第四章 电力拖动拾遗
4.1 力矩电动机调速
开发背景
1981 年，宜昌市塑料扁丝织袋厂引进全套日本设备，我被任命为消化小组组长，进驻该厂。日本设备中，力矩电动机用得较多，用法较简洁。其调压方法主要用晶闸管。1988 年，我们在为河南某电机厂配置力矩电动机调速装置时，改用PWM 技术控制功率晶体管，取得了成功。
4.1.1 力矩电动机简介
4.1.1.1 构造与机械特性
1. 构造特点
力矩电动机，也称高转差率电动机，其构造和普通的笼形异步电动机完全相同，只是，其转子绕组是用高电阻材料构成的。
2. 机械特性
绕线转子异步电动机在转子回路里串联电阻后，机械特性的特点是：临界转矩不变，临界转速下降，如图4-1(a)所示。
力矩电动机在本质上是和绕线转子异步电动机在转子回路里串联电阻是相同的，所以其机械特性的特点也类似，只是转子绕组的电阻值更大，临界点可移至横坐标以下，其自然机械特性如图4-1(c) 中之曲线①所示。
4.1.1.2 力矩电动机的调速
1. 开环调速
如图4-1(b) 所示，在负载转矩不变的前提下，电压越低，电动机的转差越大，转速越低。所以，调节三相电源的电压，就可以得到不同的转速，如图4-1(c) 中之nM1、nM2、…nM6 所示。
由于电动机的临界转速很低，在降低电压的情况下，得到的机械特性如曲线②、③、④、⑤、⑥所示。很明显，这些机械特性都很软，负载转矩变化时，转速的变化很大，运行是不够稳定的。
2. 闭环调速
实际使用时，都把控制电路联接成闭环控制系统，如图4-2(a) 所示，图中，SS 是速度传感器，用于将转速信号反馈到转速给定电路。举例说，负载转矩等于TL1 时，工作点在曲线③上的A 点，转速是nM1。当负载转矩增大为TL2时，工作点将下移至B 点，转速降至nM2。这时，由于转速反馈的结果，使转速控制器的输出电压升高，电动机的机械特性变为曲线②，工作点跳转到曲线②的C 点，转速又上升为nM1，可以看出，通过转速反馈，可以得到如曲线a、b、c、d、e 那样的较硬的机械特性，从而扩展了它的用途。
4.1.2 调压控制的主电路
4.1.2.1 三相可控调压
1. 通用接法
在三相电源进线处，每相都串联一个双向晶闸管，如图4-3(a) 所示。
此方法的缺点是，定子绕组里将存在高次谐波电流，则：
(1) 当定子绕组为Δ 形时高次谐波电流的零序分量将在绕组里形成环流；
(2) 当定子绕组为Y 形时因为没有中线，所以高次谐波电流的零序分量为零，但中点存在着位移电压。所以，在实际应用中，此法不宜采用。
2. 定子绕组为Δ 形接法
把双向晶闸管和各相绕组串联后再联接成Δ 形，从而避免了形成环流的可能性，如图4-3(b) 所示。
3. 定子绕组为Y 形接法
把各相绕组的尾端，由单向晶闸管作环形联接，从而有效地避免了零序分量的影响，如图4-3(c) 所示。
4.1.2.2 单相异步电动机的回顾
1. 单相电动机的磁场
单相电动机的磁场是脉动磁场，如图4-4 所示，它可以分解成两个方向相反而相同的旋转磁场，如图4-4(b) 所示。
2. 单相电动机的电磁转矩
如果只有一个旋转磁场，则所得到的机械特性将分别如图4-4(c) 中的曲线①和曲线②所示。当两个旋转磁场同时作用时，所得到的机械特性如图中之曲线③所示。
3. 单相电动机的工作特点
单相电动机在静止状态下，是没有电磁转矩的。但一旦向某一方向有了一点转速后，它就能旋转起来，旋转方向由初始方向决定。实际的单相电动机总要设置一个能够产生附加转矩的装置使之产生起动转矩。
4.1.2.3 一相调压的调速方案
1. 一相调压的调速原理
在U 相中接入双向晶闸管，如图4-5(a) 所示。则U 相中将通入少量电流，电动机的合成磁场将是椭圆旋转磁场，如图4-5(b) 所示。
这时，力矩电动机的机械特性如图中之曲线①、曲线②和曲线③所示。
通过调节双向晶闸管的导通角，就可以调节U 相电流的大小，从而得到不同椭圆度的旋转磁场，也就得到不同的机械特性曲线。由于双向晶闸管导通角的调节是无级的，所以，力矩电动机可以实现无级调速。
2. 一相调压的脉宽调制
二十世纪八十年代，大功率晶体管以及脉宽调制技术开始普及，于是出现了利用脉宽调制技术来调节电压的控制方案。
一相调压的脉宽调制电路如图4-6(a) 所示。
当输入电压为上“＋”下“－”时，电流的路径是：“＋”→ VD1 → VT → VD2 →“－”；
当输入电压为下“＋”上“－”时，电流的路径是：“＋”→ VD3 → VT → VD4 →“－”。
可见，不论电源电压的方向如何，都必须通过晶体管VT，因此，改变VT 的脉冲占空比，就能改变U 相电流的大小，从而调节电动机的转速。
当脉冲序列的占空比较大时，输出的平均电压也较大，如图4-6(b) 所示；反之，当脉冲序列的占空比较小时，输出的平均电压也较小，如图4-6(c) 所示。
4.2 滑差电动机的机械特性
讲解背景
在变频调速技术普及推广之前，滑差电动机由于能够无级调速，在纺织、塑料等行业中，应用得十分广泛。但对于其机械特性，却很少有比较详细的论述。笔者因曾经消化过日本设备中的电力拖动部分，并仿制过日本滑差电动机的控制器。时至今日，其控制电路已经过时，今仅就其机械特性作一探讨。
4.2.1 滑差电动机的构造和原理
4.2.1.1 滑差电动机的构造
滑差电动机也叫电磁调速电动机，其基本结构原理如图4-7 所示，它相当于两级异步电动机。
1. 第一级电动机
第一级电动机就是拖动电动机1，也是原动机。
2. 第二级电动机
第二级也叫转差离合器，由电枢2 和磁极4 构成，两者都能旋转。电枢呈园筒形，由铸钢构成，它和拖动电动机同轴，由拖动电动机带动旋转。磁极4 做成爪形，由励磁绕组3 励磁。其轴就是电磁转差离合器的输出轴，也叫从动轴。
3. 磁路与反馈
励磁绕组3 由调节器SR 通过集电环5 和电刷6 提供可调的直流励磁电流Ir，使磁极4 产生磁通Φ。从动轴上装有测速装置7，用以进行转速反馈。
4.2.1.2 滑差电动机的工作原理
1. 电枢产生感应电流
为了便于说明，我们把电枢看成是由无数根笼条构成的。当拖动电动机带动电枢按顺时针方向旋转时，电枢上的笼条将切割磁极的磁力线，产生感应电动势和电流，其方向由右手定则判定，如图4-8 所示。
2. 电磁转矩
笼条里的感应电流又和磁通相互作用，产生电磁力，方向由左手定则判定。这些电磁力将形成力图使电枢按逆时针方向旋转的电磁转矩。但电枢不可能逆时针方向旋转，于是，在反作用力的作用下，使磁极和从动轴一起按顺时针方向旋转。调节SR 的电位器RP，就可以调节直流电流Ir 和磁通Φ 的大小，从而也调节了电磁转矩的大小和转速。
4.2.2 滑差电动机的机械特性
4.2.2.1 自然机械特性
滑差电动机的理想空载转速就是拖动电动机的转速nM。其自然机械特性的形状和力矩电动机十分相似：当负载转矩增大时，转速下降很快，如图4-9(a) 中之曲线①所示。原因有二：
1. 转子电阻较大
如上述，其转子材料为铸钢，电阻较大，所以其临界转矩下移。
2. 磁场不能自动补充
在普通异步电动机中，当转速由于负载增大而下降时，转子电流增加，转子电流的去磁效应增强，空气隙中的合成磁通减小，定子绕组的感应电动势减小，定子电流将自动增大，使空气隙中的合成磁通和电磁转矩有所增加。但在滑差电动机里，励磁绕组里的电流不会自动增大。而只能靠加大转差来增强电磁转矩，于是转速迅速下降。
4.2.2.2 调速特性
滑差电动机是通过调节图4-7 中的电位器RP，从而调节励磁电流来进行调速的。
这种方法和调节电压的调速在本质上是相同的。因为在异步电动机里，调节电压，实质上也就调节了磁通。在图4-9(b) 中的曲线① ~ ④，就是励磁电流分别为100%、70%、40% 和10% 时的机械特性。
4.2.2.3 闭环机械特性
1. 转速负反馈的作用
假设条件和方才相同：拖动系统正在Q1 点运行，负载转矩为TL1，与之相平衡的电磁转矩为TM1，转速为n1，机械特性如图4-10(a) 中之曲线①所示。今负载转矩增加为TL2，大于电磁转矩TM1，拖动系统必沿着曲线①减速。与此同时，转速反馈信号也减小，使控制装置SR 的输出电流增大，机械特性变成了曲线②，工作点跳转到Q3 点，电磁转矩增大为TM3，超过了TL2，于是转速沿着曲线②上升，当上升到n1 时，电磁转矩减小为TM2，和负载转矩TL2 相平衡。宏观地看，就好像负载转矩增加后，转速不变似地。
2. 闭环机械特性
归纳上述过程，可以看出，在闭环控制的情况下，当负载增加，转速下降时。测速装置立即将下降了的转速信号，反馈给调节器SR，当SR 接收到转速反馈信号后，立即自动地增大励磁电流Ir，使转速基本保持不变，得到了很硬的机械特性。图4-10(b) 中的曲线⑤ ~ ⑧就是在不同转速下，经过转速反馈后的机械特性。
小小体会
在分析滑差电动机的机械特性时，必须注意分析转差离合器部分的特点。
一方面，它的旋转原理和异步电动机完全相同，所以，其机械特性的基本特点是和异步电动机是相同的；
另一方面，其磁场的变化规律和异步电动机的定子磁场又有着本质的区别。
4.3 电磁离合器的PWM 调速
开发背景
偏远山区小水电站常常只有几台不并网的孤立水轮发
电机组。由于容量小，由负载变化引起的电压和频率的变
化幅度很大，而且十分频繁，发电机的输出电压很不稳定。
操作工需不断地改变水轮机导叶的开度。由于导叶相当沉
重，工人们的手上常常血泡连连，不少水电站为此安装了
电动装置，因为电动机正、反转控制时，换向时冲击电流
很大，接触器容易损坏，故普遍采用电动机长时间通电，
由正、反电磁离合器控制其旋转方向。
4.3.1 电磁离合器的正反向控制
4.3.1.1 采样参数的选择
1. 负载变动的结果
负载变动时，发电机的第一个反应，就是其输出电压将发生变化。与此同时，机组中的转矩平衡被破坏，机组的转速也将发生变化，导致发电机电压值和频率都发生变化。
例如，当负载电流增加时，发电机的输出电压将下降；与此同时，发电机轴上的阻转矩增加，机组的转速下降，发电机的输出电压进一步下降，频率也随转速而下降。
2. 采样参数的选择
因为发电机输出电压的大小，除了和汽轮机的转速有关外，还和负载电流有关。而频率的大小只和发电机的转速成正比：机组的转速下降，频率也下降；反之，机组的转速上升，频率也上升。所以，频率便成了调整发电机组运行状况的主要依据。
4.3.1.2 控制框图
1. 主体框架
如图4-11 所示，最终的控制对象是三相同步发电机G；发电机由水轮机带动，水轮机的转速由导叶的开度决定，导叶由电动机M 拖动。
发电机输出的不稳定表现在两个方面：电压和频率。由于电压的大小和负载有关，不能作为调节导叶开度的依据。所以，改变导叶开度的依据是频率。频率高了，应减小导叶的开度；反之，频率低了，应增大导叶的开度。
2. 导叶的拖动系统
(1) 拖动系统的构成
如上述，电动机并不直接拖动水轮机的导叶，而是通过正、反两个离合器来控制导叶的开大或关小，如图4-12(a) 所示。具体地说，当发电机发出的电压频率fX 小于额定频率fN(fX ＜ fN) 时，让正转离合器得电，导叶正转，开度加大，水轮机加速，频率上升；反之，当频率fX 大于额定频率fN(fX ＞ fN) 时，让反转离合器得电，导叶反转，开度减小，水轮机减速，频率下降。
(2) 转速的调节
因为电动机并不调速，离合器本身也不可能调速。所以采用“脉冲调速法”，是把离合器的开关“一开一关”地交替着，要是开的时间长，关的时间短，输出轴的平均转速就高，反之，开的时间短，关的时间长，平均转速就低。因为控制信号通常是脉冲信号，故又称为脉宽调制。
如图4-12(b) 所示，离合器每次吸合的时间为t1，松开的时间为t2，每次一开一合所需时间为一个周期tC。很明显：tC=t1+t2每次吸合的时间和周期之比，称为占空比：D=t1/tC (4-1)式中，D 为占空比；t1 为离合器的吸合时间，s；tC 为离合器的动作周期，s。改变离合器吸合与松开的占空比，就可以改变调节导叶开度的快慢了。
4.3.2 脉宽调制信号
4.3.2.1 利用多谐振荡器
图4-13(a) 所示，是一个多谐振荡器的电路，但它两边的参数是不对称的。其振荡时间大致如下：
t1=0.7(RB1+RP2)C2
t2=0.7(RB2+RP1)C1
tC=t1+t2 (4-2)
式中，t1 为VT1 截止、VT2 饱和导通的时间，s；t2 为VT1 饱和导通、VT2 截止的时间，s；tC 为脉冲周期，s。t1 和t2 的时间长短可根据具体情况通过电位器RP1 和RP2 来进行调整。继电器KA 在VT2 饱和导通时得电，接通电磁离合器。
4.3.3.2 缓冲继电器
4.3.2.2 利用时基电路
利用时基电路来实现脉宽调制，可使电路变得十分简洁，如图4-14(a) 所示。
刚接通电源时，由于电容器C1 尚未充电，时基电路的2 脚和6 脚为低电位，输出端(3 脚) 为高电位，KA 处于失电状态。这时，电源将通过R1、R2、VD1、RP1 向电容器C1 充电，如图中之虚线1 所示。当C1 上的电压达到并超过电源电压的2/3 时，时基电路的输出端翻转为低电位，KA 得电，电磁离合器吸合。
这时，7 脚对地导通，C1 通过RP2、VD2 和7 脚放电。当C1 上的电压低于电源电压的1/3 时，时基电路的输出端又翻转为高电位，KA 失电，电磁离合器脱开。调节RP1，可以调整图4-14(b) 中之t2；而调节RP2，则可调整t1。
4.3.3 控制电路
4.3.3.1 正反向继电器
图4-15 只画出了一个方向的继电器，而水轮机的导叶既需要正转以加大开度；也需要反转以减小开度。所以，需要有正、反两个方向的继电器。实际工作中，可以用双时基模块“556”来实现，这里为清楚起见，使用两个“555”模块，如图4-15(a) 所示。KA1 是正向继电器，KA2 是反向继电器。为了防止在临界点引起反复开关的振荡，在正转和反转之间，应有必要的间隙。所以，在缓冲继电器KA3和KA4 的电路中，加入了延时环节。
如图4-15(b) 所示，以正转控制为例，当KA1 触点闭合时，由于电容器C1 的充电，KA3 并不能立即动作，而稍有延时。但在离合器脱开时，是不需要延时的，二极管VD2就是用来阻止C1 向KA3 放电的。C1 将通过R1 放电。因为有此延时环节，所以，缓冲继电器由直流电源供电。
如图4-15(b) 所示，以正转控制为例，当KA1 触点闭合时，由于电容器C1 的充电，KA3 并不能立即动作，而稍有延时。但在离合器脱开时，是不需要延时的，二极管VD2就是用来阻止C1 向KA3 放电的。C1 将通过R1 放电。因为有此延时环节，所以，缓冲继电器由直流电源供电。
4.3.3.2 缓冲继电器
KA3 和KA4 是缓冲继电器，用于控制电磁离合器YC1 和YC2，进而控制水轮机导叶的开与关，如图4-15(c) 所示。YC1 和YC2 的电源采用发电机自己发出的交流电。
小小体会
在原苏联的《电力拖动》教材里，上述调速方法被称为“脉冲调速”，但只有理论价值，并不实用。而在电磁离合器的控制电路中，竟用上了。这是在实践中逐渐摸索出来的结果。
