交—交變頻低頻電源的研發(fā)與應用

前言

對于少數低速大功率設備而言,采用交--直--交變頻驅動(dòng)生產(chǎn)將可能產(chǎn)生一些必不可少的副面影響,因此采用大都交交變頻方案,由晶閘管全控整流電路組合形成控制部分,通過(guò)對輸出電流的大小和方向的組合控制,使負載得到一個(gè)電壓和頻率(通常低于工頻電源頻率)可調的交流電,在低速,大功率電力拖動(dòng)設備中有廣泛的應用價(jià)值,如軋鋼機,礦井提升機,大型風(fēng)機,電力設備中的調速控制系統中,交交變頻發(fā)揮的巨大作用.針對這類(lèi)設備,在生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現具有如下優(yōu)點(diǎn):1 變頻環(huán)節減少,減低了換流所導致的損耗,變換效率高;2可控性好,采用電流自然換相,不必添置另外的換流電路;3可實(shí)現四相限運行,應用范圍廣.

2004年我單位接到客戶(hù)請求, 要求研制一臺供電電源,用于對油田低溫高蠟油井的原油進(jìn)行開(kāi)采前和開(kāi)采過(guò)程中的加熱處理.根據客戶(hù)提供的現場(chǎng)信息以及調查報告,高黏油和稠油難以開(kāi)采,負載情況復雜多變,加熱點(diǎn)距離較遠,工作條件惡劣.分析了上述情況后,經(jīng)過(guò)綜合考慮,我們決定采用低頻加熱電源,由交交變頻轉換得到低壓,大電流的電源,此時(shí)的負載原則上可以視為純阻性負載,加熱均勻,操作簡(jiǎn)單可靠,同時(shí)效率較高,避免了采用直流加熱而引起的原油離子化,電離腐蝕管壁和中頻加熱的負載增大,損耗大以及工頻加熱的電流不平衡,電耗大,可靠性低等缺點(diǎn).因此而言是最為理想的設計方案,在低頻狀態(tài)下加熱,升溫快,溫度高,效果更好,而且可以節約電能,這就是低頻加熱電源.根據以往經(jīng)驗,我們采用傳統工藝與現代控制理論相結合的理念,在廣泛吸收借鑒國內外其他形式變頻設備的基礎上,確定了最終方案.

設計方案介紹:

主電路設計采用單相輸出交交變頻,其根本為一套三相橋式無(wú)環(huán)流反并聯(lián)可控整流裝置,其中可控硅???制信號Ust是直流信號,相應輸出也是直流;若Ust是交流信號,則變頻電源的輸出也是交流.由于該設備無(wú)中間直流環(huán)節,故稱(chēng)為交交直接變頻,其輸出波形如圖.

交交變頻調速系統是一種不經(jīng)過(guò)中間直流環(huán)節，直接將較高固定頻率的電壓變換為頻率較低而可變輸出電壓的變頻調速系統。其每一相均由兩組（正、負組）三相全波變流器反并聯(lián)構成。輸出的整流電壓為：
Ud=Ud0cosαp±Ud0cosαN ┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉ (1)
式中：αp——正組整流器控制角；
αN——負組整流器控制角；
Ud0——α=0°輸出電壓平均值。

交交變頻器輸出電壓的基波為正弦波，即：
Ud = Ud msinω1t ┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉ (2)
則 cosαp=(Udm/Ud0)sinω1t=ksinω1t┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉ (3)
式中：k——輸出電壓比，k=Udm/ Ud0；
ω——輸出電壓基波的角頻率。

通過(guò)改變正、負兩組整流器觸發(fā)角的頻率，即可改變輸出電壓的頻率；改變輸出電壓比k值，即可改變輸出電壓值。

交交變頻器通過(guò)兩組反并聯(lián)的晶閘管交替工作來(lái)產(chǎn)生一相低頻的交流電壓供給負載，存在環(huán)流問(wèn)題。在可逆直流傳動(dòng)中采用的工作方式（如邏輯無(wú)環(huán)流、錯位無(wú)環(huán)流、可控環(huán)流）一般在交交變頻器中均可適用。交交變頻器的主電路及基本控制部分可采用直流傳動(dòng)的相同組件和技術(shù)。

輸入電流諧波分析:

用解析方法計算調制波形的頻譜有相當難度,而且必要性也不是很大,通常采用 仿真方法分析頻譜,首先通過(guò)仿真得到輸入電流波形,然后用FFT求得頻譜,結果顯示,除基波外還有下列頻率的諧波:
fl=I(Pm±1)fi±|Fl+2lf0|
其中f0 ---輸出頻率;
l----正整數0,1,2,3---
與fl=(Pm±1)fi 相比,增加了±2lf0的旁頻,但是各諧波的有效值比直流傳動(dòng)時(shí)的諧波有效值小許多.出現該旁頻的原因是:變頻裝置由正反兩組整流橋組成,一組提供正向輸出電流,而另一組提供反向輸出電流.輸出電流波形只與輸出電流大小有關(guān),而與輸出電流方向無(wú)關(guān).
I(ω0t)=ii(ω0π+π) ω0=2πωf0.有輸入電流幅值和相位的調制的角頻率2ω0,因而在輸出電流的頻率中會(huì )出現2l f0的旁頻.

控制模塊分析:

直流電流的電流控制是通過(guò)電流調節器實(shí)現的,由于PI調節器是觸發(fā)電流的控制信號,因此只要存在電流誤差,出發(fā)脈沖就會(huì )移相,直至電流誤差消失.因為交交變頻輸出輸出電流隨正弦規律變換，因此電流調節始終處于動(dòng)態(tài)，于是跟蹤誤差出現，輸出的電流總比給定有所滯后，為克服該缺點(diǎn),在設計中我們采用引入電壓前饋補償環(huán)節,該功能由加法器AUR實(shí)現.輸入為電壓給定- U0和電壓調節器UAUR輸出UAUR信號供觸發(fā)移相用,如果忽略SCR的非線(xiàn)性影響,則UAUR與變頻設備輸出電壓成正比.在無(wú)環(huán)流切換過(guò)程中,電流前饋可完成有準備的切換任務(wù)(指切換前后整流裝置輸出電壓不變).正組和反組移相特性重合,因此只要UAUR的值恒定,U0就保持恒定.在設置了電壓前饋環(huán)節后,UAUR大約為0,- U0和U0切換前后不變,自動(dòng)滿(mǎn)足了有準備切換的要求.

觸發(fā)脈沖的產(chǎn)生:

這里采用集成函數發(fā)生器ICL8038構成掃頻信號發(fā)生器,它主要用于直接測量各種頻響特性,其輸出信號頻率在一定范圍內反復變化,內部主要有矩形波,三角波和鋸齒波發(fā)生電路和三角波變正弦波電路.該集成模塊常用引腳如圖所示.該電路具有結構簡(jiǎn)單,實(shí)用可靠的特點(diǎn),采用單電源供電.Vcc=±5V---±15V.這里采用±15V輸出頻率1---600KHz,輸出矩形波的占空比為避免2%----98%,在本次設計中,輸出頻率為9—10Hz,

觸發(fā)電路:本觸發(fā)器采用自主研發(fā)的SCR觸發(fā)模塊,它將相控電壓轉換為相應的大功率觸發(fā)脈沖,用來(lái)跟蹤SCR主電路工作.該模塊具有下列特點(diǎn):
1,方便與調節系統匹配,αmin,βmin 自動(dòng)限制,脈沖可靠;
2,雙脈沖輸出,功放管耗散功耗低,損耗電流小;
3,同步網(wǎng)絡(luò )濾波,不受電源中波畸變和換流缺口干擾;
4,各相脈沖均衡,無(wú)需調整;
5,該模塊集成度高體積小巧,運行可靠,維護方便,可用于其他調壓使用環(huán)境;

其原理圖如下:

在經(jīng)過(guò)脈沖變電等轉換后同步電壓經(jīng)RC電路移相60°,送入模塊與相控電壓Uk進(jìn)行電流比較后,輸出六路雙窄脈沖,依次間隔60°,脈寬20°左右,確?？煽坑|發(fā).經(jīng)過(guò)功放可輸出300—800A的驅動(dòng)電流.該模塊觸發(fā)極性為正,即移相控制電壓Uk增大,輸出導通也隨之增大.其各項參數如下:
1功能:晶體管三相恒壓整流輸出控制
2三相同步輸入信號: ±15V(DC) 電流200mA
3觸發(fā)脈沖寬度20°
4移相范圍-6V---0V---+9V
5各相脈沖不均衡度1°
6手動(dòng)控制電位器 1K
7工作環(huán)境:
環(huán)境溫度-15---70
相對濕度:70% RH
外形尺寸:73mm×32mm×23mm
實(shí)驗條件及結果波形

根據以上示波器圖形我們可以看出，在正常實(shí)驗條件下，該低頻電源所轉換的電壓和電流圖形非常令人滿(mǎn)意。

總結:

采用交一交變頻方法的加熱電源，實(shí)現了真正的平滑起動(dòng)，減小了起動(dòng)沖擊和起動(dòng)電流。由于保留了傳統電子式軟起動(dòng)器的硬件結構，只是改變了晶閘管觸發(fā)脈沖的產(chǎn)生順序和控制方法，因而不會(huì )增加成本支出;而在起動(dòng)性能上卻可大大優(yōu)于傳統的降壓軟起動(dòng)器，可實(shí)現近似于變頻器的軟起動(dòng)性能。采用分級交一交變頻方法的軟起動(dòng)器還可以方便地實(shí)現短時(shí)低速運行和低速反轉制動(dòng)功能，以便實(shí)現準確停車(chē)。。經(jīng)過(guò)該低頻電源的研制,使我增長(cháng)了許多系統設計方面的知識,從多方面獲得了寶貴的經(jīng)驗.目前我國配套電源尚不齊全,應用于各工業(yè)領(lǐng)域的電源系統缺口很大,希望有實(shí)力和經(jīng)驗的單位和個(gè)人多多交流,共同促進(jìn)經(jīng)濟發(fā)展.

參考書(shū)目:

1 模擬電子技術(shù)基礎 童詩(shī)白 北京：高等教育出版社　1993。
2電力電子學(xué) 賈正營(yíng) 北京：中國電力出版社
3通用變頻器設計及應用 滿(mǎn)永奎 韓安榮等 北京：機械工業(yè)出版社
4電氣變頻調速設計技術(shù) 杜金誠 北京：中國電力出版社
5 大功率交交變頻調速及矢量控制技術(shù) 馬小亮 北京：機械工業(yè)出版社
6 變頻器設計及其應用 馮垛生 張淼 北京:機械工業(yè)出版社 2000
7 變頻調速系統設計與應用 王樹(shù) 北京:機械工業(yè)出版社 2005

作者簡(jiǎn)介: 肖英輝,男, (1974---),中級工程師,曾多年從事某上市企業(yè)技術(shù)及設備管理工作,現為山東科技大學(xué)測控專(zhuān)業(yè)研究生,研究方向為電力電子技術(shù)及應用.