第四章 電力拖動拾遺
4.4 小水輪發電機的變頻調速
開發背景
上節介紹的通過脈寬調制來克服水輪機導葉慣性的方法，雖然具有反應快，動作迅速等優點，取得了良好的效果。但也存在著一些明顯的不足。
首先，由于水輪機導葉的慣性實在很大，在脈沖的下降沿，不可能立即仃住，很容易發生“超調”；
其次，脈沖占空比的大小不能隨實際頻率與標準頻率(50Hz) 間差值(Δf) 的大小而自動調整；
除此以外，脈沖通電方式使傳動系統的各軸不斷地受到沖擊剪力，從而影響了傳動系統的壽命。
二十世紀九十年代，變頻器的應用開始普及，而孤立小水輪發電機組的調速器仍有需求。于是開發了利用變頻調速技術來調節水輪機導葉開度的調速器，取得了較好的效果。
4.4.1 水輪機轉速的采樣
4.4.1.1 頻率∕電壓轉換
1. 基本思路
頻率∕電壓轉換的基本思路，是從被測電壓的周期中，減去一個固定的時間，得到占空比與被測頻率成比例的脈沖系列，再將此脈沖系列進行濾波，得到與被測頻率成正比的直流采樣電壓。
2. 頻率采樣
首先經變壓器T 降壓后得到電壓較低的采樣電壓uX2，又經VD1~VD4 進行全波整流，再由線性光耦合管得到頻率的采樣電壓uA，如圖4-16(a) 所示。uA 的波形如圖4-16(b)所示。
3. 占空比可調電路
如圖4-17(a) 所示，將采樣電壓uA 輸入到PC2(555 時基電路) 的2 腳，則當uA 小于電源電壓的1 ∕ 3(4V) 時，PC2 的3 腳翻轉為高電位，如圖4-17(b) 中曲線③之上升沿。
同時，7 腳對地處于截止狀態。
這時，電源通過電位器RP 向電容器C1 充電，PC2 的6腳電位開始上升。充電曲線如圖4-17(b) 中之曲線②所示。當UC 上升到電源電壓的2 ∕ 3(8V) 時，PC2 的3 腳又翻轉為低電位，如圖4-17(b) 中曲線③之下降沿。同時，7 腳對地導通，電容器C1 放電。當2 腳上的采樣電壓又下降到低于4V 時，PC2 的3 腳又翻轉為高電位，如此周而復始，就得到了占空比可調的脈沖系列。
在圖4-17(b) 中，TC 是脈沖周期，等于發電機輸出電壓的周期之半，t2 是電容器C1 的充電時間，在RP 不變的情況下，t2 的值是不變的。所以，占空比：
D=t1 ∕ TC
式中，D 為脈沖系列的占空比；t1 為脈沖寬度，ms；TC為脈沖周期，ms。
很顯然，B 點輸出的脈沖系列的占空比的大小就反映了發電機輸出電壓的頻率。其中，曲線③的脈沖寬度是：
t1=TC － t2
t1 和t2 的比值可以通過調節RP 來改變。
如果發電機的轉速過快，輸出電壓的頻率增高，周期TC 減小，占空比D 也減小。
4. 濾波和比較
如圖4-18(a) 所示，把圖4-17 輸出的占空比可調的脈沖系列經C3、R5 和C4 濾波后，就得到和被測頻率對應的直流電壓UX；又從RP 上得到和50Hz 對應的基準電壓UG。把UX 和UG 分別輸入到運算放大器PC3 的兩個輸入端，進行比較。當發電機的轉速過快，輸出電壓的頻率超過了50Hz 時，占空比D 和UX 都將減小：
UX ＜ UG
UC 和UO 都為“+”；
反之，當發電機的轉速過慢，輸出電壓的頻率低于50Hz 時，占空比D 和UX 都將增大：
UX ＞ UG
UC 和UO 都為“＋”。
PC4 接成電壓跟隨電路，以加大其輸出功率。最后得到的輸出信號UO 和被測頻率的關系如圖4-18(b) 所示。
4.4.2 變頻調速的實現
4.4.2.1 采用日本明電210S 系列變頻器
1. 明電210S 系列的特點
明電210S 系列變頻器有一個輔助的頻率信號給定端AUX，頻率給定信號可從該端輸入，如圖4-19(a) 所示。當AUX 得到正信號時，電動機正轉；得到負信號時，電動機反轉。變頻器輸出頻率的大小與給定信號的絕對值成正比，如圖
2. 工作過程
如上述，當水輪發電機輸出電壓的頻率超過50Hz 時，UO 為“＋”，電動機正轉，關小導葉開度；反之，當水輪發電機輸出電壓的頻率低于50Hz 時，UO 為“－”，電動機反轉，加大導葉開度。在這里，電動機的“正轉”與“反轉”，還可以通過改變相序進行調整。
4.4.2.2 采用日本富士E9S 系列變頻器
1. 富士E9S 系列變頻器的特點
(1) 頻率給定
E9S 系列變頻器并沒有如圖4-19(b) 所示的特點。其給定信號輸入端( 如圖4-20 中的“12—11”端) 所示。
(2) 旋轉方向
由輸入端FWD 和REV 決定。FWD 得到信號時，電動機正轉；REV 得到信號時，電動機反轉，如圖4-20 所示。
2. 控制電路
(1) 頻率給定
因為PC4 的輸出電壓UO 是雙方向的，而E9S 變頻器只能接受單方向的電壓。所以，PC4 的輸出端需通過整流橋(VD8~VD11) 整流后接至E9S 的輸入端。
(2) 旋轉方向
經濾波電路濾波后得到的采樣信號UX 接至由PC5 構成的比較電路。當發電機輸出電壓的頻率高于50Hz 時，UX＜UG，PC5 的輸出端為“＋”，光耦合器PC7 導通，變頻器的REV得到信號，電動機“反轉”，關小水輪機導葉的開度；反之，當發電機輸出電壓的頻率低于50Hz 時，UX ＞ UG，PC5 的輸出端為“－”，光耦合器PC6 導通，變頻器的FWD 得到信號，電動機“正轉”，開大水輪機導葉的開度。
4.4.2.3 需要注意的幾個問題
1. 變頻器的進線側必須穩壓
變頻器對進線電壓的波動幅度是有一定要求的，而孤立電站輸出電壓的波動幅度常常是比較大的。因此，如變頻器的進線側直接接至發電機輸出端的話，變頻器將難以正常工作。所以，在變頻器之前，必須接入交流穩壓電源，以保證變頻器正常工作。如能用UPS 電源給整個控制電路供電( 包括變頻器)，則非但保證了變頻器的正常工作，還可使外電路跳閘時的飛車保護的可靠性更加提高。
2. 變頻器的選型
由于三相交流穩壓電源價格較貴，體積也大。故可選用“單進三出，220V”的變頻器。這樣，進線側使用單相交流穩壓電源就可以了。
3. 電動機的接法
3. 電動機的接法
小容量電動機的繞組之間, 普遍采用星形接法，當電源線電壓為380V 時，每相繞組所得電壓為220V。今變頻器的輸出線電壓為220V，則電動機每相繞組所得電壓便只有127V 了。對此，處理方法如下：
(1) 合理的方法
將電動機的繞組接成三角形，使每相繞組所得電壓為220V。但這時，電動機的實際容量將增大倍，故變頻器的容量也應相應增大。
(2) 實際處理
實際工作中，常常不需要改變電動機的繞組接法。這是因為，原來的電動機是直接接到發電機輸出端的。在電動機選型時，已充分考慮了電源電壓的波動范圍很大的特點。即：即使在電壓很低時也能帶得動水輪機的導葉。采用變頻器后，由于增加了穩壓環節，電動機的線電壓雖然只有220V，但比較穩定。和未使用調速器時發電機輸出端的最低線電壓相比，也相差無幾。所以，電動機的繞組接法即使不改變，也能帶得動。但這時，電動機的實際容量只有其額定容量的(1/1.73) 倍，故變頻器的容量原則上也可相應減小。
4.5 電磁離合器的反接制動
開發背景
某廠的一臺設備，由兩個電磁離合器控制旋轉方向，制動時用電動機反接制動，并有速度繼電器切斷電動機的電源。但用于反接制動的接觸器常易燒壞，速度繼電器的動作也不夠準確。我在仔細研究了其控制原理后，決定不采用電動機的反接制動，而由電磁離合器來實現反接制動，費用不多，又解決了問題。
4.5.1 主電路的改進
4.5.1.1 原電路及存在問題
1. 電動機電路
如圖4-21(a) 所示，接觸器KM1 用于電動機的起動和停機；KM2 用于反接制動。電阻R 用于限制反接時的電流大小。KS 是速度繼電器，用于當電動機從正轉到反轉的過程中，過零時切斷電路。
2. 離合器電路
離合器用于控制負載側的旋轉方向。YC1 得電時，負載正轉；YC2 得電時，負載反轉。YC1 和YC2 由繼電器KA1 和KA2 控制。
3. 存在問題
(1) 故障率較高
接觸器KM2 在接通時由于電流較大，觸頭容易損壞；又由于電磁離合器的繞組是大電感，繼電器觸點在斷開時火花較大，故障率也較高。
(2) 控制不夠精準
速度繼電器過零時的斷開時刻，是通過調節彈簧的松緊度來調整的，常并不精準，負載在停機時或繼續正轉幾轉，或反向轉幾轉，準確停住的情況較少。
4.5.1.2 改進方案
1. 主電路
取消反接制動電路和速度繼電器，如圖5-21(b) 所示。
2. 電磁離合器的控制
取消繼電器KA1 和KA2，改由晶閘管VS1 和VS2 來控制電磁離合器，如圖4-21(b) 所示。非但解決了繼電器觸點容易燒壞的問題，也便于實現離合器的反接制動。
4.5.2 晶閘管的觸發電路
4.5.2.1 主要特點
1. 晶閘管的工作特點
晶閘管VS1 和VS2 只用于電磁離合器的通電與斷電，并不需要調節。故觸發電路中既不需要“削波電路”，也不需要同步控制。
2. 正、反轉的控制
晶閘管VS1 和VS2 的導通與否由輸入“＋”信號或“－”信號來決定。當輸入信號為“+”時，VS1 導通，YC1 因得電而吸合，負載正轉；反之，當輸入信號為“－”時，VS2 導通，YC2 得電并吸合，負載反轉。
4.5.2.2 觸發電路
晶閘管的觸發電路如圖4-22(a) 所示。
1. 正轉觸發過程
當觸發電路的輸入端加入“＋”信號時，晶體管VT5飽和導通，而VT6 截止。則A 點為低電位，VT3 截止。電源“＋”通過R5 向電容器C1 充電，B 點電位上升，當B 點電位上升到一定程度時，VT1 導通，脈沖變壓器PT1 得到觸發信號，晶閘管VS1 導通，正向離合器吸合，負載正轉。
2. 反轉觸發過程
當觸發電路的輸入端加入“－”信號時，晶體管VT5 截止，而VT6 飽和導通。則C 點為零電位，VT4 截止。電源通過R6向電容器C2 充電，D 點電位上升，當D 點電位上升到一定程度時，VT2 導通，脈沖變壓器PT2 得到觸發信號，晶閘管VS2 導通，反向離合器吸合，負載反轉。
4.5.2.3 反接制動的實施
1. 電路特點
電磁離合器反接制動的實施非常簡單：只需在控制信號與觸發電路的輸入端之間串聯一個電阻和電容并聯的電路即可，如圖4-22(b) 所示。負載的正、反轉是根據生產機械的需要，由繼電器KA1 和KA2 控制。
2. 正轉控制
當KA1 閉合時，電源“＋”經電位器RP 通入觸發電路，使晶閘管VS1 因得到觸發信號而導通，YC1 吸合，負載正轉。與此同時，電容器C3 充電，右“＋”左“－”。
3. 停機控制
當KA1 斷開時，電容器C3 左側的“－”信號進入觸發電路的輸入端，使晶閘管VS2 因得到觸發信號而導通，YC2吸合，負載力圖反轉。但因電容器C3 上的電荷很快消失，所以，負載只能停住，而不會反轉，因此而實現了反接制動。調節電位器RP，就調節了C3 的放電時間，也就調節了反向離合器的吸合時間，可以使負載的停機十分精準。反轉控制時也一樣，就不再贅述了。
4.5.3 快速放電電路
4.5.3.1 正、反轉存在的問題
1. 離合器的通電與斷電
因為每個離合器只用一個晶閘管進行半波整流，半波整流后的電壓波形如圖4-23(b) 中之曲線①所示；為了使電流比較平穩，必須由電容器C 進行濾波，濾波后的電流波形如曲線②所示。
當VS1 的觸發信號撤銷后，一方面，YC1 的線圈具有續流功能，而晶閘管又不能自行關斷；另一方面，電容器C也要向YC1 放電。結果，YC1 的電流并不能立即消失。所以，YC1 不能很快脫開，存在著離合器滯后脫開的現象。這對于利用電磁離合器實現正、反轉的拖動系統來說，就可能出現當反轉的離合器吸合時，正轉的離合器尚未脫開的危險情形。
2. 滯后脫開的解決
為了使VS1 的觸發信號撤銷后，YC1 線圈的電流能夠很快消失，在YC1 電路里并聯了一個放電回路，如圖4-23(a)中之KA1 的動斷觸點和電阻R 所示。當KA1 得電，VS1 導通，YC1 吸合，負載正轉時，KA1 的動斷觸點是斷開的，放電回路不起作用。當需要YC1 脫開時，KA1 將失電，其動斷觸點閉合，電容器C 將迅速向R 放電，使YC1 迅速脫開，從而消除了離合器滯后脫開的現象。
小小體會
利用電磁離合器來實現正、反轉或改變齒輪箱的組合以調速的方案，在生產機械中時有應用。但大多采用繼電器控制。改造為晶閘管控制后，可以比較容易地解決反接制動的問題。
利用電磁離合器來實現正、反轉或改變齒輪箱的組合以調速的方案，在生產機械中時有應用。但大多采用繼電器控制。改造為晶閘管控制后，可以比較容易地解決反接制動的問題。
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