双馈调速在泵站电机上的应用

第33卷第1期2016年1月长江科学院院报JournalofYangtzeRiverSdenfificResearchInstituteVoI_33No．1Jan．2016双馈调速在泵站电机上的应用李瑾(南昌工程学院机械与电气工程学院，南昌330099)摘要：目前不少泵站仍使用不调速的交流电机，白白浪费了不少电能，而使用普通的变频调速，需选用高压变频器，调速较困难。针对上述现状，给出了一个主电路为交一交变频器，采用定子磁场定向的矢量控制双馈调速系统，给出了系统控制框图和控制部分主程序流程图，且用MatLab／Simulink软件对整个系统建立了仿真模型，并给出了仿真波形。仿真试验结果表明：该调速系统定子电流谐波小，控制精度高，动态响应快，工作性能稳定；而且当所需调速范围不大时，可大大减小变频器容量从而显著降低成本，因此在泵站电机调速改造中具有广阔的应用前景。关键词：双馈调速；调频电机；矢量控制；MatLab／Simulink；仿真试验中图分类号：TM343文献标志码：A文章编号：1001—5485(2016)0卜0147—041研究背景我国是一个农业大国，建在江河湖泊上的电力排灌站数量众多，在拖动风机泵类负载的电动机中，大功率电动机在数量上占20％，但在容量上却占80％以上，目前仍有不少泵站还在使用着不调速的交流电机，大量的电能被白白浪费掉了。若采用普通的变频调速，将变频器接于定子侧，不但要求变频容量需接近或超过电机全功率，而且由于泵站电机定子采用高压供电，需选用高压变频器，采用恒压频比控制时，电压还可能超过电网电压，调速很难实现。本文提出了一种绕线电机双馈变频调速方案，调速系统中电机定子接工频电网，转子侧接变频器。由于变频器只处理转差功率，而泵站使用的电机一般为多极低速电机，要求的调速范围不大(多数<±10％同步转速)，因此可大大减小变频器容量，显著降低成本；双馈电机既具有交流异步电动机，又具有交流同步电机特性，其定子侧无功功率可按需调节，使电机实现高功率因数高效节能运行j。由于双馈调速为转子侧调速，一旦变频器出现故障，转子短路后电机还可在额定转速下可靠运行，使生产保持连续性和安全I生。将该双馈调速方案用于泵站电机调速，能实现电机从低同步到超同步运行范围内的无级平滑调速，既能实现降速节能灌溉(对应电机“低同步状态”)，也能实现提速排渍(对应电机“超同步状态”)，因此该方案是我国泵站电机调速改造的最佳选择，具有无可比拟的优势和广阔的应用前景。2双馈调速系统的原理和结构双馈调速就是将电能分别馈人绕线电机的定子绕组和转子绕组，其中定子绕组接工频电源，通过改变转子侧所接交流电源电压的频率、幅值和相位，就可以调节异步电动机的转矩、转速和电动机定子侧的无功功率J。这种双馈调速的异步电机不但可在低同步转速区运行，而且能在超同步转速区运行，既可工作在电动状态，也可工作在发电状态J。双馈调速系统的结构如图1所示，电机的定子接工频电网，变频器和可调电阻通过开关KM1和KM2分别接电机转子，KM1与KM2相并联。电机起动时KM2闭合，电机转子串电阻起动以减小起动电流；待转速上升到接近额定转速时令KM1闭合接图1双馈调速系统结构Fig．1Structurediagramofthedouble-fedspeedregulationsystem收稿日期：2014—08—02；修回日期：2015-01-28作者简介：李瑾(1974一)，女，湖北武汉人，副教授，硕士，主要研究方向为电力电子，(电话)13027220617(电子信箱)meimei9022@sohu．com。长江科学院院报2016丘入变频器。本调速系统中变频器用来给电机提供一定幅值、频率和相位的励磁电压，以控制电机的转速和功率因数。由于交一交变频器具有能量转换效率高，能量双向流动能实现电机四象限运行的优点，故选用由6个晶闸管智能模块构成的三相桥式交一交变频器，不仅价格低于全控型器件构成的变频器，而且使用晶闸管模块后，线路简单，大大降低了晶闸管触发难度，提高了电路工作的可靠性，且在技术上适应我国泵站工人的维修水平。另外，由于转差频率一般<10Hz，变频器工作于低频，换流波形好，效率高。主控制器选用专用于电机控制领域的16位定点DSP芯片TMS320LF2407A，它接受检测电路送来的电机转速、转子电流、转子位置等信号，并在DSP内部对这些信号进行运算和处理，以实现矢量控制功能。另外，6路SPWM(SinusoidalPulseWidthModulation)波形也是由DSP产生来控制交一交变频器中的6个晶闸管模块。3矢量控制原理在双馈调速中主要有“按转子磁场定向”、“按气隙磁场定向”和“按定子磁场定向”3种矢量控制方法。定子磁场定向的矢量控制方法，是将旋转坐标的轴放在定子磁链方向上，此时定子磁通