第四章 電力拖動(dòng)拾遺
4.4 小水輪發(fā)電機(jī)的變頻調(diào)速
開(kāi)發(fā)背景
上節(jié)介紹的通過(guò)脈寬調(diào)制來(lái)克服水輪機(jī)導(dǎo)葉慣性的方法，雖然具有反應(yīng)快，動(dòng)作迅速等優(yōu)點(diǎn)，取得了良好的效果。但也存在著一些明顯的不足。
首先，由于水輪機(jī)導(dǎo)葉的慣性實(shí)在很大，在脈沖的下降沿，不可能立即仃住，很容易發(fā)生“超調(diào)”；
其次，脈沖占空比的大小不能隨實(shí)際頻率與標(biāo)準(zhǔn)頻率(50Hz) 間差值(Δf) 的大小而自動(dòng)調(diào)整；
除此以外，脈沖通電方式使傳動(dòng)系統(tǒng)的各軸不斷地受到?jīng)_擊剪力，從而影響了傳動(dòng)系統(tǒng)的壽命。
二十世紀(jì)九十年代，變頻器的應(yīng)用開(kāi)始普及，而孤立小水輪發(fā)電機(jī)組的調(diào)速器仍有需求。于是開(kāi)發(fā)了利用變頻調(diào)速技術(shù)來(lái)調(diào)節(jié)水輪機(jī)導(dǎo)葉開(kāi)度的調(diào)速器，取得了較好的效果。
4.4.1 水輪機(jī)轉(zhuǎn)速的采樣
4.4.1.1 頻率∕電壓轉(zhuǎn)換
1. 基本思路
頻率∕電壓轉(zhuǎn)換的基本思路，是從被測(cè)電壓的周期中，減去一個(gè)固定的時(shí)間，得到占空比與被測(cè)頻率成比例的脈沖系列，再將此脈沖系列進(jìn)行濾波，得到與被測(cè)頻率成正比的直流采樣電壓。
2. 頻率采樣
首先經(jīng)變壓器T 降壓后得到電壓較低的采樣電壓uX2，又經(jīng)VD1~VD4 進(jìn)行全波整流，再由線性光耦合管得到頻率的采樣電壓uA，如圖4-16(a) 所示。uA 的波形如圖4-16(b)所示。
3. 占空比可調(diào)電路
如圖4-17(a) 所示，將采樣電壓uA 輸入到PC2(555 時(shí)基電路) 的2 腳，則當(dāng)uA 小于電源電壓的1 ∕ 3(4V) 時(shí)，PC2 的3 腳翻轉(zhuǎn)為高電位，如圖4-17(b) 中曲線③之上升沿。
同時(shí)，7 腳對(duì)地處于截止?fàn)顟B(tài)。
這時(shí)，電源通過(guò)電位器RP 向電容器C1 充電，PC2 的6腳電位開(kāi)始上升。充電曲線如圖4-17(b) 中之曲線②所示。當(dāng)UC 上升到電源電壓的2 ∕ 3(8V) 時(shí)，PC2 的3 腳又翻轉(zhuǎn)為低電位，如圖4-17(b) 中曲線③之下降沿。同時(shí)，7 腳對(duì)地導(dǎo)通，電容器C1 放電。當(dāng)2 腳上的采樣電壓又下降到低于4V 時(shí)，PC2 的3 腳又翻轉(zhuǎn)為高電位，如此周而復(fù)始，就得到了占空比可調(diào)的脈沖系列。
在圖4-17(b) 中，TC 是脈沖周期，等于發(fā)電機(jī)輸出電壓的周期之半，t2 是電容器C1 的充電時(shí)間，在RP 不變的情況下，t2 的值是不變的。所以，占空比：
D=t1 ∕ TC
式中，D 為脈沖系列的占空比；t1 為脈沖寬度，ms；TC為脈沖周期，ms。
很顯然，B 點(diǎn)輸出的脈沖系列的占空比的大小就反映了發(fā)電機(jī)輸出電壓的頻率。其中，曲線③的脈沖寬度是：
t1=TC － t2
t1 和t2 的比值可以通過(guò)調(diào)節(jié)RP 來(lái)改變。
如果發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速過(guò)快，輸出電壓的頻率增高，周期TC 減小，占空比D 也減小。
4. 濾波和比較
如圖4-18(a) 所示，把圖4-17 輸出的占空比可調(diào)的脈沖系列經(jīng)C3、R5 和C4 濾波后，就得到和被測(cè)頻率對(duì)應(yīng)的直流電壓UX；又從RP 上得到和50Hz 對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)電壓UG。把UX 和UG 分別輸入到運(yùn)算放大器PC3 的兩個(gè)輸入端，進(jìn)行比較。當(dāng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速過(guò)快，輸出電壓的頻率超過(guò)了50Hz 時(shí)，占空比D 和UX 都將減�。�
UX ＜ UG
UC 和UO 都為“+”；
反之，當(dāng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速過(guò)慢，輸出電壓的頻率低于50Hz 時(shí)，占空比D 和UX 都將增大：
UX ＞ UG
UC 和UO 都為“＋”。
PC4 接成電壓跟隨電路，以加大其輸出功率。最后得到的輸出信號(hào)UO 和被測(cè)頻率的關(guān)系如圖4-18(b) 所示。
4.4.2 變頻調(diào)速的實(shí)現(xiàn)
4.4.2.1 采用日本明電210S 系列變頻器
1. 明電210S 系列的特點(diǎn)
明電210S 系列變頻器有一個(gè)輔助的頻率信號(hào)給定端AUX，頻率給定信號(hào)可從該端輸入，如圖4-19(a) 所示。當(dāng)AUX 得到正信號(hào)時(shí)，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；得到負(fù)信號(hào)時(shí)，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。變頻器輸出頻率的大小與給定信號(hào)的絕對(duì)值成正比，如圖
2. 工作過(guò)程
如上述，當(dāng)水輪發(fā)電機(jī)輸出電壓的頻率超過(guò)50Hz 時(shí)，UO 為“＋”，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，關(guān)小導(dǎo)葉開(kāi)度；反之，當(dāng)水輪發(fā)電機(jī)輸出電壓的頻率低于50Hz 時(shí)，UO 為“－”，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，加大導(dǎo)葉開(kāi)度。在這里，電動(dòng)機(jī)的“正轉(zhuǎn)”與“反轉(zhuǎn)”，還可以通過(guò)改變相序進(jìn)行調(diào)整。
4.4.2.2 采用日本富士E9S 系列變頻器
1. 富士E9S 系列變頻器的特點(diǎn)
(1) 頻率給定
E9S 系列變頻器并沒(méi)有如圖4-19(b) 所示的特點(diǎn)。其給定信號(hào)輸入端( 如圖4-20 中的“12—11”端) 所示。
(2) 旋轉(zhuǎn)方向
由輸入端FWD 和REV 決定。FWD 得到信號(hào)時(shí)，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；REV 得到信號(hào)時(shí)，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，如圖4-20 所示。
2. 控制電路
(1) 頻率給定
因?yàn)镻C4 的輸出電壓UO 是雙方向的，而E9S 變頻器只能接受單方向的電壓。所以，PC4 的輸出端需通過(guò)整流橋(VD8~VD11) 整流后接至E9S 的輸入端。
(2) 旋轉(zhuǎn)方向
經(jīng)濾波電路濾波后得到的采樣信號(hào)UX 接至由PC5 構(gòu)成的比較電路。當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出電壓的頻率高于50Hz 時(shí)，UX＜UG，PC5 的輸出端為“＋”，光耦合器PC7 導(dǎo)通，變頻器的REV得到信號(hào)，電動(dòng)機(jī)“反轉(zhuǎn)”，關(guān)小水輪機(jī)導(dǎo)葉的開(kāi)度；反之，當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出電壓的頻率低于50Hz 時(shí)，UX ＞ UG，PC5 的輸出端為“－”，光耦合器PC6 導(dǎo)通，變頻器的FWD 得到信號(hào)，電動(dòng)機(jī)“正轉(zhuǎn)”，開(kāi)大水輪機(jī)導(dǎo)葉的開(kāi)度。
4.4.2.3 需要注意的幾個(gè)問(wèn)題
1. 變頻器的進(jìn)線側(cè)必須穩(wěn)壓
變頻器對(duì)進(jìn)線電壓的波動(dòng)幅度是有一定要求的，而孤立電站輸出電壓的波動(dòng)幅度常常是比較大的。因此，如變頻器的進(jìn)線側(cè)直接接至發(fā)電機(jī)輸出端的話，變頻器將難以正常工作。所以，在變頻器之前，必須接入交流穩(wěn)壓電源，以保證變頻器正常工作。如能用UPS 電源給整個(gè)控制電路供電( 包括變頻器)，則非但保證了變頻器的正常工作，還可使外電路跳閘時(shí)的飛車(chē)保護(hù)的可靠性更加提高。
2. 變頻器的選型
由于三相交流穩(wěn)壓電源價(jià)格較貴，體積也大。故可選用“單進(jìn)三出，220V”的變頻器。這樣，進(jìn)線側(cè)使用單相交流穩(wěn)壓電源就可以了。
3. 電動(dòng)機(jī)的接法
3. 電動(dòng)機(jī)的接法
小容量電動(dòng)機(jī)的繞組之間, 普遍采用星形接法，當(dāng)電源線電壓為380V 時(shí)，每相繞組所得電壓為220V。今變頻器的輸出線電壓為220V，則電動(dòng)機(jī)每相繞組所得電壓便只有127V 了。對(duì)此，處理方法如下：
(1) 合理的方法
將電動(dòng)機(jī)的繞組接成三角形，使每相繞組所得電壓為220V。但這時(shí)，電動(dòng)機(jī)的實(shí)際容量將增大倍，故變頻器的容量也應(yīng)相應(yīng)增大。
(2) 實(shí)際處理
實(shí)際工作中，常常不需要改變電動(dòng)機(jī)的繞組接法。這是因?yàn)椋瓉?lái)的電動(dòng)機(jī)是直接接到發(fā)電機(jī)輸出端的。在電動(dòng)機(jī)選型時(shí)，已充分考慮了電源電壓的波動(dòng)范圍很大的特點(diǎn)。即：即使在電壓很低時(shí)也能帶得動(dòng)水輪機(jī)的導(dǎo)葉。采用變頻器后，由于增加了穩(wěn)壓環(huán)節(jié)，電動(dòng)機(jī)的線電壓雖然只有220V，但比較穩(wěn)定。和未使用調(diào)速器時(shí)發(fā)電機(jī)輸出端的最低線電壓相比，也相差無(wú)幾。所以，電動(dòng)機(jī)的繞組接法即使不改變，也能帶得動(dòng)。但這時(shí)，電動(dòng)機(jī)的實(shí)際容量只有其額定容量的(1/1.73) 倍，故變頻器的容量原則上也可相應(yīng)減小。
4.5 電磁離合器的反接制動(dòng)
開(kāi)發(fā)背景
某廠的一臺(tái)設(shè)備，由兩個(gè)電磁離合器控制旋轉(zhuǎn)方向，制動(dòng)時(shí)用電動(dòng)機(jī)反接制動(dòng)，并有速度繼電器切斷電動(dòng)機(jī)的電源。但用于反接制動(dòng)的接觸器常易燒壞，速度繼電器的動(dòng)作也不夠準(zhǔn)確。我在仔細(xì)研究了其控制原理后，決定不采用電動(dòng)機(jī)的反接制動(dòng)，而由電磁離合器來(lái)實(shí)現(xiàn)反接制動(dòng)，費(fèi)用不多，又解決了問(wèn)題。
4.5.1 主電路的改進(jìn)
4.5.1.1 原電路及存在問(wèn)題
1. 電動(dòng)機(jī)電路
如圖4-21(a) 所示，接觸器KM1 用于電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)和停機(jī)；KM2 用于反接制動(dòng)。電阻R 用于限制反接時(shí)的電流大小。KS 是速度繼電器，用于當(dāng)電動(dòng)機(jī)從正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)的過(guò)程中，過(guò)零時(shí)切斷電路。
2. 離合器電路
離合器用于控制負(fù)載側(cè)的旋轉(zhuǎn)方向。YC1 得電時(shí)，負(fù)載正轉(zhuǎn)；YC2 得電時(shí)，負(fù)載反轉(zhuǎn)。YC1 和YC2 由繼電器KA1 和KA2 控制。
3. 存在問(wèn)題
(1) 故障率較高
接觸器KM2 在接通時(shí)由于電流較大，觸頭容易損壞；又由于電磁離合器的繞組是大電感，繼電器觸點(diǎn)在斷開(kāi)時(shí)火花較大，故障率也較高。
(2) 控制不夠精準(zhǔn)
速度繼電器過(guò)零時(shí)的斷開(kāi)時(shí)刻，是通過(guò)調(diào)節(jié)彈簧的松緊度來(lái)調(diào)整的，常并不精準(zhǔn)，負(fù)載在停機(jī)時(shí)或繼續(xù)正轉(zhuǎn)幾轉(zhuǎn)，或反向轉(zhuǎn)幾轉(zhuǎn)，準(zhǔn)確停住的情況較少。
4.5.1.2 改進(jìn)方案
1. 主電路
取消反接制動(dòng)電路和速度繼電器，如圖5-21(b) 所示。
2. 電磁離合器的控制
取消繼電器KA1 和KA2，改由晶閘管VS1 和VS2 來(lái)控制電磁離合器，如圖4-21(b) 所示。非但解決了繼電器觸點(diǎn)容易燒壞的問(wèn)題，也便于實(shí)現(xiàn)離合器的反接制動(dòng)。
4.5.2 晶閘管的觸發(fā)電路
4.5.2.1 主要特點(diǎn)
1. 晶閘管的工作特點(diǎn)
晶閘管VS1 和VS2 只用于電磁離合器的通電與斷電，并不需要調(diào)節(jié)。故觸發(fā)電路中既不需要“削波電路”，也不需要同步控制。
2. 正、反轉(zhuǎn)的控制
晶閘管VS1 和VS2 的導(dǎo)通與否由輸入“＋”信號(hào)或“－”信號(hào)來(lái)決定。當(dāng)輸入信號(hào)為“+”時(shí)，VS1 導(dǎo)通，YC1 因得電而吸合，負(fù)載正轉(zhuǎn)；反之，當(dāng)輸入信號(hào)為“－”時(shí)，VS2 導(dǎo)通，YC2 得電并吸合，負(fù)載反轉(zhuǎn)。
4.5.2.2 觸發(fā)電路
晶閘管的觸發(fā)電路如圖4-22(a) 所示。
1. 正轉(zhuǎn)觸發(fā)過(guò)程
當(dāng)觸發(fā)電路的輸入端加入“＋”信號(hào)時(shí)，晶體管VT5飽和導(dǎo)通，而VT6 截止。則A 點(diǎn)為低電位，VT3 截止。電源“＋”通過(guò)R5 向電容器C1 充電，B 點(diǎn)電位上升，當(dāng)B 點(diǎn)電位上升到一定程度時(shí)，VT1 導(dǎo)通，脈沖變壓器PT1 得到觸發(fā)信號(hào)，晶閘管VS1 導(dǎo)通，正向離合器吸合，負(fù)載正轉(zhuǎn)。
2. 反轉(zhuǎn)觸發(fā)過(guò)程
當(dāng)觸發(fā)電路的輸入端加入“－”信號(hào)時(shí)，晶體管VT5 截止，而VT6 飽和導(dǎo)通。則C 點(diǎn)為零電位，VT4 截止。電源通過(guò)R6向電容器C2 充電，D 點(diǎn)電位上升，當(dāng)D 點(diǎn)電位上升到一定程度時(shí)，VT2 導(dǎo)通，脈沖變壓器PT2 得到觸發(fā)信號(hào)，晶閘管VS2 導(dǎo)通，反向離合器吸合，負(fù)載反轉(zhuǎn)。
4.5.2.3 反接制動(dòng)的實(shí)施
1. 電路特點(diǎn)
電磁離合器反接制動(dòng)的實(shí)施非常簡(jiǎn)單：只需在控制信號(hào)與觸發(fā)電路的輸入端之間串聯(lián)一個(gè)電阻和電容并聯(lián)的電路即可，如圖4-22(b) 所示。負(fù)載的正、反轉(zhuǎn)是根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的需要，由繼電器KA1 和KA2 控制。
2. 正轉(zhuǎn)控制
當(dāng)KA1 閉合時(shí)，電源“＋”經(jīng)電位器RP 通入觸發(fā)電路，使晶閘管VS1 因得到觸發(fā)信號(hào)而導(dǎo)通，YC1 吸合，負(fù)載正轉(zhuǎn)。與此同時(shí)，電容器C3 充電，右“＋”左“－”。
3. 停機(jī)控制
當(dāng)KA1 斷開(kāi)時(shí)，電容器C3 左側(cè)的“－”信號(hào)進(jìn)入觸發(fā)電路的輸入端，使晶閘管VS2 因得到觸發(fā)信號(hào)而導(dǎo)通，YC2吸合，負(fù)載力圖反轉(zhuǎn)。但因電容器C3 上的電荷很快消失，所以，負(fù)載只能停住，而不會(huì)反轉(zhuǎn)，因此而實(shí)現(xiàn)了反接制動(dòng)。調(diào)節(jié)電位器RP，就調(diào)節(jié)了C3 的放電時(shí)間，也就調(diào)節(jié)了反向離合器的吸合時(shí)間，可以使負(fù)載的停機(jī)十分精準(zhǔn)。反轉(zhuǎn)控制時(shí)也一樣，就不再贅述了。
4.5.3 快速放電電路
4.5.3.1 正、反轉(zhuǎn)存在的問(wèn)題
1. 離合器的通電與斷電
因?yàn)槊總�(gè)離合器只用一個(gè)晶閘管進(jìn)行半波整流，半波整流后的電壓波形如圖4-23(b) 中之曲線①所示；為了使電流比較平穩(wěn)，必須由電容器C 進(jìn)行濾波，濾波后的電流波形如曲線②所示。
當(dāng)VS1 的觸發(fā)信號(hào)撤銷(xiāo)后，一方面，YC1 的線圈具有續(xù)流功能，而晶閘管又不能自行關(guān)斷；另一方面，電容器C也要向YC1 放電。結(jié)果，YC1 的電流并不能立即消失。所以，YC1 不能很快脫開(kāi)，存在著離合器滯后脫開(kāi)的現(xiàn)象。這對(duì)于利用電磁離合器實(shí)現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)的拖動(dòng)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，就可能出現(xiàn)當(dāng)反轉(zhuǎn)的離合器吸合時(shí)，正轉(zhuǎn)的離合器尚未脫開(kāi)的危險(xiǎn)情形。
2. 滯后脫開(kāi)的解決
為了使VS1 的觸發(fā)信號(hào)撤銷(xiāo)后，YC1 線圈的電流能夠很快消失，在YC1 電路里并聯(lián)了一個(gè)放電回路，如圖4-23(a)中之KA1 的動(dòng)斷觸點(diǎn)和電阻R 所示。當(dāng)KA1 得電，VS1 導(dǎo)通，YC1 吸合，負(fù)載正轉(zhuǎn)時(shí)，KA1 的動(dòng)斷觸點(diǎn)是斷開(kāi)的，放電回路不起作用。當(dāng)需要YC1 脫開(kāi)時(shí)，KA1 將失電，其動(dòng)斷觸點(diǎn)閉合，電容器C 將迅速向R 放電，使YC1 迅速脫開(kāi)，從而消除了離合器滯后脫開(kāi)的現(xiàn)象。
小小體會(huì)
利用電磁離合器來(lái)實(shí)現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)或改變齒輪箱的組合以調(diào)速的方案，在生產(chǎn)機(jī)械中時(shí)有應(yīng)用。但大多采用繼電器控制。改造為晶閘管控制后，可以比較容易地解決反接制動(dòng)的問(wèn)題。
利用電磁離合器來(lái)實(shí)現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)或改變齒輪箱的組合以調(diào)速的方案，在生產(chǎn)機(jī)械中時(shí)有應(yīng)用。但大多采用繼電器控制。改造為晶閘管控制后，可以比較容易地解決反接制動(dòng)的問(wèn)題。
