溫石湯泵站內反饋高頻斬波調速系統閉環控制原理

李婷

摘 要：本文根據溫石湯泵站調速機組的實際情況，剖析了內反饋高頻斬波調速系統中對電流閉環控制及轉速閉環控制的工作原理，旨在加強對溫石湯泵站調速系統的深入了解，解決調速中出現的實際問題，保證下游人民對水資源的需求。

關鍵詞：溫石湯泵站；內反饋高頻斬波調速；電流閉環控制；轉速閉環控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.09.248

0 引言

溫石湯泵站為山東省膠東地區引黃調水工程新建泵站的第五級泵站，為管道輸水段的第二級泵站，泵站位于山東省蓬萊市境內，黃水河左岸，蓬萊市村里集鎮溫石湯村北側約500m處，處于輸水線路的任家溝隧洞下游約2km處。溫石湯泵站由10臺機組組成，8用2備，總裝機容量7100kw。其中5#、6#機組為內反饋高頻斬波調速機組。

1 設備組成

內反饋高頻斬波調速系統由線繞式內饋調速電機及調速裝置組成。如果我們把普通繞線電機，和內饋調速電機相比較，可以發現在定子槽內，除了有定子繞組及轉子繞組之外，還增添了一個取代串級調速裝置中的外饋變壓器的反饋繞組。此外，轉子整流器、高頻斬波器、晶閘管相控逆變器及DSP控制器，共同組成了內反饋電機高頻斬波調速裝置。

2 機械特性

由于內反饋電機轉子漏抗大使得轉子整流電路換相重疊嚴重的情況出現。而第一工作狀態與第二工作狀態的存在是因為轉子電流的增大。一般情況下我們只考慮在第一工作狀態下的機械特性，這也是根據采用電流閉環控制最大電流限制在125%額定電流范圍以內的情況來操作。Kuv·SE20=Ui+IdR，其中Kuv轉子電路整流系數，S轉差率，R等效的轉子整流電路及斬波電路總電阻，E20轉子電路開路電壓。

在考慮轉子整流換相壓降時，Kuv·SE20=Ui+IdR變為：

S（Kuv·SE20-Id3/π·XD0）=Uc（1-D）+IdR-3/π·Id XD0；

令Ce·ns= Kuv·SE20-Id3/π·XD0，其中ns對應于電網頻率的同步理想空載轉速，Ce為系數，XD0為S=1時折算到轉子側的電機定子和轉子的每項漏抗。則式變為：

n=[ns-Uc（1-D）/Ce]- IdR/Ce；

這就是內反饋電機高頻斬波調速時的機械特性表達式，對于每一個確定的占空比D，有一條確定的特性與之對應，特性曲線如圖1： 一般情況下，調節占空比D的大小就可以改變電機的轉速，這是因為電容器電壓Uc基本恒定，理想空載轉速n0與同步空載轉速ns的落差由占空比D確定的。

3 電流閉環控制

電流閉環控制的目的是控制速度，這是通過控制電機轉子電流的大小即控制電機的電磁轉矩來實現的。電流環的控制對象是轉子整流電路及斬波環節。為搞清控制對象的數字轉換，忽略次要因素，做如假設：（1）電容器電壓Uc恒定；（2）UR是轉子電勢SE20的理想整流電壓；（3）R、L是轉子電路及斬波電路等效的電阻與電感；（4）忽略轉子整流換相重疊壓降。

采用狀態空間平均模型方法，也即使用占空比加權的方法得到。

Ldi/dt+IR=UR-UC（1-D）

在電流調節時，可以認為電動機速度瞬間不是變化的，即UR是不變的，（UR-UC）也是不變的。控制量是D，輸出量是整流電流Id，控制對象可簡化為：

是轉子整流及斬波電路等效時間常數。電流閉環的有關計算與調節由DSP完成。電流閉環控制圖如圖2：

圖2中T0由占空比生成環節與電流反饋濾波環節綜合在一起的等效小慣量時間常數。

4 速度閉環控制

在電機軸上，通過安裝磁性測速碼盤，依據脈沖的輸入，電動機實際轉速再由DSP計算出來。速度閉環由DSP完成，速度控制如圖3：

圖3中T∑由電流閉環等效時間常數與測速濾波環節綜合在一起的等效小慣量時間常數。TQ電動機啟動時間常數。

5 結束語

溫石湯泵站作為膠東調水工程新建泵站第五級泵站作用十分重要，溫石湯泵站上游為明渠下游則為管道、暗涵等，對水的流量及水位調節能力有限，且要求非常嚴苛，溫石湯前池蓄水為6萬方，當下游需水量增加時，前池的調節能力也非常有限。從而對兩臺調速機組的調速要求就大大增加，搞清楚內反饋高頻斬波調速系統的原理非常有必要，而調速系統中對電流及速度的閉環控制又是調速的中心環節。本文對內反饋高頻斬波調速系統閉環控制系統（即電流閉環控制和轉速閉環控制）的原理描述，結合了溫石湯泵站5#、6#調速機組的實際情況，并根據自己的理論積累描述，旨在對調速系統做深入的研究，在出現問題時能及時從原理出發找到問題的根源，保證調水的順利進行。

參考文獻：

[1]夏多淮，黃靖博.內反饋高頻斬波調速技術應用[J].安徽科技，2006（04）：35-37.