組合變流變頻方式控制電磁振動(dòng)成型機的研究

0 引言

現行的人造合成石等建筑裝飾板材的真空振動(dòng)成型裝置，受其軸承等轉動(dòng)件的機械強度影響而難以在振動(dòng)中達到6 000 r/min(折合為100 Hz 的振動(dòng)頻率)，并且用氣缸及活塞帶動(dòng)的壓制器具也不便于及時(shí)調節。若采用現行的交流變頻器進(jìn)行控制，供電磁鐵繞組的電流由于電感的作用其上升速率較低，其較小的電磁振動(dòng)力與較高的造價(jià)也不太適用。

現行的采用可關(guān)斷電力電子器件與PWM技術(shù)構成的交流變頻裝置，以其性能與價(jià)格均較高的特點(diǎn)而廣泛用于交流電機的調速。晶閘管用于逆變電路須配備強迫換流電路，從而制約了它在變頻電路中的應用，其自身的諸多優(yōu)點(diǎn)難以在變頻領(lǐng)域發(fā)揮。我們在控制電磁振動(dòng)成型機的小型變頻試驗中，通

過(guò)在逆變橋每個(gè)橋臂上下晶閘管之間串聯(lián)2個(gè)電磁鐵繞組，而繞組的公共端經(jīng)電容器后接至逆變橋輸入直流電壓的中點(diǎn)。這樣可利用電容器電流過(guò)零使晶閘管關(guān)斷。

1 電磁振動(dòng)成型機的基本結構

該裝置6只較大功率的電磁鐵裝設于壓具的鋼板上，并利用裝設于上部或壓具側邊的多組壓縮彈簧配合產(chǎn)生較強的振動(dòng)力。其磁力線(xiàn)經(jīng)由電磁鐵的中柱鐵心，樹(shù)脂基混合料、鋪料鋼板和壓具鋼板而構成回路。參照盤(pán)式電磁鐵的吸引力與勵磁安匝的平方成正比，而與其間隙的平方成反比的計算公式，若使其每個(gè)電磁鐵產(chǎn)生29.4 kN的吸力，其電磁容量接

近于20 kV·A。壓縮彈簧在電磁鐵通電時(shí)向下運動(dòng)而儲存能量，在電磁鐵失電時(shí)釋放儲存能量而反彈，使壓具的鋼板對聚酯樹(shù)脂混合的料體瞬間產(chǎn)生98 kN以上的沖擊力。并在其單向磁場(chǎng)的作用中，使其壓實(shí)的薄板具有微置的磁性。

該裝置在壓制305 cm伊125 cm 規格的平板時(shí),能提供超過(guò)150 kV·A的電磁振動(dòng)，要求電磁鐵繞組中通過(guò)的電流脈沖幅值較高，而斷電時(shí)又具有一定的時(shí)間間隔，以此產(chǎn)生較強的激振力。在振動(dòng)壓制時(shí)，還應具有振動(dòng)頻率可調節與某個(gè)電磁鐵吸引力可調節的性能，從而保證壓制薄板具有均勻性的工

藝要求。裝設于壓具鋼板上的6只電磁鐵，按WA1、WC2、WB1、WA2、WC1、WB2環(huán)行排列的順序，依次進(jìn)行振動(dòng)控制而產(chǎn)生推移式的揉動(dòng)力。

2 組合變流電路的拓撲結構

利用電容器與電感線(xiàn)圈串聯(lián)的方式，在其電場(chǎng)能量與磁場(chǎng)能量進(jìn)行往復的傳遞中可實(shí)現其無(wú)功能量的平衡。若用交替通斷的電力電子器件經(jīng)由串聯(lián)的電容器對電感線(xiàn)圈進(jìn)行正、反向的通流控制，利用充電的電容器的脈波放電形式對感性線(xiàn)圈進(jìn)行快速的通流，可使其電流的相位接近于電壓的相位而提高其功率因數。

本裝置包括6 只整流管D1-D6構成的三相整流橋;2只鐵芯電抗器L1與L2組成濾波電感;4只晶閘管T7-T10和換流電容器C4 構成的調壓斬波器;2 只電解電容器C01 與C02構成的具有中點(diǎn)E0 的濾波電容器;3只電力電容器C1-C3構成的換流電容器;6只晶閘管T1-T6構成的逆變器。其主電路的接線(xiàn)方式如圖1所示。

本電路的特點(diǎn)是：串聯(lián)的C01與C02的中點(diǎn)E0與三相交流電源的中性點(diǎn)O的電位接近于相同;每相2只電磁鐵繞組同名端相聯(lián)后，再依次與C1 、C2 、C3 電容器串聯(lián)聯(lián)接;6 只繞組與三相逆變橋的U1、U2、V1、V2、W1、W2 6個(gè)輸出端分別相聯(lián);在T9與T10導通時(shí), L1與L2同C01與C02構成LC濾波電路，并配合C4換流電容器在T7與T8交替通斷時(shí)構成調壓斬波電路。

3 組合變流電路的控制及工作原理

三相逆變橋的6 只晶閘管按照T1、T2、T3、T4、T5和T6的觸發(fā)導通順序，并按照導通90毅~175毅電角度的規律進(jìn)行其六節拍的換流。對應的C1、C2、C3三只換流電容器依次在其左正、右負或右正、左負的充放電過(guò)程中，利用電感器件的釋能作用使其保持正、負幅值相等的交流電壓值。例如在T1導通時(shí)，C1上已具有左正右負的儲存電荷經(jīng)由WA1 繞組與C01 電解電容器構成順時(shí)針的放電回路。在C1電容器的電壓從最大值減小到零并逐漸反向充電的過(guò)程中，WA1繞組中的電流從零值逐漸上升至幅值，并從幅值以接近于正弦波的波形下降至零，從而在其電流過(guò)零時(shí)關(guān)斷T1。在觸發(fā)T4導通時(shí)，C1上反向儲存的電荷(左負右正)經(jīng)由C02和WA2 繞組構成順時(shí)針的放電回路，使得WA2繞組流通幅值相等的脈波電流。在各晶閘管觸發(fā)導通的瞬間，均是以換流電容器的電壓量

與電解電容器上的電壓量二者正向疊加的形式對其電磁鐵繞組進(jìn)行放電通流，使各個(gè)電磁鐵繞組依次在近于正弦半波的通流中形成推移式的揉動(dòng)力。這種采用脈沖電壓量使其繞組中的電流相量快速上升的組合變流方式，對克服感性繞組的電流相量必然滯后的電磁慣性是十分有效的。隨其各相脈波電流的間隔增大，其電流的平均值對應減小，對應的振動(dòng)

頻率相應下降。

對于調壓斬波環(huán)節的T7與T8兩晶閘管的控制可以300-1 000 Hz 的頻率對其進(jìn)行交替的控制，并在T9與T10相對于T7與T8延時(shí)觸發(fā)的時(shí)間增大時(shí)，直流濾波電容器兩端的直流電壓值對應減小，從而以較簡(jiǎn)單的方式實(shí)現其調節電流的目的。該調壓環(huán)節可以取消，而將整流器與逆變器直接相聯(lián)，則可進(jìn)行簡(jiǎn)易的頻率調節。

4 控制三相異步電動(dòng)機的組合變流電路

本組合變流變頻方式也可以用于對三相異步電動(dòng)機進(jìn)行簡(jiǎn)易的變頻調速。其主回路的整流與調壓環(huán)節與圖1 相同，其逆變器與三相定子繞組的聯(lián)接方式如圖2所示。

三相異步電動(dòng)機的定子繞組聯(lián)接成星形，定子繞組WA、WB和WC分別與C1、C2、C3串聯(lián)后而聯(lián)接于三相逆變橋的輸出端，其中性端與濾波電容器的E0端聯(lián)接。在6 只晶閘管T1~T6依次的觸發(fā)導通中，3只電容器對每相電機繞組分別產(chǎn)生脈波電壓而構成電容器的放電回路，有效地克服了其電流相量滯后于電壓相量的重大缺陷。雖然，該電路存在轉矩脈動(dòng)的缺陷，但裝置簡(jiǎn)單、造價(jià)低和節電效果更上一個(gè)檔次的優(yōu)點(diǎn)，使其具有一定的實(shí)用價(jià)值。

5 換流電路的分析及參數計算

對于每只電磁鐵的線(xiàn)圈或是每相的電機繞組，為簡(jiǎn)化分析均可等效地用R 與L 表示其參數，并設換流電容器C1上的充電電壓值為EC，電解電容器C01上的電壓值近似恒定的直流電壓為E01，放電回路如圖3所示?，F以圖1中的T1在T4關(guān)斷后進(jìn)行觸發(fā)導通的放電過(guò)程為例，寫(xiě)出其回路的動(dòng)態(tài)方程。

經(jīng)小型試驗，發(fā)現其電容器C的交流電壓有效值與電磁線(xiàn)圈的交流電壓有效值在工頻時(shí)接近于相等，因此其每只電容器的容量可選擇為與每相繞組的實(shí)際容量接近于相等，或是選擇兩者的電流有效值接近于相等。

6 結語(yǔ)

采用本文介紹的組合變流電路，使電力電容器與變流器件及電磁鐵繞組組合為一體，利用其LC諧振的解決了普通晶閘管器件強迫關(guān)斷的問(wèn)題。在其觸發(fā)導通的初始時(shí)刻將反向充電的電容器串聯(lián)于通流回路，對實(shí)現感性繞組的快速通流是十分有效的。

在逆變橋的三個(gè)輸出端分別串聯(lián)電力電容器后再與三相異步電動(dòng)機的定子繞組聯(lián)接時(shí)，此組合電路可在0~55 Hz的范圍內對電機進(jìn)行調速。由于其結構簡(jiǎn)單、造價(jià)低以及電機本身的無(wú)功損耗低和綜合節電性能優(yōu)越等優(yōu)點(diǎn)使其具有一定的市場(chǎng)價(jià)值。