内反馈电机范文

内反馈电机范文（精选7篇）

内反馈电机 第1篇

在风机和泵类负荷中,传统的运行参量的调节主要采用挡板式或阀门节流式调节,在低工况时,通过调节挡板或阀门来实现运行参量的控制,对大部分时间运行在较低工况下的电动机负荷,其节流损耗很大。而在系统设计选型匹配时,风机和泵类的电动机容量留有较大的裕量,出现了大马拉小车的现象,也增加了电量的损耗。相比较,通过调节电动机的转速,来进行运行参量的调节方式,克服了节流损耗,提高了风机和泵类负载的运行效率和自动化水平,而且还可以改善电动机的起动性能,避免了大马拉小车的现象,由于平均转速的降低,也延长了电机的轴承寿命。因此,采用调速方式对电动机负荷的运行参量进行调节控制,是提高电动机的节能降耗效果的最佳途径。尤其是在发电厂、钢铁厂这样风机和泵类负荷较多的企业,其经济效益非常显著。

1 电动机调速方法比较分析

电动机调速公式:

式中:n为电机实际转速;f为电机工作电源频率;s为电机极对数;p为电机转差率。

由式(1)可知,电动机调速方法通常为改变f的变频调速,改变p的变极调速,改变s的串级调速。由于变极调速,存在电动机制造复杂、电机转速调节不够平滑等多方面原因,在工程中应用很少,应用较多的是变频调速与串级调速。

1.1 变频调速

变频调速是通过调节电动机电源的频率f来实现的。随着电力电子器件和控制技术的发展,变频调速技术在低压电动机节能领域由于其经济性和可靠性高,在工程中得到了广泛的应用。

但在高压电动机节能调速中,由于高压换流晶闸管IGCT技术的复杂性和成本高昂,限制了它在工程中的应用。国际知名电气公司均在巨大的市场需求和经济利益驱动下积极研制开发新型高压大功率变频调速装置,努力降低其成本,但收效甚微。

1.2 斩波内反馈调速

斩波式内反馈调速是一种以低压(转子侧)控制高压(定子侧)的高效率调速技术,它属于改变转差率s来进行调速。

对相同的电动机系统,其节能效率与变频调速相同,但因其原理是在转子回路中串接内反馈绕组,不需要价格高昂的高压换流晶闸管,其成本目前较高压变频调速低40%以上,自身运行效率达99%,也较变频调速的运行效率提高96%。上世纪80年代在工程中已有应用,但因电机制造和自动控制技术的限制,未得到广泛应用。近年来,随着技术的不断发展,解决了电机制造和自动控制技术中的难题,使其在高压电动机节能调速领域具备了广泛工程应用的价值。

1.3 2种调速方法的技术参数比较

变频调速技术和斩波内反馈调速都可以实现三相异步电动机平滑无级调速,但由于技术方法不同,带来各自的优点和缺点。

变频调速技术和斩波内反馈调速技术的主要经济技术指标比较,如表1所示。

2 斩波内反馈调速的原理和特点

现代斩波内反馈调速属于转子串级调速技术,是从外反馈调速原理改进而来,其本质是控制绕线式高压电机转子的电流,使转子绕组与定子同步旋转磁场的作用力矩发生变化,达到调速的目的。其电路图如图1所示。

*注:Pe为电机的额定功率。

内反馈电动机在制造时即在电动机定子绕组线槽内增加了一个独立的三相绕组,称为调节绕组,当电机定子带电后,同步的旋转磁场会在调节绕组中产生感应电压,这个电压经可控逆变、斩波后,送入转子绕组,产生一个反电势。通过对斩波器脉宽的调制,控制反电势大小进而调整电动机转速[3]。

斩波器的脉宽是通过占空比进行调整的,所谓占空比K就是控制斩波电子开关(按合适的频率)在一个工作周期内开通时间占周期时间的比率。

反电势的公式为

由式(2)可知,如果K的值可以在接近0至接近1之间平滑变化,则与转子中的反电势UF可以在接近U1至接近0之间平滑变化,从而转子转速便可以在设计的最低转速和额定转速间平滑变化,实现平滑无级调速的目的。另一方面,当电动机转速由额定转速向下调整时,转子回路会产生感应电功率,称之转差功率。转子的转差功率也通过调速装置输出到调节绕组,调节绕组在定子上形成的磁场与转子旋转磁场相互作用产生正向的拖动转矩,并使电机从电网吸收的有功功率减少[4]。定子绕组的有功电流随转速正比变化,从而达到调速和节能的目的。

在调速系统发生故障时,将S1闭合短路转子绕组,就可以使电机进入全速运行状态,不影响负载的正常运行,比较定子侧高压开关旁路调速设备具有较高的可靠性。

3 实用节能效果分析

秦皇岛某发电厂一台灰渣泵,进行斩波内反馈式调速节能改造,在对系统进行了21天的试验跟踪监测,对改造前后的各项指标进行了对比统计。

3.1 电动机参数

电机型号:

YRCT560-8/560 k W/6 k V/741-358 r/min

功率:560 k W

额定转速:741-358 r/min

定子电压:6 k V定子电流:65.1 A

转子电压:977 V转子电流:354 A

反馈电压:626 V反馈电流:213 A

负载类型:离心式水泵

调速装置:斩波内反馈调速系统

3.2 试验运行记录

试验期间从9月1日到9月21日共21天,期间对灰渣泵进行了变速调节和节能试验。在试验期的运行方式为锅炉排灰期间,电机全速运行,每天6h左右,其余时间在调速状态运行。前10天将转速控制在600 r/min;后11天将相应的电机转速升高到650 r/min左右,具体试验记录如表2、表3、表4、表5、表6所示。

注:节电功率等于全速下实测功率减去各转速下实测功率;节电率等于节电功率除以全速下实测功率。

由表5可绘出转速和节电率关系曲线,见图2。

3.3 统计结果分析

由表2可知,电机在各转速下,谐波量均满足电网的要求,波形畸变率较变频调速小。由表3,4可知,电机振动在16~12.3μm之间,符合国家标准,并且可以看出电机振动随转速下降而降低。电机温度在64~68℃之间,属正常范围之内。由表5可知,在不同的转速下,斩波内反馈式调速系统节能效率随转速的下降而成比例提高。

从运行历史记录中,查得变速改造之前,同容量灰渣泵,平均日运行功率为414 k W,参考表6可做如下计算。

节电率:

年利用小时按7 000 h计算,一年节电量为4147 00028.5=825 930 k Wh

每度工作用电按1元计算,每年节电效益在80万元左右。

4 结束语

基于转子侧转差功率控制技术的斩波内反馈调速系统,解决了高压电机高电压调频调速控制的难题,实现高压电机转速调节的低电压控制;调速控制功率仅为电机额定功率的14.8%左右,就可实现宽范围转速的平滑调节;具有良好的调速机械特性;由于定转子的隔离和绕组分布的作用,斩波内反馈调速对电网的谐波影响很小,满足电网要求;调速控制装置采用DSP和CPLD全数字化控制技术,具有良好的人机界面,可实现与DCS系统的联接远程控制,且自身损耗低,电机功率因数高,节能效果明显。与变频调速相比,具有效率高,结构简单,谐波小和价格低廉的优势。

目前技术仍在不断研发中,其中并联斩波和双逆变专利技术,有效地解决了电力电子器件的直接并联和串联带来的均压和均流以及可靠性方面的问题,可以很方便地实现调速装置的并联运行,从而使斩波内反馈调速系统能应用在更大容量的高压异步电机中。

推广使用高压绕线式电机和采用斩波内反馈调速技术,对高压风机和泵负载较多的发电厂和钢铁厂等具有巨大的节能经济效益,对我国节能减排事业具有重大意义,它的产业发展,会给我国社会经济带来巨大的效益。

参考文献

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[3]宋书忠,常晓玲.交流调速系统[M].北京:机械工业出版社,2001.

内反馈电机 第2篇

近年来,随着高性能永磁体材料技术、电力电子技术和微电子技术,特别是矢量控制理论和自动控制理论的发展。使得永磁同步电机控制系统得到了迅速的发展[1]。作为一个非线性系统,对其进行精确的控制受到了很多学者的研究和关注,其中一个基于反馈线性化的研究也取得了很快发展,已经成功地解决了许多问题,并且在一定领域上取得了很好的控制效果。该方法是通过计算输出变量的李导数,得到需要的坐标变换量和状态反馈控制量,使非线性问题转化为线性问题。其中文献[2]研究了异步电机的反馈线性化控制问题,并取得了不错的控制效果,文献[3]研究了永磁同步电机的反馈线性化的位置控制。从以上结果来看,在模型精确化后反馈线性化控制对一类非线性系统有很好的控制效果。总而言之反馈线性化是一个很好处理非线性系统方法。

1 反馈线性化基本知识

考虑一类单输入/单输出n阶非线性系统,可描述为:

式中:x∈Rn为系统的状态变量;u,y∈Rm分别是系统的输入/输出向量;且f(x),g(x)和h(x)在定义域D⊂Rn上足够光滑;映射f(x):D⊂Rn和g(x):D⊂Rn称为D上的向量场,h(x)是标量函数。

现在对式(1)中的输出变量y进行求导则有:

式中:

式(3)称为h(x)关于f(x)或沿f(x)的Lie导数,这种表示方法类似于h(x)沿ẋ=f(x)轨迹的导数[4]。

定义如果对于所有x⊂D0,有:

则称非线性系统1在x0处具有相对阶为r,且1rn。当系统的相对阶r与阶数n相等时,该系统可以精确反馈线性化[12],系统可作如下变化:

这里:

这样系统式1就可以完全线性化为如下的一组积分器串联的简单形式:

对于式(6),可以按照线性系统理论来设计其输入变量v(t),然后再有式5解得原非线性系统的反馈线性化控制为:

2 永磁同步电机数学模型

永磁同步电机的定子和普通电励磁三相同步电机的定子是相似的。如果永磁体产生的感应电动势与励磁线圈产生的感应电动势一样,也是正弦的,那么永磁同步电机的数学模型与电励磁同步电机基本相同[1]。为简化分析,作如下假设:忽略铁心饱和效应;气隙磁场呈正弦分布;不计涡流和磁滞损耗;转子上没有阻尼绕组,永磁体也没有阻尼作用。采用表面式的永磁同步电机,其基于同步旋转转子坐标的d-q数学模型如下[1]:

式中:ud,uq是d,q轴定子电压;id,iq是d,q轴定子电流;R是定子绕组电阻;L是定子电感;TL是负载转矩;J是转动惯量;B是粘滞摩擦系数;Pn是极对数;ω是转子机械角速度;φf是永磁磁通。式(8)可简化为:

式中:

为了实现系统的解耦,避免出现零动态现象,这里选择ω,id为系统的输出变量,定义新的输出变量为:

对式(10)进行求导,有:

由于系统是三输入/三输出系统,且它的相对阶是{1,1,1},其和等于系统的阶数,所以系统可以反馈线性化,且不会出现零动态问题[4]。令假定控制量为:

则线性化系统为:

这样可以按照线性系统极点配置理论来设计状态反馈控制为:

可以得到实际控制律ud,uq

3 SVPWM介绍

空间电压矢量PWM控制是一种优化的PWM控制技术,能明显减小逆变电路输出电流的谐波成分及电机的谐波损耗,降低转矩脉动,且其控制简单,数字化实现方便,电压使用率高[5]。所以得到了快速的发展。其基本组成部分仍然是v1~v6六个功率开关管,如图1所示。图2是SVPWM空间矢量图。

假设开关管导通为1,断开为0,开关管的开关状态(000~111)是8,相应获得8个空间电压矢量,其中(000)和(111)是零矢量,因此SVPWM调制可以使用6个有效的空间电压矢量和2个零矢量来表示旋转参考向量Vref,使磁通矢量近似为圆,如图2所示在任意小的时间周期T内,使整流器的输出和平均参考电压是相同的[5]。在α-β静止坐标系下,在任意小的周期T内,使PWM的输入Vref有Vα和Vβ组成,这样就可以实现SVPWM的计算了。具体计算可以参考文献[5]。

4 系统实例仿真

根据已建立的永磁同步电机的模型以及反馈线性化的知识,可得到系统的控制框图如图3所示。在MatLab 7.6/Simulink下,设电机参数如下:R=0.56Ω,L=0.015 3 H,φf=0.175 Wb,J=0.002 1 kgm2,Pn=3,B=0.000 1,Ud=300 V。假定参考ω的速度是,仿真结果如下。从图和图可知该系统可以快速响应并很快跟踪上给定参考、几乎没有稳态误差。从图6和图7可以知道,不同大小的负载力矩扰动速度是不一样的,但是系统可以快速跟踪参考速度。

5 结语

本文介绍了反馈线性化控制和SVPWM的相关知识,然后结合永磁同步电机这个非线性系统,利用反馈线性化的方法,进行基于SVPWM的反馈线性化速度跟踪控制的研究,通过Mat Lab 7.6/Simulink进行仿真实验,从仿真的结果来看反馈线性化控制有很好的速度跟踪效果,然后在不同扰动负载下,验证了所设计速度跟踪控制器的鲁棒稳定性,得出了控制器有很好的鲁棒稳定性的结论。

摘要：为了实现对永磁同步电机很好控制的目的,采用反馈线性化的方法,通过求取输出变量的李导数,得到需要的坐标变换和状态反馈变量,设计了控制器。利用MatLab7.6/Simulink做了基于SVPWM的永磁同步电机的反馈线性化控制仿真实验。在加不同大小负载的情况下,验证算法对不同负载速度跟踪的效果,获得了反馈线性化控制对永磁同步电机跟踪控制效果好的结果,得到了反馈线性化控制具有很好的鲁棒稳定性,是控制非线性系统的一个好方法结论。

关键词：永磁同步电机,反馈线性化,SVPWM跟踪控制,鲁棒稳定性

参考文献

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[11]张秀峰,王娟.Matlab机电控制系统技术与应用[M].北京:清华大学出版社,2011.

内反馈电机 第3篇

雷达正常工作必须有天线一定的转速作为保证。这对电动机转子的旋转速度变化非常敏感, 因此需要设计一个控制系统去驱动的电动机而好控制天线的转速, 使之具有优良的性能, 从而能应用到实际作为铺垫。其具体设计步骤如图1所示:

1 确定控制目标, 定义被控变量, 列写系统性能指标

雷达天线转动由设置在轮轴上的直流电动机驱动。柴油发动机 (diesel engine) 产生常值角速度ωd驱动发电机 (generator) 工作, 从而产生提供给直流电动机转子的固定电压νg。该直流电动机将输入的固定电压转换成固定电流控制转子转动, 从而产生扭矩T, 扭矩驱动连接着负载的轴转动, 产生角速度ωo。同时, 转速计 (tachometer) 测量ωo, 产生反馈电压νo。再将反馈电压与由throttle位置设定的参考电压νr相减得到误差信号νr-νo。然后用电子放大器放大误差信号, 得到输出电压信号νf, 将其提供给直流发电机的绕阻, 从而使轴的转动角速度ωo趋向于期望的转动角速度ωr。

由上述工作原理可以确定:柴油发电机雷达天线系统的控制目标是:调整轴的转动角速度ωo使之趋近于期望的转动角速度ωr;与之对应的被控变量为:轴的转动角速度ωo。

此外, 将此系统的工作原理适当简化得出该系统的信号流程图如图2所示。

图中Lt和Rt定义如下:Lt=La+Lg, Rt=Ra+Rg

参数值如表1所示:

由图2可以看出, 柴油发电机雷达天线系统唯一的可调参数就是放大误差信号νr-νo的放大器增益K。因此, 关键的可调参数可暂时设定为:放大器增益K。

最后, 由系统工作要求确定该系统的三个性能指标。

综上所述, 控制目标、被控变量以及系统性能指标如下:

控制目标:当外界负载扭矩存在时, 调整轴的转动角速度使之趋向于期望的转动角速度。

被控变量:轴的转动角速度ωo。

系统性能指标: (1) 单位阶跃信号输入下, 稳态跟踪误差小于2%

(2) 单位阶跃信号输入下, ωo (t) 的超调量小于10%

(3) 单位阶跃信号输入下, 调节时间小于1秒

2 建立系统状态空间描述与分析系统稳态响应

首先, 需要选择一组合适的状态变量。但是选择状态变量在实践中是一个十分困难的过程, 特别是对于有一定复杂程度的系统。因为当系统初始状态和未来时刻的所有输入为已知时, 被选定的状态变量必须能够完全表征系统未来的运动行为。

柴油发电机雷达天线系统主要由三个部分组成:两个电路回路和一个机械系统。因此, 被选定的状态变量组必须既包括电路回路的状态变量又包括机械系统的状态变量。当然, 状态变量的选择不是唯一的, 其中一个合理的选择是:

然后, 根据上面定义的状态变量, 列出电路部分和机械部分的原始方程, 并对原始方程进行规范改写, 得到系统的状态变量方程为:

其中u=KKpotωr-KKtx1。

导出矩阵形式的状态变量方程和输出方程 (设Td=0) 为:

该状态空间描述对应的系统传递函数为:

将参数值:Kpot=Kt=1代入状态空间描述中, 则此系统有如图3所示的简单反馈结构:

由表1给出的参数值计算单位阶跃输入下的稳态跟踪误差为:

根据罗斯-霍尔沃茨定理, 当

该闭环系统稳定。由 (2.5) 式知, 当K取最大值时, 系统的稳态跟踪误差最小, 最小的稳态跟踪误差为15%, 这将不满足系统性能指标 (1) 的要求。这时, 如果继续增大K的值, 该闭环系统将不稳定, 系统阶跃响应将出现振荡。因此, 需要考虑设计状态反馈控制器。

3 设计状态反馈控制器

下面考虑状态反馈控制器的设计, 附加了反馈控制器在系统信号流程图如图4所示, 状态变量ωo, ia和if都将用于反馈。这时系统的可调参数除了前面提到的放大器增益K外, 还包括状态反馈矩阵H。因此, 修正关键可调参数为K和H。

则关键可调参数为:放大器增益K和状态反馈矩阵H。

下面讨论状态反馈矩阵H的设计。不失一般性地, 设K=1 (当K的值大于0时将得到相同结论) , 这时输入控制量u为:

反馈增益将由Kt, K2, 和K3共同决定, 其中转速计增益Kt将是设计过程的一个重要参数。此外, Kpot也是一个重要的可调参数, 通过调整参数Kpot, 就可以自由地选择输入ωr。

定义矩阵H=[KtK2K3], 则 (6) 式写成:

因此附加了状态反馈控制的系统状态空间描述为:

其中v=Kpotωr。

下面, 采用极点配置法来设置状态反馈矩阵H。

首先, 判断系统是否为完全能控的系统, 如果系统为不完全能控的系统, 那么就不满足“极点可配置条件”, 也就不能采用极点配置法来求取反馈矩阵H。这里采用秩判据来判定系统的能控性, 此系统为n=3的连续线性时不变系统, 构造能控判别矩阵:

计算Qc行列式的值:

当Kg≠0, Km≠0且JLf3Lt2不为零时, det Qc≠0, 则该系统为完全能控的系统, 满足“极点可配置条件”, 可任意配置全部的闭环极点使系统满足系统性能指标 (2) 、 (3) 的要求。

由系统性能指标 (2) 、 (3) 得出系统闭环极点 (即矩阵A-BH的特征值) 的期望区间如图5阴影部分所示。

我们可以在期望的闭环极点区间内任意地选择一组闭环极点来计算状态反馈矩阵H。这里选择的一组期望闭环极点为:

计算状态反馈矩阵是一个比较复杂的运算过程, 但是Matlab的acker函数为状态反馈矩阵的计算提供了极大的方便。在Matlab命令窗中直接输入语句H=acker (A, B, P) 就可以直接得到状态反馈矩阵H, 其中A为系统矩阵, B为输入矩阵, P为期望的闭环极点矢量组。根据上面选定的期望闭环极点得出状态反馈矩阵H为:

然后, 计算闭环传递函数的直流增益以选择合适的增益Kpot。系统的闭环传递函数为:

这样就使增益Kpot有效地作用于闭环传递函数, 从而使直流增益等于1。这时, 输出变量ωo跟踪代表1°/sec的单位阶跃输入, 即输出变量产生1°/sec的稳态输出响应。

最后, 用Matlab程序画出系统闭环阶跃响应曲线图, 如图6所示。

Matlab源程序如下:

从图6的阶跃响应曲线可以看出附加了状态反馈控制器以后, 所有的系统性能指标要求都已满足, 设计过程完毕。

此外, 用acker函数可以方便快捷地计算给定期望极点位置的状态反馈矩阵H, 这将非常简单地实现期望极点位置的变化。因此, 用上面的Matlab程序仿真可以方便地实现状态反馈矩阵H的变化对系统输出响应影响的研究。

4 用Simulink对系统进行仿真实验

除了可以用Matlab程序仿真的方法实现对系统输出响应的分析外, 还可以用Simulink建立系统模型的方法实现对系统的仿真, 而且Simulink模型仿真更为直观和方便。

根据柴油发电机雷达天线系统方框图 (图3) 建立闭环系统模型, 如图7所示。

系统模型由状态变量描述 (即由State-Space模块定义系统矩阵A、输入矩阵B、输出矩阵C和传输矩阵D) 给出, 模型的输出是变量组:ωo, ia和if, 这些状态变量被反馈到反馈矩阵模块得到反馈信号Hx, 再与被Kpot放大的输入信号ωr相减作为State-Space模块的输入。变量组ωo, ia和if的输出图像可以在示波器模块中直接得到。

运行图7的Simulink模型, 然后双击示波器模块, 立即得到变量组ωo, ia和if的输出图像如图8所示。显然, 这个图像和上一节用Matlab程序法仿真得到的图像是一致的。

此外, 用Simulink模型可以更加方便地实现增益Kpot和状态反馈矩阵H的改变, 也可以更加直观地看到由于参数改变对系统输出响应的影响。

用可调增益模块代替固定增益模块就可以方便地实现增益Kpot在给定范围内的调整。双击可调增益模块弹出如图10所示的增益调节对话框, 通过在对话框中输入数值, 就可以根据需要任意地设定增益调节范围和当前需要的增益值。拖动调节滑块使增益的调整变成一个十分简单的过程。改变增益值后关闭对话框再次运行Simulink模型就得到改变增益值后的系统输出响应曲线。

双击增益矩阵模块, 弹出如图10所示的状态反馈矩阵对话框, 通过输入不同的矩阵元素值, 就可以非常简单地实现极点位置的变化。改变状态反馈矩阵元素值后再次运行Simulink模型就可以得到改变参数值后的系统输出响应曲线。

因此, 用Simulink模型仿真也可以很容易地进行数字实验和分析参数变化的情况下闭环系统的运行情况。

5 小结

通过对柴油发电机雷达天线系统建模分析, 实现对系统的状态空间描述, 并基于该状态空间描述采用极点配置法设计出了状态反馈控制器, 使系统满足了各项性能指标的要求。最后用Matlab程序仿真和Simulink模型仿真两种方法对设计结果进行了一定验证。

摘要：对民航地空通信普遍使用雷达天线驱动控制进行一种建模, 使用Simulink建立系统模型的方法实现对系统的仿真。在特定情况下采用柴油发电机控制使其雷达天线转速达到一定标准。该文主要对其建模及仿真做一定研究。

关键词：Simulink,仿真,天线转速

参考文献

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[2]郑大钟.线性系统理论[M].2版.北京:清华大学出版社, 2002.

内反馈斩波串级调速系统的研究 第4篇

我国是一个电力资源非常短缺的国家,节能作为一项重要的技术政策,对国民经济的发展具有深远的影响,尤其风机和水泵负载在国民经济各部门中应用的数量众多,分布面极广,耗电量巨大。为了响应国家提出的节能减排的号召,因此积极推广高压大功率风机、泵类负载的调速技术具有重大的意义[1,2]。目前主要有变频调速和串级调速两种调速方式。在高压大容量系统中,变频调速成本很高、体积大,存在诸多问题。而在普通的串级调速系统中,逆变变压器接电网,造成转差功率在绕线电机、不可控整流器、有源逆变器、逆变变压器和电网中的无谓循环。而且有源逆变器通常采用滞后相控触发,电机转速的改变是通过改变逆变角来实现的,在深调速时系统功率因数低、谐波电流大等缺点。基于此,本文主要研究一种内反馈斩波式串级调速方式,通过MATLAB对该系统进行仿真和分析,验证该系统的可行性。

1 内反馈电机的工作原理

在串级调速系统中,需要给绕线异步电动机转子提供附加电势,而普通异步电机是按恒速运行设计制作的,没有考虑调速需要,因此普通异步电机是无法提供附加电源的。内反馈电机是利用电机绕组多重化技术,在异步电机的定子铁芯上,增设了一套绕组,该绕组主要是用来接收从转子反馈回来的能量,因此称其为调节绕组,而将原来定子绕组称为主绕组。在串级调速系统中,内反馈电机可以提供普通异步电机无法提供的附加电源。当电机接通电源时,通过旋转磁场的感应作用,调节绕组产生感应电势,其数值为:

式中:f1是电源频率,N1是内反馈绕组的串联匝数,φm是电机主磁通,KN1是内反馈绕组的系数。

其调速原理是[3]:将电机的转子绕组通过整流逆变装置与内反馈绕组相连,实现电转差功率的交换,从而实现电机的调速。

2 内反馈斩波串级调速系统

2.1 斩波内反馈串级调速系统的组成

内反馈斩波串级调速系统的拓扑结构如图1所示[4]。图中,UR为由二极管组成的三相桥式不可控整流电路,UI为由晶闸管组成的有源逆变器,中间直流回路接有由绝缘栅双极晶体管(IGBT)构成的斩波器。有源逆变器UI始终工作在最小逆变角状态,逆变角一般取25~30°。三相异步电动机采用绕线式内反馈调速电动机。通过改变IGBT斩波器的占空比,来改变斩波器的输出电压,即改变串入转子的附加电势来改变电动机的转速,实现对电机调速。其中,电抗器L1起滤波作用,以便抑制转子电流脉动,减少定子电流高次谐波分量。二极管D起隔离作用,电容C和二极管D一起组成斩波器的缓冲网络,电容C起能量缓冲作用。当IGBT关断时,电容储存能量,IGBT导通时,电容向有源逆变器放电。电抗器L2的作用是维持有源逆变器电流的连续。当电容器两端电压大于逆变器电压时,通过逆变器的电流增加,否则电流减少[5]。

2.2 斩波内反馈串级调速系统的调速原理

普通串级调速系统调速是通过改变逆变角β来实现的,但随着β角的增大,系统无功损耗增加,功率因数降低,系统性能恶化,为此提出了IGBT斩波器控制串级调速系统。由图1可知,内反馈绕线式异步电动机的转子输出电压接至三相桥式不可控整流器,通过IGBT直流斩波器与电源换相的三相桥式可控硅逆变器UI相连。UI是普通可控硅组成的桥式变流器,它的触发控制角α不需调节,但从工作原理考虑,它可固定在某一个大于90°的触发角,但实际上为了提高功率因数,降低无功损耗,总是把它控制在最大触发角也即最小逆变角βmin的地方。

斩波器对功率的控制是通过改变电流平均值实现的。通常以恒频调宽方式工作,在电流连续的情况下,斩波电流和反馈电流互补,因此,只要分析其中一个电流对功率的控制作用,就可以说明调速机理。斩波开关工作时,斩波电流iM和逆变电流iN波形如图2所示。

其中,斩波电流产生机械功率,逆变电流产生电转差功率,设周期为T,斩波开关导通时间为t1,则斩波电流平均值为:

IT=T10t1iddt=Tt1 Id(2)

式中Id为整流后的直流电流值。

令:τ=t1/T,称为占空比。相应的逆变直流电流值为:

同样,从图2可知,在t1时间内,斩波开关断开,转子整流的输出电压为:

式中:K1为电压整流系数;s为内反馈电机转差率;Er0为内反馈电机转子开路电压。

当转子整流电路为是三相桥式整流电路时,K1=2.34。

斩波器前后端电压匹配关系为:

联合求解式(4)和式(5)得:

则:

式中:n为电机的实际转速;nsyn为电机的额定同步转速。

由式(7)可知,改变斩波器开关导通时间就可以调节电机转速。因此,内反馈斩波串级调速不需要改变晶闸管的移相角,而是通过改变斩波器的占空比来调节电机转速。

3 系统仿真分析

3.1 内反馈斩波串级调速系统仿真模型的建立

根据内反馈电机串级调速系统原理图,应用MATLAB软件中的SIMULINK模块搭建系统的仿真模型,如图3所示。转子侧控制电路分为三部分,先将转子侧输出的三相交流电压通过三相桥式二极管整流成直流电压,再通过boost升压斩波电路来改变IGBT的占空比,从而改变逆变器直流侧电压,最终改变转速,逆变器的逆变角取30°,以减少无功。

3.2 内反馈斩波串级调速系统仿真研究与结果分析

不同占空比下的转速、有功功率、无功功率的变化曲线如图4、图5、图6所示。

不同占空比时功率因数变化曲线如图7所示。

由上述各图可看出,电机的转速、有功功率、无功功率、功率因数与占空比近似成线性关系。当占空比增大时,电机转速增大,当占空比减小时,电机转速、有功功率、无功功率都随着下降,且有功功率下降的更快,因此,电机的功率因数下降,符合交流异步电机的转速调节原理。

4 结语

本文提出的斩波式内反馈串级调速方案,通过改进其转子侧功率的控制方式,解决了普通串级调速系统存在的功率因数低,谐波含量高的缺点,并且使系统的效率得到了进一步提高。与其它调速系统相比,它具有成本低,结构简单等优点。对于高压大容量风机,水泵类负载的节能调速传动具有突出的优越性。因此,斩波式内反馈串级调速系统对风机、水泵类负载的节能调速具有重要实际意义。

摘要：针对传统串级调速系统存在着功率因数低、谐波污染严重等缺点,设计了一种内反馈电机斩波串级调速系统。给出了该系统的拓扑结构并分析了调速原理,采用MATLAB软件中的SIMULINK模块搭建该系统仿真模型,并进行仿真验证。结果显示该系统具有良好的调速性能,解决了普通调速系统功率因数低、谐波含量高的缺点。

关键词：串级调速,内反馈,斩波,仿真

参考文献

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[2]王励涛,王胜斌.高压内馈调速在风机水泵调速节能运行中的应用[J].上海节能,2002(3):25-28.

[3]胡旭明,黄海田,莫岳平,赵培江.内反馈电机的建模与仿真[J].电工电气,2010(12):13-16.

[4]刘观起,孙金水,万军.基于IGBT斩波控制的内反馈串级调速系统的研究[J].电力科学与工程,2008,24(1):37-40.

发电机内冷水处理系统探索 第5篇

发电机定子线圈水内冷是大型发电机组普遍采用的冷却方式。发电机内冷水通常选用除盐水和凝结水作为冷却介质,除盐水纯度高,能够满足绝缘要求,但是p H值较低,对系统有一定的侵蚀性,铜、铁金属在水中遭受的腐蚀是随着水溶液p H值的降低而增大的。

在安装发电机内冷水处理系统时,要实时地监测系统的运行情况就要求安装相应的在线水质分析仪表,而不同的系统设计和现场环境,也对在线水质仪表的应用提出了不同的要求。

2 发电机内冷水的水质要求和行业标准

发电机内冷水的水质要求:

由于发电机内冷水是在高电压电场中作冷却介质,因此各项质量要求必须以保证发电机安全经济运行为前提。发电机内冷水水质应符合如下技术要求:

(1)有足够的绝缘性能(即较低的电导率),以防止发电机线圈的短路。

(2)对发电机铜导线和内冷水系统无腐蚀性。

(3)不允许发电机内冷水中的杂质在空心导线内结垢,以免降低冷却效果,使发电机线圈超温,导致绝缘老化和失效。

发电机内冷水的行业标准

根据DL/T 801-2002《大型发电机内冷却水水质及系统技术要求》中的规定,我国发电机内冷水的水质标准如下:

电导率(25℃)2.0μs/cm

p H(25℃)7.0~9.0

Cu(25℃)40μg/l

溶解氧30μg/l

溶氨<300ug/l

3 内冷水水质的影响因素

内冷水的水质情况主要由补充水的水质情况和使用中铜导线的腐蚀情况决定,要控制内冷水水质就要控制补充水水质和铜导线的腐蚀。控制补充水可以使用除盐水和凝结水;控制铜导线的腐蚀,就要相应地降低内冷水的电导率,提高p H值,抑制铜导线的腐蚀速率。

下面是对影响内冷水水质因素的简单介绍:

3.1 电导率

电导率的大小直接影响冷却介质的绝缘性,影响到发电机的安全运行。根据不同时间的行业标准可以看出国家对内冷水电导率的要求越来越严格。

在控制内冷水电导率方面,一般情况下,补充水使用除盐水和凝结水时,电导率都能很好的控制在2μs/cm,完全可以满足国标需要。但除盐水的p H一般在6.8左右,凝结水一般在7.0~7.5,对于抑制铜线棒的腐蚀不利,下面详细将介绍。

3.2 p H

参考图1:水中p H值在8~9范围内时的腐蚀速率最小,也就是说铜的最佳耐腐蚀p H值范围大概是8~9。

为什么铜的的最佳耐腐蚀p H范围在8~9呢?首先,铜线棒与内冷水中氧气反应会在铜线棒的表面形成一层保护膜即氧化膜,如果氧化膜大量溶解,则会导致铜线棒的大量腐蚀,从而内冷水导电度和铜含量增加以至超标,这时p H的范围将是关键因素。p H值为8~9时,铜氧化物的溶解度很低,基本上保持不变,所以内冷水的最佳p H值约为8.0~9.0。

3.3 溶解氧

当内冷水的p H范围不在最佳范围时,溶氧量的增加将会直接影响铜线棒的腐蚀,腐蚀影响可参见图2;但是,当内冷水的p H范围在最佳范围内时,由于铜线棒表面的氧化层的保护,溶氧量的增加对铜线棒的腐蚀将会是最低的。

4 国内目前定冷水处理的常规方式介绍

4.1 添加铜缓蚀剂法

向发电机内冷水中加入一定量的铜缓蚀剂,使铜缓蚀剂与水中铜离子络合生成难溶沉淀,覆盖在铜表面,形成暂时保护膜,以减缓铜基体的腐蚀。此法虽然可以减轻铜腐蚀,但存在许多问题,如难以保证电导率、p H值和含铜量几项指标同时合格;水中缓蚀剂含量的测定繁琐;由于运行中内冷水的不断损失,在补充除盐水的同时还需要不定期的补加缓蚀剂,需设置必要的配药、加药设备,运行监督难以做到准确、及时和连续。

添加铜缓蚀剂使系统的安全性也难以保证。例如:1998年,国内某发电厂1台机组曾因发电机内冷水加BTA铜缓蚀剂后,各项指标难以控制而最终导致发电机烧毁事故发生。

4.2 换水法

当内冷水水质接近标准值时,用除盐水或凝结水对内冷水进行部分或全部补充。特点是不用设置任何处理或加药系统,简单且几乎没有运行成本,问题是由于凝结水中氨成分的存在,可能发生铜氨络合反应而腐蚀铜部件,加上除盐水中含有大量的溶解氧和二氧化碳,且p H值较低,不利于发电机长期安全运行。

4.3 H-OH型混床旁路法

使用H-OH型混床旁路对部分内冷水进行处理,以降低电导率和含铜量。采用此法处理时,一般p H值较低(低于7),如果水箱密封不严,水中溶入氧气和二氧化碳后,铜线棒的腐蚀更严重,同时这样的混床运行周期短,需要经常更换离子交换树脂。

4.4 Na型-H型单混床法

将原混床H型阳树脂和强碱OH型阴树脂混合运行方式改造为特殊三种树脂并联分层运行方式。

这种方式可以使各项指标都能达到要求,而且混床运行周期也相对较长。但是这种混床的碱化程度主要取决与内冷水中含铜量的多少,这样容易出现周期性的碱化度不够,将不能持续的抑制铜线棒腐蚀。

4.5 发电机内冷水加碱处理

根据内冷水系统抑制铜线棒腐蚀的机理,借鉴国外内冷水处理的技术,对内冷水系统进行加碱处理,可以保证持续有效的抑制铜线棒的腐蚀。此装置一般由一套混合离子交换器和一套自动加碱调节p H装置组成,同时配有在线分析仪表。

加碱处理系统图如下:

此套系统控制的内冷水指标:

(1)系统出水p H为8.0~9.0

(2)内冷水系统的电导率稳定在1.0~2.0μs/cm(25℃,双水内冷机组3.0μs/cm)

(3)冷却水中的铜离子含量维持在10μg/L(25℃,双水内冷机组为40μg/L)

以下综合各项指标和实际的应用等各方面要求,内冷水的加碱处理无疑是最合理,最优秀的处理方式。

5 内冷水处理中在线水质仪表的应用

5.1 在线p H表

内冷水的补充水一般为除盐水,电导率范围在1.0μs/cm左右属于高纯水,且内冷水来自发电机,内部可能带有部分电荷等影响测量的因素,由于复合式电极的诸多不稳定性,对于此处高纯水的测量,建议使用分体式电极,有条件的单位可使用专业的高纯水p H测量系统,这样可以保证内冷水p H值的准确性。

5.2 在线电导率表

在内冷水系统中,对电导率要求非常高,在正常运行中电导率一般在1.0μs/cm左右。部分进口电极针对高纯水测量的精度比较高,监测范围在0~2μs/cm左右;

注意:由于p H测量原理上的制约,p H的响应仍然要滞后于导电率的测量,所以导电率仪表的数值更能实时的反映出内冷水的实时情况。

5.3 在线溶氧表

在此点上国标要求是30μg/l,在现场采用闭式循环的水路中,一般控制在15μg/l以下。国内溶氧电极在15μg/l以下时测量精度和稳定性较难符合要求,建议使用进口溶氧电极,但对于氢冷机组漏氢严重的内冷水系统,溶氧电极将较难稳定测量,尤其是平衡式电极。

5.4 铜离子检测仪

目前,微量铜离子的测量一般是实验室仪表测量,国产实验室仪表基本可以满足使用要求。

6 改变观念、积极学习

对于国内内冷水的处理,关键还是改变传统观念,多借鉴国外成熟的处理技术,不断提高国内内冷水的水质状况。

针对内冷水的p H范围,大多数的单位不能总停留在20世纪90年代甚至更早的水平,即控制p H在7.5以下,徘徊在此项国标的下游水平。同时,对于反映内冷水状况的分析仪表也要多加重视,有针对性的选型。

参考文献

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[2]贾新兵.SZSY1型定冷水处理装置在300MW发电机上的应用[Z].

[3]白亚民.优化发电机内冷却水防止铜腐蚀的方法和措施[J].电力设备.

[4]K.schleithoff,H.-W.Emshoff.Optimization of the conditioning of generator cooling water.

浅析发电机内冷水系统处理方案 第6篇

引言

发电机的绝缘性能和铜线棒的腐蚀速率是火电厂发电机内冷水系统处理中的重要步骤和关键, 水质系统的处理方法直接关系着机组的正常运行。由于内冷水回路堵塞、断水等原因造成许多的重大事故, 由此可见, 内冷水系统的水质问题对生产运作有着重要的安全问题, 优化处理方案的实施具有重要意义和必要性。

1 影响发电机内冷水系统腐蚀的因素

在保障发电机正常运作的前提下, 水质需在高电压电场中作冷却介质, 在强碱性介质中铜离子与羟基离子会发生反应, 导致砼表面的氧化铜或氧化亚铜的保护层遭到破坏, 究竟有哪些因素对铜造成腐蚀影响, 以下几方面是对此现状的分析:

1.1 PH对铜导线具有一定的腐蚀影响

铜在水中容易受PH的影响, 导致铜线腐蚀, 电位和PH值在达到一定的值时, 就达到了铜的腐蚀区域, 所以在控制电位的同时, 把铜的稳定区控制在7~10之间, 保证铜不受腐蚀。

1.2 氨对铜导线具有一定的腐蚀作用

氨含量的多少决定着氨对铜导线的腐蚀速率, 氨含量过高时, 腐蚀的速率发展的会很快, 试验证明, 氨含量在大于每小时10~100毫克, 有明显的氨腐蚀现象, 凝结水氨含量在不高于每升一毫克左右时, 冷水系统受电率影响, 不易发生氨的浓缩, 所以不会发生氨腐蚀的现象。因此, 要对电导率进行严格的把关控制, 避免发生氨腐蚀的现象。

1.3 电导率对铜导线具有一定的腐蚀影响

不同电导率的痛腐蚀速率不同, 水的导电率大于2us/cm时, 铜的服速率趋于平稳状态, 电导率小于1us/cm时, 铜的腐蚀速率上升至1.8倍, 因此, 从铜的腐蚀保护观来看, 电导率是不能过低的, 而太高, 又不能起到绝缘作用。

1.4 二氧化碳对铜导线具有一定的腐蚀影响

1.4.1 空气中的二氧化碳在溶于内冷水时会使PH值降低。

1.4.2 空气中的二氧化碳会铜表面的保

护层进行破坏, 发电机在运行中冷水系统很容易受二氟化碳的腐蚀, 一般情况下解决的方案是将氨溶解到水中以防止二氧化碳对空心导线的腐蚀。

2 发电机内冷水系统的现状和应用处理方

法

为了解决发电机内冷术系统的水质PH偏低, 各种腐蚀因素对铜导线的腐蚀, 电导率相对不稳定, 铜离子超标等一系列技术问题, 该电厂对目前发电厂的各种问题进行了分析与总结, 在力求抓住问题重点的情况下, 对本厂进行了深刻的探讨和自检。

2.1 发电机内冷水旧标准与新标准不匹配, 无法适应

内冷水作为冷水介质的条件需满足:绝缘性能较好, 导电率要适中, 发电机的空心铜导线和冷水系统不被腐蚀, 换言之, 要有较高的PH值, 发电机中的冷水中的杂质不能再空心铜导线内结垢, 对于内冷水水质的要求要遵循新标准, 新标准不仅考虑到了PH值、电导率、含铜量的标准以及硬度、氨的含量以及溶氧量的标准, 同时对电导率和含铜量的要求也比较严格。

2.2 冷水系统的控制要遵循国家控制标准控制的难点问题

2.2.1 PH值和电导率不能够同时达到

标准, 发电机的冷水补充是冷水或者凝结水, 或者两者的比例相结合。当PH值在7左右时, 电导率是0.2s/cm, 这时的除盐水箱不严密, 较容易被空气中的二氧化碳等溶解气体影响, 但是PH值偏低, 会发生腐蚀, 凝结水中的氨含量变少, 对电导率的影响较大。

2.2.2 当凝结水作为补充水时, 一旦

出现泄漏情况, 循环水中的杂质会随着凝结水流入到冷水系统中, 造成水污染, 并容易发生铜导线的腐蚀。当凝结水和盐水按照比例进行混合比例进行调节, 由于加氨量的变化, 会使凝结水的电导率也发生相应的改变, 所以, 实施的可操作性比较差, 并无法控制。

2.2.3 铜缓蚀剂的缓冲性能差, 但铜离

子含量较高时, 给运动操作带来一定的影响和难度。缓蚀效果欠佳, 不能满足电导率的要求, 运行控制难度大, 出现严重的腐蚀现象, 腐蚀造成的污垢, 会阻塞冷水水流, 铜线棒超温, 损失严重, 存在着较大的安全隐患。

2.3 各种处理方法的应用

对于冷水水质的控制方法有很多, 容量小于125MW的小型机组采用的方法是, 投加铜缓蚀剂和提高更换内冷水的频率来满足冷水水质的控制要求, 可以缓解铜线棒的腐蚀, 但也会铜缓蚀剂混合物的沉淀, 造成铜线帮内冷水通道堵塞的现象。对于大型发电机组则由发电机械厂进行制造小混床旁路处理内冷水水质的施工工艺技术, 可以降低冷水内的电导率, 却不能阻止发电机的腐蚀, 研究和解决冷水系统的水质问题十分关键。

2.3.1 实行溢流法。在发电机内冷水

系统内加入溢流管, 引入凝结水管路, 不加药处理, 连续大量的补充凝结水, 排水方式采用大量溢流排水, 凝结水水质稳定时, 能够得到很好的效果, 但是其也存在着一些缺点:凝结水质恶化会导致冷水水质不合格, 给机组造成隐患;连续补充凝结水, 造成的浪费极大, 经济效益差;启停频繁, 大量补充盐水使PH值降低, 运行期间产生污染物, 引起传热不良, 造成发电机超温, 危害极大, 为保证机组的稳定安全运行, 提高设备的经济型, 溢流方法有待于进一步改进。

2.3.2 小混床处理法。内装有阴阳两种

高子变换树脂, 能够除去水中的阴阳离子, 净化水质, 但也存着这一些缺点:PH值偏低, 使内冷水水质不合格, 加重铜导线的腐蚀;混脂不均匀造成水质质量不高;运行周期不稳定, 存在碎树脂漏入发电机内;人工树脂的检修与运行增加了人员的工作量。

3 系统优化处理方法

3.1 除盐水欲凝结水联合使用

通过不断的试验摸索, 发现了内冷水的处理方法, 利用除盐水与凝结水的联合处理。

3.1.1 当溶解氧存在且氨的浓度较大

时, 会导致铜导线腐蚀, 但受到电导率控制标准的限制, 氨含量不能达到腐蚀速率, 使用此法可以严格控制电导率。

3.1.2 进行水质混合实验发现, 凝结

水和盐水混合使用加入, 测定电导率和PH值, 结果可以达到控制标准。

3.1.3 内冷水箱的电导表和PH表, 在管道上装有转子流量计, 系统基本实现闭式循环模式。

3.2 改变混床内阴阳树脂的比例

改变树脂的阴阳比例, 并通过的处理水量改变, 使水质标准符合新标准水质的要求。

3.3 单床离子微碱化法的不断改进

在发电机内装内冷水超净化处理器, 达到净化冷水水质, 缓解和抑制对铜导线的腐蚀, 效果理想, 经济方便且处理方法安全、可靠、简单, 具有一定的推广意义。

4 结语

要解决发电机内冷水系统的水质问题是一件迫在眉睫的措施, 它对整个发电机的安全正常运行有着重要的意义, 用盐水与凝结水联合处理的方法, 得到了较好的经济效果, 运行维护费用降低, 补水后直接观察现场的PH值, 提高了设备的运行效率, 改造后, 实现闭式循环, 保证了降水率的使用, 内冷水水质非常稳定, 腐蚀性得到了降低。所以, 对于相关人员来说, 要不断进行优化, 应根据本厂的实际情况来确定内冷水处理方法, 尽可能地把水质问题从根本不上进行解决。

参考文献

[1]高昕, 何青伟.浅析发电机内冷水系统处理.中小企业管理与科技, 2010, 12

[2]裴锋, 曹顺安.发电机内冷水系统密闭性能评判方法及应对策略.大电机技术, 2009, 2

[3]陈建华.发电机内冷水系统微碱性循环处理改造方案.宁夏电力, 2009, 2

利用转子槽内空隙降低感应电机损耗 第7篇

电动车辆用牵引电动机广泛使用了感应电动机, 为了节能, 要求不断提高感应电动机的效率即降低损耗。因为在感应电机的定子和转子产生的旋转磁场中, 由于结构上产生的高次谐波的叠加, 会在转子导体上产生损耗 (谐波二次铜损) 。所以, 为力图降低该损耗, 日本铁道综合技术研究所提出了采用新转子结构的建议, 即在转子槽内设置空隙。

新设计的电机在采用新转子结构的同时应用了低损耗材料, 并利用磁场解析, 以研究其降低的效果。由于在逆变器控制条件下, 附加在感应电机上的电压会因为高次谐波的叠加而使逆变器驱动时的损耗比正弦波驱动时的大, 因此, 对正弦波驱动与逆变器驱动方式进行了对比研究, 如图1所示。