成的逆變器。其主電路的接線方式如圖1所示。

本電路的特點是：串聯的C01與C02的中點E0與三相交流電源的中性點O的電位接近于相同;每相2只電磁鐵繞組同名端相聯后，再依次與C1 、C2 、C3 電容器串聯聯接;6 只繞組與三相逆變橋的U1、U2、V1、V2、W1、W2 6個輸出端分別相聯;在T9與T10導通時, L1與L2同C01與C02構成LC濾波電路，并配合C4換流電容器在T7與T8交替通斷時構成調壓斬波電路。

3 組合變流電路的控制及工作原理

三相逆變橋的6 只晶閘管按照T1、T2、T3、T4、T5和T6的觸發導通順序，并按照導通90毅~175毅電角度的規律進行其六節拍的換流。對應的C1、C2、C3三只換流電容器依次在其左正、右負或右正、左負的充放電過程中，利用電感器件的釋能作用使其保持正、負幅值相等的交流電壓值。例如在T1導通時，C1上已具有左正右負的儲存電荷經由WA1 繞組與C01 電解電容器構成順時針的放電回路。在C1電容器的電壓從最大值減小到零并逐漸反向充電的過程中，WA1繞組中的電流從零值逐漸上升至幅值，并從幅值以接近于正弦波的波形下降至零，從而在其電流過零時關斷T1。在觸發T4導通時，C1上反向儲存的電荷(左負右正)經由C02和WA2 繞組構成順時針的放電回路，使得WA2繞組流通幅值相等的脈波電流。在各晶閘管觸發導通的瞬間，均是以換流電容器的電壓量

與電解電容器上的電壓量二者正向疊加的形式對其電磁鐵繞組進行放電通流，使各個電磁鐵繞組依次在近于正弦半波的通流中形成推移式的揉動力。這種采用脈沖電壓量使其繞組中的電流相量快速上升的組合變流方式，對克服感性繞組的電流相量必然滯后的電磁慣性是十分有效的。隨其各相脈波電流的間隔增大，其電流的平均值對應減小，對應的振動

頻率相應下降。

對于調壓斬波環節的T7與T8兩晶閘管的控制可以300-1 000 Hz 的頻率對其進行交替的控制，并在T9與T10相對于T7與T8延時觸發的時間增大時，直流濾波電容器兩端的直流電壓值對應減小，從而以較簡單的方式實現其調節電流的目的。該調壓環節可以取消，而將整流器與逆變器直接相聯，則可進行簡易的頻率調節。

4 控制三相異步電動機的組合變流電路

本組合變流變頻方式也可以用于對三相異步電動機進行簡易的變頻調速。其主回路的整流與調壓環節與圖1 相同，其逆變器與三相定子繞組的聯接方式如圖2所示。

三相異步電動機的定子繞組聯接成星形，定子繞組WA、WB和WC分別與C1、C2、C3串聯后而聯接于三相逆變橋的輸出端，其中性端與濾波電容器的E0端聯接。在6 只晶閘管T1~T6依次的觸發導通中，3只電容器對每相電機繞組分別產生脈波電壓而構成電容器的放電回路，有效地克服了其電流相量滯后于電壓相量的重大缺陷。雖然，該電路存在轉矩脈動的缺陷，但裝置簡單、造價低和節電效果更上一個檔次的優點，使其具有一定的實用價值。

5 換流電路的分析及參數計算

對于每只電磁鐵的線圈或是每相的電機繞組，為簡化分析均可等效地用R 與L 表示其參數，并設換流電容器C1上的充電電壓值為EC，電解電容器C01上的電壓值近似恒定的直流電壓為E01，放電回路如圖3所示。現以圖1中的T1在T4關斷后進行觸發導通的放電過程為例，寫出其回路的動態方程。

經小型試驗，發現其電容器C的交流電壓有效值與電磁線圈的交流電壓有效值在工頻時接近于相等，因此其每只電容器的容量可選擇為與每相繞組的實際容量接近于相等，或是選擇兩者的電流有效值接近于相等。

6 結語

采用本文介紹的組合變流電路，使電力電容器與變流器件及電磁鐵繞組組合為一體，利用其LC諧振的解決了普通晶閘管器件強迫關斷的問題。在其觸發導通的初始時刻將反向充電的電容器串聯于通流回路，對實現感性繞組的快速通流是十分有效的。

在逆變橋的三個輸出端分別串聯電力電容器后再與三相異步電動機的定子繞組聯接時，此組合電路可在0~55 Hz的范圍內對電機進行調速。由于其結構簡單、造價低以及電機本身的無功損耗低和綜合節電性能優越等優點使其具有一定的市場價值。