第四章 电力拖动拾遗
4.4 小水轮发电机的变频调速
开发背景
上节介绍的通过脉宽调制来克服水轮机导叶惯性的方法，虽然具有反应快，动作迅速等优点，取得了良好的效果。但也存在着一些明显的不足。
首先，由于水轮机导叶的惯性实在很大，在脉冲的下降沿，不可能立即仃住，很容易发生“超调”；
其次，脉冲占空比的大小不能随实际频率与标准频率(50Hz) 间差值(Δf) 的大小而自动调整；
除此以外，脉冲通电方式使传动系统的各轴不断地受到冲击剪力，从而影响了传动系统的寿命。
4.4.1 水轮机转速的采样
4.4.1.1 频率∕电压转换
1. 基本思路
频率∕电压转换的基本思路，是从被测电压的周期中，减去一个固定的时间，得到占空比与被测频率成比例的脉冲系列，再将此脉冲系列进行滤波，得到与被测频率成正比的直流采样电压。
2. 频率采样
首先经变压器T 降压后得到电压较低的采样电压uX2，又经VD1~VD4 进行全波整流，再由线性光耦合管得到频率的采样电压uA，如图4-16(a) 所示。uA 的波形如图4-16(b)所示。
3. 占空比可调电路
如图4-17(a) 所示，将采样电压uA 输入到PC2(555 时基电路) 的2 脚，则当uA 小于电源电压的1 ∕ 3(4V) 时，PC2 的3 脚翻转为高电位，如图4-17(b) 中曲线③之上升沿。
同时，7 脚对地处于截止状态。
这时，电源通过电位器RP 向电容器C1 充电，PC2 的6脚电位开始上升。充电曲线如图4-17(b) 中之曲线②所示。当UC 上升到电源电压的2 ∕ 3(8V) 时，PC2 的3 脚又翻转为低电位，如图4-17(b) 中曲线③之下降沿。同时，7 脚对地导通，电容器C1 放电。当2 脚上的采样电压又下降到低于4V 时，PC2 的3 脚又翻转为高电位，如此周而复始，就得到了占空比可调的脉冲系列。
在图4-17(b) 中，TC 是脉冲周期，等于发电机输出电压的周期之半，t2 是电容器C1 的充电时间，在RP 不变的情况下，t2 的值是不变的。所以，占空比：
D=t1 ∕ TC
式中，D 为脉冲系列的占空比；t1 为脉冲宽度，ms；TC为脉冲周期，ms。
很显然，B 点输出的脉冲系列的占空比的大小就反映了发电机输出电压的频率。其中，曲线③的脉冲宽度是：
t1=TC － t2
t1 和t2 的比值可以通过调节RP 来改变。
如果发电机的转速过快，输出电压的频率增高，周期TC 减小，占空比D 也减小。
4. 滤波和比较
如图4-18(a) 所示，把图4-17 输出的占空比可调的脉冲系列经C3、R5 和C4 滤波后，就得到和被测频率对应的直流电压UX；又从RP 上得到和50Hz 对应的基准电压UG。把UX 和UG 分别输入到运算放大器PC3 的两个输入端，进行比较。当发电机的转速过快，输出电压的频率超过了50Hz 时，占空比D 和UX 都将减小：
UX ＜ UG
UC 和UO 都为“+”；
反之，当发电机的转速过慢，输出电压的频率低于50Hz 时，占空比D 和UX 都将增大：
UX ＞ UG
UC 和UO 都为“＋”。
PC4 接成电压跟随电路，以加大其输出功率。最后得到的输出信号UO 和被测频率的关系如图4-18(b) 所示。
4.4.2 变频调速的实现
4.4.2.1 采用日本明电210S 系列变频器
1. 明电210S 系列的特点
明电210S 系列变频器有一个辅助的频率信号给定端AUX，频率给定信号可从该端输入，如图4-19(a) 所示。当AUX 得到正信号时，电动机正转；得到负信号时，电动机反转。变频器输出频率的大小与给定信号的绝对值成正比，如图
2. 工作过程
如上述，当水轮发电机输出电压的频率超过50Hz 时，UO 为“＋”，电动机正转，关小导叶开度；反之，当水轮发电机输出电压的频率低于50Hz 时，UO 为“－”，电动机反转，加大导叶开度。在这里，电动机的“正转”与“反转”，还可以通过改变相序进行调整。
4.4.2.2 采用日本富士E9S 系列变频器
1. 富士E9S 系列变频器的特点
(1) 频率给定
E9S 系列变频器并没有如图4-19(b) 所示的特点。其给定信号输入端( 如图4-20 中的“12—11”端) 所示。
(2) 旋转方向
由输入端FWD 和REV 决定。FWD 得到信号时，电动机正转；REV 得到信号时，电动机反转，如图4-20 所示。
2. 控制电路
(1) 频率给定
因为PC4 的输出电压UO 是双方向的，而E9S 变频器只能接受单方向的电压。所以，PC4 的输出端需通过整流桥(VD8~VD11) 整流后接至E9S 的输入端。
(2) 旋转方向
经滤波电路滤波后得到的采样信号UX 接至由PC5 构成的比较电路。当发电机输出电压的频率高于50Hz 时，UX＜UG，PC5 的输出端为“＋”，光耦合器PC7 导通，变频器的REV得到信号，电动机“反转”，关小水轮机导叶的开度；反之，当发电机输出电压的频率低于50Hz 时，UX ＞ UG，PC5 的输出端为“－”，光耦合器PC6 导通，变频器的FWD 得到信号，电动机“正转”，开大水轮机导叶的开度。
4.4.2.3 需要注意的几个问题
1. 变频器的进线侧必须稳压
变频器对进线电压的波动幅度是有一定要求的，而孤立电站输出电压的波动幅度常常是比较大的。因此，如变频器的进线侧直接接至发电机输出端的话，变频器将难以正常工作。所以，在变频器之前，必须接入交流稳压电源，以保证变频器正常工作。如能用UPS 电源给整个控制电路供电( 包括变频器)，则非但保证了变频器的正常工作，还可使外电路跳闸时的飞车保护的可靠性更加提高。
2. 变频器的选型
由于三相交流稳压电源价格较贵，体积也大。故可选用“单进三出，220V”的变频器。这样，进线侧使用单相交流稳压电源就可以了。
3. 电动机的接法
3. 电动机的接法
小容量电动机的绕组之间, 普遍采用星形接法，当电源线电压为380V 时，每相绕组所得电压为220V。今变频器的输出线电压为220V，则电动机每相绕组所得电压便只有127V 了。对此，处理方法如下：
(1) 合理的方法
将电动机的绕组接成三角形，使每相绕组所得电压为220V。但这时，电动机的实际容量将增大倍，故变频器的容量也应相应增大。
(2) 实际处理
实际工作中，常常不需要改变电动机的绕组接法。这是因为，原来的电动机是直接接到发电机输出端的。在电动机选型时，已充分考虑了电源电压的波动范围很大的特点。即：即使在电压很低时也能带得动水轮机的导叶。采用变频器后，由于增加了稳压环节，电动机的线电压虽然只有220V，但比较稳定。和未使用调速器时发电机输出端的最低线电压相比，也相差无几。所以，电动机的绕组接法即使不改变，也能带得动。但这时，电动机的实际容量只有其额定容量的(1/1.73) 倍，故变频器的容量原则上也可相应减小。
4.5 电磁离合器的反接制动
开发背景
某厂的一台设备，由两个电磁离合器控制旋转方向，制动时用电动机反接制动，并有速度继电器切断电动机的电源。但用于反接制动的接触器常易烧坏，速度继电器的动作也不够准确。我在仔细研究了其控制原理后，决定不采用电动机的反接制动，而由电磁离合器来实现反接制动，费用不多，又解决了问题。
4.5.1 主电路的改进
4.5.1.1 原电路及存在问题
1. 电动机电路
如图4-21(a) 所示，接触器KM1 用于电动机的起动和停机；KM2 用于反接制动。电阻R 用于限制反接时的电流大小。KS 是速度继电器，用于当电动机从正转到反转的过程中，过零时切断电路。
2. 离合器电路
离合器用于控制负载侧的旋转方向。YC1 得电时，负载正转；YC2 得电时，负载反转。YC1 和YC2 由继电器KA1 和KA2 控制。
3. 存在问题
(1) 故障率较高
接触器KM2 在接通时由于电流较大，触头容易损坏；又由于电磁离合器的绕组是大电感，继电器触点在断开时火花较大，故障率也较高。
(2) 控制不够精准
速度继电器过零时的断开时刻，是通过调节弹簧的松紧度来调整的，常并不精准，负载在停机时或继续正转几转，或反向转几转，准确停住的情况较少。
4.5.1.2 改进方案
1. 主电路
取消反接制动电路和速度继电器，如图5-21(b) 所示。
2. 电磁离合器的控制
取消继电器KA1 和KA2，改由晶闸管VS1 和VS2 来控制电磁离合器，如图4-21(b) 所示。非但解决了继电器触点容易烧坏的问题，也便于实现离合器的反接制动。
4.5.2 晶闸管的触发电路
4.5.2.1 主要特点
1. 晶闸管的工作特点
晶闸管VS1 和VS2 只用于电磁离合器的通电与断电，并不需要调节。故触发电路中既不需要“削波电路”，也不需要同步控制。
2. 正、反转的控制
晶闸管VS1 和VS2 的导通与否由输入“＋”信号或“－”信号来决定。当输入信号为“+”时，VS1 导通，YC1 因得电而吸合，负载正转；反之，当输入信号为“－”时，VS2 导通，YC2 得电并吸合，负载反转。
4.5.2.2 触发电路
晶闸管的触发电路如图4-22(a) 所示。
1. 正转触发过程
当触发电路的输入端加入“＋”信号时，晶体管VT5饱和导通，而VT6 截止。则A 点为低电位，VT3 截止。电源“＋”通过R5 向电容器C1 充电，B 点电位上升，当B 点电位上升到一定程度时，VT1 导通，脉冲变压器PT1 得到触发信号，晶闸管VS1 导通，正向离合器吸合，负载正转。
2. 反转触发过程
当触发电路的输入端加入“－”信号时，晶体管VT5 截止，而VT6 饱和导通。则C 点为零电位，VT4 截止。电源通过R6向电容器C2 充电，D 点电位上升，当D 点电位上升到一定程度时，VT2 导通，脉冲变压器PT2 得到触发信号，晶闸管VS2 导通，反向离合器吸合，负载反转。
4.5.2.3 反接制动的实施
1. 电路特点
电磁离合器反接制动的实施非常简单：只需在控制信号与触发电路的输入端之间串联一个电阻和电容并联的电路即可，如图4-22(b) 所示。负载的正、反转是根据生产机械的需要，由继电器KA1 和KA2 控制。
2. 正转控制
当KA1 闭合时，电源“＋”经电位器RP 通入触发电路，使晶闸管VS1 因得到触发信号而导通，YC1 吸合，负载正转。与此同时，电容器C3 充电，右“＋”左“－”。
3. 停机控制
当KA1 断开时，电容器C3 左侧的“－”信号进入触发电路的输入端，使晶闸管VS2 因得到触发信号而导通，YC2吸合，负载力图反转。但因电容器C3 上的电荷很快消失，所以，负载只能停住，而不会反转，因此而实现了反接制动。调节电位器RP，就调节了C3 的放电时间，也就调节了反向离合器的吸合时间，可以使负载的停机十分精准。反转控制时也一样，就不再赘述了。
4.5.3 快速放电电路
4.5.3.1 正、反转存在的问题
1. 离合器的通电与断电
因为每个离合器只用一个晶闸管进行半波整流，半波整流后的电压波形如图4-23(b) 中之曲线①所示；为了使电流比较平稳，必须由电容器C 进行滤波，滤波后的电流波形如曲线②所示。
当VS1 的触发信号撤销后，一方面，YC1 的线圈具有续流功能，而晶闸管又不能自行关断；另一方面，电容器C也要向YC1 放电。结果，YC1 的电流并不能立即消失。所以，YC1 不能很快脱开，存在着离合器滞后脱开的现象。这对于利用电磁离合器实现正、反转的拖动系统来说，就可能出现当反转的离合器吸合时，正转的离合器尚未脱开的危险情形。
2. 滞后脱开的解决
为了使VS1 的触发信号撤销后，YC1 线圈的电流能够很快消失，在YC1 电路里并联了一个放电回路，如图4-23(a)中之KA1 的动断触点和电阻R 所示。当KA1 得电，VS1 导通，YC1 吸合，负载正转时，KA1 的动断触点是断开的，放电回路不起作用。当需要YC1 脱开时，KA1 将失电，其动断触点闭合，电容器C 将迅速向R 放电，使YC1 迅速脱开，从而消除了离合器滞后脱开的现象。
小小体会
利用电磁离合器来实现正、反转或改变齿轮箱的组合以调速的方案，在生产机械中时有应用。但大多采用继电器控制。改造为晶闸管控制后，可以比较容易地解决反接制动的问题。
利用电磁离合器来实现正、反转或改变齿轮箱的组合以调速的方案，在生产机械中时有应用。但大多采用继电器控制。改造为晶闸管控制后，可以比较容易地解决反接制动的问题。
