冯明远，  杜庆楠（河南理工大学电气学院，河南焦作454003）

    摘要：针对目前三脉波交交变频器应用于双馈调速系统时，调频调速范圈小、运行容易失步的现状，在六脉波交交变频器的基础上，提出r转速级差控制策略，利用非整数分频，实现高频段的平滑调速，并通过建立双馈调速试验系统，对该测速策略进行了试验验证：结果表明这种调速策略能够很好地完成在同步速上下百分之三十调速，且调速平滑性好，因此具有很大的实用价值。

    关键词：交交变频；双馈系统；调速

    中图分类号：TM921. 5l文献标识码：A文章编号：1673-6540( 2009) 12-0030-04

    

   

0  引  言

    风机水泵类负载占全国耗电量的百分之，对其进行节能改造在能源紧缺的今天变得尤为重要。由于双馈调速系统的优点，使其成为最有优势的调速改造方案之一。但是以前的变频器是按工频的整分数来划分分频数的，很少考虑各个相邻分频级差下对应电机转速的级差，所以常规的相控交交变频器只适合一般的单侧变频调速，而不适用于定、转子同时供电的双馈调速系统。传统的双变量三脉波交交变频器由于波头数少，运行于整数分频，调速级差大，运行不平稳，容易造成电机失步，使系统不能正常运行。因此本文在双变量六脉波交交变频器的基础上，引入非整数分频，通过计算****失步转速，确定****频差，从而选定分频值，这样可使任意相邻的两级之间调速时都不会引起双馈凋速异步电机的失步，且能满足生产工艺对调速平滑性的要求。

    所谓双馈调速系统，就是将绕线式异步电动机的定子接工频电网，转子接到一个幅值、频率、相位和相序都可凋的独立交流电源上，从而构成定、转子双方同时馈电昀电动机系统。其调速原理是：从转子滑环上取出或输入所需要的电能，此电能表现为转差频率的交流电【1】。改变变频器输出电压幅值和相位，即可改变电动机的转速。原理图如图1所示。

 

    在转子侧使用二脉波交交变频器构成双馈调速系统时，由于每周期内可用的整数波头数少，因此在高频段进行调速Ⅱ，即在2分频到5分频之间时，用比较近似的画法画出系统的调速曲线，如图2所示。由图2可知，在亚同步电动状态下，2分频与3分频之间转速级差达到了250 r/min，即使是4分频到5分频，转速级差也在70 r/min，必然超出了这种电机的最小转速差，电机调速时运行会失步，系统会出现大的震荡。对15分频以下低频段，由于调速电机的速度级差相对很小，再加上电机的巨大惯性作用，调速比较平滑，可以近似地看作无级差的调速，用直线段来表示调速过程。

 

  双变量交交变频器输出频率的公式为：

  当m=3时f_r=50 Hz，此时的变频器称为三脉波变频器【2】，从而得输出频率为37.5、30、25、21. 43、18 75、16 67、15、13.64、12.5、11. 54 Hz...

    当m =6时f_r=50 Hz，此时的变频器称为六脉，夏变频器，由公式得到输出频率为：42 86、37.5、33 33，30、27. 27、25、23. 08、21. 43、20、18.75 Hz...

    根据双馈系统起动及运行需要可知电机定子串电阻起动时，变频器起始输出为2分频，起动结束进入调速阶段时，转子电源频率需先经过2分频才能逐步调节到低频段，若只对2分频至5分频这一段进行整数分频的话，电机转速突变****，易引起电机失步【3】。当电机极对数为2，同步转速为1 500 r/min，由公式：△n=△f／n_p可知，欲使电机实现自平衡，转差应小于百分之五的额定转速，考虑到交交变频器输出电压的谐波影响，选择百分之四，即1500 x 百分之4= 60△f/2，得到的输出频率级差不能大于2 Hz，也就是转速级差小于60 r/min时，电机都能平滑过渡。

    基于以上分析，对四极电机，得到三脉波变频下整数分频转速频率级差和六脉波变频下非整数分频转速频率级差分别如表l、2所示。

    从表1可以发现，在高频段如果只采用整数分频，则调速级差太大，必定会引起电机的失步。到5分频以后，其转速级差小于最小失步级差，因此能够使电机在调速时稳定运行。对表2，在高频段，引入25/12、13/6、27/12、14/6、15/6、16/6、17/6这5级非整数分频，就可使相邻分频之间级差控制在2 Hz以内，转速级差控制在43 r/min以内，从而保证电机在调频调速时，系统可以平稳运行，不会出现大的波动或失步。基于以上分析，在此提出转速级差控制策略，即高频段分数分频与低频段整数分频相结合，控制调速级差在一定范

围之内，并以此来划分变频器的分频级别。

在转子电源采用双变量六脉波交交变频器后，每个周期内可用的整数波头数变多，依据上面提出的控制策略，由于事先确定了调速级差(这里选不大于45 r/min)，然后选择插入适当的分数分频，使二分频与三分频之间250 r/min的转速级差又划分为多个级差，调速曲线如图3所示，对比图2，看到加入的非整数分频使调速级差变小，调速平滑性在理论上得到很大的提高，调速曲线很均匀，没有出现局部的大转差。并且从图3中还可看出，在改进前，调速范围下限为1 000r／mm，即到3分频。采用转速级差控制策略就使得调速均匀，失步现象不存在，同时也把调速范围下限扩大到了750 r/min，甚至还可更低。

    转速级差确定原则如下：(l)转速级差要小于最小失步级差；(2)尽量选择少的级差数，以降低控制成本；(3)满足调速精度要求，使调速平滑；(4)使编程量和单片机运算量达到最小。事实上，在应用时，可以按照具体的工业调速精度要求先划分出调速级差，再找出对应的转子电源频率级差，最后再对各分频作出适当调整，研究触发时刻规律，最终实现调速。

    按照双馈调速系统的原理，依据研究所现有试验设备，设计双馈调速系统如图4所示，依据上文所提出的调速控制策略，进行空载和加载试验。

    在试验中，由速度传感器LEC-80BM-G05C采集速度数据，通过80C196KB的高速输入口HIS. 1输入单片机内部进行数据处理。因此，在内存空间中保存了在调速过程中速度传感器采集到的实时数据，将数据在MATLAB中进行处理，可以绘制出调速过程转速的变化曲线图。

    图5所示为手动调速从半速到2/3额定转速时的运行曲线，每级运行时间约为8s，速度级差均不超过45 r/min，调速平滑。但实际应用时不可能一级一级的手动调逮，例如要从750 r/min的转速直接调到l 200 r/min，可以从软件方面做出改进。硬件上可以赢接按下1 200 r/min的转速按键，软件处理上，档位指针不直接跳变到要调节到的档位，而从原来的速度档位开始，让档位指针逐渐增加，先转到相邻的档位（例如是13/6分频，对应807 r/min的档位），在这个档位上运行一段时间（例如l 6 s），然后再让档位指针向同样的方向增加，再在另一个档位上运行一段时间，这样使速度逐级变化，直到要调节的档位，只要能保证所选择的下一个档位与之前的档位之差使转速级差小于60 r/min即可，这样调速就变得平滑

且易于实现。

    在试验中采集了从半速750 r/min（2分频）直接调到l 200 r/min（5分频）的过渡变化情况，并对调节过程中在每个速度等级上运行时间的长短和空载与带载时的调速情况分别进行了试验，测得的数据通过MATLAB画成的速度曲线如图6-8所示。

 

 

在引入调速级差控制策略以后，调速效果有了明显改善。从图5可以得出，由于加入了非整数分频，使调速级差达到足够小，调速范围下限从原来的l 000 r/min（3分频）扩大到750 r/min(2分频），速度曲线近似为直线，运行比较平稳，达到了预期的目的。对比图6与图7发现调速过程中每级运行时间相同时，空载与带载调速曲线几乎不受影响，因此本试验仅给出了空载时每级运行1s的速度图。从图7、8可以看出，减小调速过程在每级上的运行时间可以加快调速的过程，且使调速过程更平滑；通过试验也发现每级运行时间过小时（如小于0.5 s），调速过程容易产生振荡，易造成电机失步。

    本文依据双馈调速系统在应用中存在的问题，提出了转速级差控制策略，通过试验可以看到：各分频下电机运行平稳，在任意调速时电机无明显冲击，不会造成失步；系统波动较小，运行基本正常。这证明了转速级差调速控制策略双馈调速系统是可行的。并且借助于新的双变量六脉波交交变频器，可以把调速下限扩展到750  r／min(2分频)甚至更低，使双馈调速系统的应用领域更广阔，具有很强的实用价值。