繞線電機啟動狀態到雙饋狀態過渡過程的研究

高曼曼，杜慶楠，潘天文，楊樹德

（1.商丘學院 電子信息工程學院，河南 商丘 476113；2.河南理工大學 電氣工程與自動化學院，河南 焦作 454003）

1 引言

雙饋電機轉子側的變頻電源可以使用交－直－交和交－交變頻器兩種變頻裝置。由于6脈波雙變量交－交變頻器可以實現調速系統自然無環流而無需增加額外的環流電抗器等裝置，有著體積小，成本較低，效率高等優點，所以研究6脈波雙變量交－交變頻雙饋調速系統具有重要的意義和實用價值。而研究輕載時可變電源的頻率對繞線電機從啟動到切換到雙饋狀態的過渡過程的影響為雙饋調速系統的進一步深入研究奠定了堅實基礎。

2 雙饋電機的啟動方法對過渡過程的影響

繞線電機單邊供電時可以接電阻啟動，降壓啟動或變頻啟動等，但雙饋電機運行時是由定轉子雙邊同時饋電，故雙饋電機的的啟動與單邊供電時不同，它需要經過2個階段，即單邊啟動和牽入雙饋。典型的雙饋電機的啟動方法有定子側工頻啟動和轉子變頻啟動兩種。

轉子側接入低頻電源啟動，定子繞組短接，在轉差允許的范圍內進行變頻過渡，當電機的轉速達到半速時，這時變頻電源的頻率為2分頻，即25Hz，轉速為750r／min，待電機穩定運行后，定子側接入50Hz工頻電源，同時調換轉子側變頻電源的相序，由原來的反序電源改成正序電源。由芯片控制繼電器繼而來控制接觸器的動作，這種啟動方式的弊端是：在切換時，定子側接觸器和轉子側接觸器是由一個繼電器控制的，在發出切換指令后，由于繼電器和接觸器都會有動作的延時，在延時的瞬間電機處于斷電的狀態，這必然會引起電機轉速的下降，很容易導致切換后牽入雙饋失敗。本文采用定子工頻軟啟動方法。

2.1 定子工頻軟啟動

定子側工頻啟動方案（見圖1）是在轉子繞組先接入頻敏變阻器，定子工頻軟啟動，當電機在某一合適的轉速下穩定運行后，發出切換控制指令，程序控制繼電器KA得電，KA常閉常開開關動作，根據電氣控制原理，電機的轉子側將接入6脈波雙變量交－交變頻器。電機經過幾秒鐘的小范圍震蕩過程后進入穩定運行，電機過渡到雙饋狀態成功。

圖1 定子側工頻啟動方案Fig.1 Starting method with power frequency in the state side

如果定子側直接接入電網，電機內部會產生一個強磁場，在過渡的瞬間，定、轉子強磁場的相互作用容易使電機震蕩，最終會出現過渡到雙饋狀態失敗。定子側使用軟啟動的作用主要是在電機啟動時提供一個幅值較小的電壓，可以減小啟動時定子側電流太大對電機引起的沖擊，減小磁場強度，磁通處于非飽和狀態，使過渡到雙饋狀態比較容易，在過渡之后將定子側電壓調到額定值，電機穩定運行。

這種啟動方法與轉子變頻啟動相比，簡化了啟動步驟及切換過程，縮短了啟動時間，提高了切換過程的可靠性。考慮到6脈波雙變量交－交變頻器輸出頻率越高諧波含量越大的缺點，繞線電機有可能受諧波影響導致過渡過程失敗。所以本實驗轉子側交－交變頻器的頻率選擇在6分頻（1／6工頻）到11分頻下，在這個頻段內，雙饋電機的轉速范圍為1 230～1 363r／min。在各個分頻下，分別選擇不同的工頻電壓在定子側啟動，然后牽入雙饋狀態，研究不同的頻率對雙饋過渡過程的影響。

2.2 轉子電壓對過渡過程的影響

在交流調速開環控制系統中，一般采用壓頻比恒定控制，保持磁通恒定，以便充分利用電機鐵心，發揮產生轉矩的能力。在繞線電機過渡到雙饋狀態時，除了考慮恒壓頻比外還要考慮電壓的幅值問題。在過渡到雙饋狀態的瞬間，轉子勵磁也會產生一個電磁轉矩，與轉子電壓的大小有關，由于和定子側電源產生的轉矩方向相反，此時是制動轉矩，如果轉子電壓太大，制動轉矩也大，這對過渡過程是不利的。

同時，轉子側的勵磁電源還會產生一個脈震轉矩，在轉差率較大時，勵磁電流將會引起嚴重的功率、電流、電壓及轉速等的震蕩，所以在過渡過程中不能使轉差率太大，通過改變交－交變頻器的輸出頻率，使轉差率在一定的范圍內，保證過渡過程成功。

2.3 勵磁電源頻率對過渡過程的影響

同步電機牽入同步的過程是很復雜的，在一定條件下，電機才能被牽入同步并正常運行；在不利的情況下，也可能不被牽入同步而造成異步運行的不良后果。

通過同步電動機異步運行時的轉矩－轉差率公式，得出在同步電機的轉矩－轉差率特性中，啟動轉矩、牽入轉矩、最大轉矩是3個很重要的量。其中牽入轉矩對應的是轉差率s＝0.05，轉差S＝s×100，同步轉速的5%的轉差就是電機被牽入同步并正常運行起來的條件。

雙饋電動機的過渡過程和同步電機的牽入同步過程是相似的，同樣是復雜的，是一個非線性的機電關聯的轉子運動問題，對于同步電動機5%的轉差條件同樣適用于雙饋電動機。由于繞線電動機不需要在接近同步轉速時過渡到雙饋狀態，所以在過渡時需要根據電機的轉速大小來選擇輸入到轉子側的頻率大小，控制轉子側接入勵磁前后的轉差在一定的范圍內。

雙饋電機的轉速為

式中：f1為定子側電網頻率；f2為轉子側變頻器輸出頻率；n0為繞線電機的同步轉速；f1／f2是分頻數。雙饋電機的轉差為與同步電機的轉差不同的是，n1是轉子側接入變頻電源后的轉速，n2是轉子側接入變頻電源前的轉速。

電機定子接入工頻電源時的同步轉速為1 500r／min，實際測量的雙饋電機6分頻對應的轉速是1 230r／min。因為有同步轉速的5%的轉差范圍，那么繞線電機切換到雙饋電機前的轉速最大應該是75r／min。以上數據是參考定子側同步轉速的5%轉差計算得出，且5%是理論值，是否會和實際一致，將通過實驗數據進行驗證。假如以繞線電機轉子側接入不同分頻時對應的同步轉速為參考，轉差是否有規律性將根據數據進行分析。

3 實驗研究

雙饋調速系統由主回路和控制系統組成，主回路采用三相零式拓撲結構，控制系統中以TI公司生產的STM32F103ZET6為主控元件，配上外圍電路，實現功能判斷，電壓電流檢測，測速及顯示，系統保護等。在KEIL環境下編寫6脈波交－交變頻器控制程序，控制雙饋電機的啟動與調速。由于篇幅所限，在此只附上轉子側接入6分頻和10分頻時電機的轉速變化波形。

在圖2中接入6分頻之前的轉速為1 300r／min，接入后，電機穩定運行在1 230r／min。圖3中接入10分頻之前的轉速為1 377r／min，接入后，電機穩定運行在1 330r／min。

圖2 1／6工頻下電機轉速為1 300r／min時的過渡過程Fig.2 Transition process when the motor speed is 1 300r／min with 1／6power frequency

圖3 1／10工頻下電機轉速為1 377r／min時的過渡過程Fig.3 Transition process when the motor speed is 1 377r／min with 1／10power frequency

電機的參數在過渡過程中都會發生變化，比如定、轉子側的電壓和電流，轉速等，電機的轉速變化也是過渡過程的一個重要參考量。圖2記錄了電機從啟動過程，轉子側加入勵磁的過渡過程，以及過渡后雙饋電機穩定運行的轉速變化波形。

圖2和圖3中轉速震蕩區就是電機由單邊饋電切換到雙邊饋電的過程，由切換過程的轉速波形可以看出，電機在切換過程中的震蕩過程是一個衰減過程，即電機震蕩的幅度越來越小，最后趨于穩定狀態。在震蕩的過程涉及到兩個作用力，即同步力和異步力。同步力是上下震蕩的力，異步力是朝某個方向旋轉的力。牽入雙饋的過程就是同步力和異步力相互作用的過程，如果同步力大于異步力，則電機的切換過程將會失敗。反之，異步力大于同步力，則切換成功，電機會穩定運行。圖4和圖5均因在轉子側加入勵磁前后電機的轉速差值太大導致過渡過程失敗的轉速變化波形。

圖4 1／6工頻下電機轉速為1 315r／min的過渡過程Fig.4 Transition process when the motor speed is 1 315r／min with 1／6power frequency

圖5 1／10工頻下電機轉速為1 380r／min時的過渡過程Fig.5 Transition process when the motor speed is 1 380r／min with 1／10power frequency

通過分析實驗數據，得出每個分頻都對應一個牽入雙饋允許的最大轉差，此轉差是以定子側同步轉速1 500r／min為參考得出，如表1所示。

表1 以定子側同步轉速為參考時分頻對應的實際轉差Tab.1 Real speed difference corresponding to frequency division taking synchrouous speed in the stator as the reference

將表1中的數據利用Matlab軟件進行曲線擬合，得出允許的最大轉差的變化曲線如圖6所示。從圖6中可以看出，過渡到雙饋狀態時允許的最大轉差與變頻器的分頻數有關，及轉速差的大致變化趨勢，最大轉差基本維持在3%～5%之間，且變頻器頻率越低，過渡到雙饋時允許的最大轉差越小，過渡過程的難度加大。從圖形的趨勢看，如果變頻器的分頻數小于6時，允許的最大轉差會逐步逼近電機同步轉速的5%，這與理論結果相符。

圖6 頻率與實際轉差的關系曲線Fig.6 The relation curves between frequency and actual slip

表2是以轉子側不同的頻率對應的同步轉速為參考時，轉差公式為

得出的不同分頻對應的允許最大轉差表。牽入雙饋狀態時允許的最大轉差與變頻器的分頻數有關，以轉子側分頻對應的同步轉速參考時，分頻數越大，最大轉差越大。9分頻時的最大轉差略小的原因是接觸器動作的時間或電機的震蕩過程導致在測量時存在一定的誤差。從圖6中可以看出以轉子側不同頻率對應的同步轉速為參考得出的最大轉差也具有一定的規律性。

表2 以轉子側頻率對應的同步轉速為參考時的實際轉差Tab.2 Real speed difference taking synchronous speed corresponding to frequency in the rotor as the reference

繞線電機從啟動過渡到雙饋狀態成功以后，將定子電壓調至額定值，通過改變可變電源的頻率對雙饋電機進行調速。圖7是從6分頻調到10分頻時雙饋調速系統的轉速波形，由波形看出，調速的過程也是一次過渡過程，6分頻過渡到7分頻時，震蕩幅度比較大是因為7分頻時電壓諧波含量較大，電流存在死區現象。6脈波交－交變頻器的優點是低頻段時輸出電壓波形諧波含量小，所以在8到10分頻的過渡過程中，震蕩幅度有逐漸減小趨勢。

圖7 雙饋狀態下的電機調速波形Fig.7 Waveform of motor speed gover－｀ning in double－fed state

4 結論

通過分析分別以定、轉子側同步轉速為參考時實驗數據，得出的雙饋電機過渡過程允許的最大轉差與轉子側變頻器輸出的頻率有直接的關系。在以轉子側分頻對應的同步轉速為參考時，得出的最大轉差有一定的規律性，基本上與變頻器的分頻數成正比關系。允許的最大轉差存在一定的誤差，主要是因為6脈波交－交變頻器提供交流可變電源諧波含量較大，對最大轉差有一定的影響。同時接觸器的動作時間及電機的震蕩過程也會影響最大轉差，但是過渡過程的最大轉差規律還是具有一定的參考價值。

通過對雙饋啟動過程進行分析、比較與研究，從而對雙饋啟動特性有了比較全面和深刻的認識，也為雙饋調速的控制方法和運行特性的研究奠定了基礎。

［1］杜慶楠，王新.晶閘管相控變流器及變頻器的雙變量相控理論［M］.北京：煤炭工業出版社，2006.

［2］高景德，張麟征.電機過渡過程的基本理論及分析方法［M］.北京：科學出版社，1982.

［3］湯蘊璆，張奕黃，范瑜.交流電機動態分析［M］.北京：機械工業出版社，2004.

［4］邱阿瑞，柴建云，孟朔，等.現代電力傳動與控制［M］.北京：電子工業出版社，2004.