一种双异步电机组合调速电路的分析

刘 涛

(山西省信息产业技术研究院有限公司，山西 太原 030012)

0 引言

双定子异步电动机采用独立磁路的两定子结构，两定子绕组的电压相量易于控制且具曲折转移的条件，能使在同一磁路中的两个转子绕组的合成电势作相应变化，进行电机的调速[1]。

东方电机公司研制了1 000 kW做为球磨机配套用的双定子异步电机。其起动电流为3.4倍额定电流，起动转矩达1.8倍额定转矩。两个定子绕组在起动时串联，使两定子产生的旋转磁场在空间的相位差为60度，每一笼型转子导条中的感应电势就有相位差，连接转子导条的中间环中有电流流过，这等效于在转子回路中串入电阻增加阻值而产生较大的起动转矩。ZL双异步电动机组合移相调速装置，对两台绕线式异步电机供电，将转子绕组经滑环联接成串联回路，再将副电机的三相定子绕组串联电容器与逆变器连接，如此随逆变器的移相控制，可逐渐改变两定子绕组之间的电势相量，进而改变两串联转子绕组的合成电势相量及转子电流的变化，从而改变同轴的两电机的转速。这种调速技术所用设备仅为三只串联的电容器和由普通晶闸管构成的逆变器，具有调速中同时调节功率因数的优点，但存在因三相电路结构较复杂与造价较高的缺点,如能设法将三相转速调节改为单相调节，并在调速中同时进行电容内补偿，则可大大简化电路结构和降低调速设备的造价[2]。

1 系统分析

1.1 双电机组合主电路接线方式

图1是双异步电机的双定子和双笼型组合转子主电路原理图，做到改三相控制为单向控制。电路包括双定子绕组联接回路、双转子绕组联接回路、电容器和调节器。所述的双定子绕组联接回路是主定子绕组Wa1、Wb1、Wc1与副定子绕组Wa2、Wb2、Wc2，采用Wa1与Wa2、Wb1与Wb2、Wc1与Wc2分别的两绕组首端相联而对应引出三个接线端A2、B2、C2，并用Wa1与Wb2、Wb1与Wc2、Wc1与Wa2两绕组末端分别相联方式构成闭合电路，在其相联点引出三个调节端A01、B01、C01，还将三个接线端A2、B2、C2经三相交流开关K1联接至电源端A1、B1、C1；双转子绕组回路是将两个鼠笼转子的导电条一一对应相互联接，具体将主转子导电条的W11至W1n与副转子导电条W21-W2n分别联接而成加长型笼型结构，或是将两个绕线转子的三相绕组Wa10与Wa20、Wb10与Wb20、Wc10与Wc20、分别串联而成三相串联星形接线；所述的调节器是用整流管D1与D4、D3与D6、D5与D2联成三个桥臂，其三个输入端联接于调节端A01、B01、C01，在整流桥直流两端以正端接正极方式联接一只可关断电力电子器件T1；所述的电容器是用三只单相电容器C02、C03、C01依次联接在A01与B2、B01与C2、C01与A2三对接线端之间。三只单相电容器C01、C02、C03的额定电压是异步电动机额定相电压值的1-1.2倍，总容量值与副电机额定功率值为0.4-1.2:1的比例；所述的调节器的可关断电力电子器件T1是绝缘栅双极晶体管IGBT或门极关断晶闸管GTO，并用1-10 kHz的三角形载波频率以恒频调宽方式进行PWM控制。

图1 双定子和双笼型组合转子主电路原理图

1.2 工作原理浅析

基于异步电动机的定子电压决定其主磁通、其转矩取决于两定子合成磁通与组合转子电流的乘积。利用磁路独立的、双定子三相绕组能够在调节器的控制中发生电压相量转移，进而控制串联转子绕组的合成电势相量，从而达到简易控制及调节电机转速的目的。同相两定子绕组的首端相联而不同相两末端相连的六个绕组闭合的组合接线，在调节器与电容器未投入时，由其三个串联支路构成串联三角形电路，此时同相的两定子绕组中的电流将相差π/3电角度且承受1/2线电压数值，对应的串联转子绕组在初期的感应电势值为全速运转时的0.75倍。当三只电容器与三个副定子绕组并联时，利用电容器电流与感性绕组中的电流相量接近于垂直的内补偿原理，可使主、副定子绕组中的电流相量对应发生超前或滞后的分别接近转移π/6的相角，由此在三只电容器的容量值与副定子绕组的功率值相当时，便可在六个定子绕组的电压相量接近于正六边形。从而使同相两定子绕组的电压相量相差2/3π角度，对应的串联转子的合成电势值初期为全速时的0.25～0.5倍。在双定子绕组受调节器控制而使其三个调节端的电压值接近于零时，同相两定子绕组分别接近同一电压相位，期间的电容电压较初始时超前约π∕3相角，电容器对所串联的绕组与并联绕组分别发生超前与滞后、且不对称的电流相量叠加。经调节器的接近纯阻性的电流叠加，使并联绕组的磁势相量接近于超前π∕3相角，对应的串联转子的合成电势达到全速运转的100%。贯穿于主、副两个定子铁心中的鼠笼型转子(或是同轴联结且三相绕组按同相位及相同首端方向联接的两绕线转子)，其导条(或串联的转子绕组)的合成电势受控于两定子绕组的合成磁势和合成磁通，在两定子的磁通数值变化较小而相位差变化较大的调节中，转子发生与合成电势相对应的变化即同步转速发生变化；根据异步电机的理想空载转速正比于电磁功率而反比于转矩的公式，电机具有25%～100%额定转速的调速范围时，在50%～100%额定转速范围内，电机具有较高效率，用内补偿电容器的配合使得这种调速方法兼具经济性[3]。

1.3 调速和起动

本电路的调速和起动原理是在三相整流桥直流端联接可关断器件构成的调节器中，用单个单向器件对三相电路中性端进行电压调节，并以其平滑的脉宽调制方式对串联三角形连接的双定子绕组的三个调节端进行电压量的控制。当调节端电压逐渐接近于零时，双电机的转速接近于100%额定转速。三只电容器不仅能以其电容电流与绕组感性电流叠加，使三个调节端与中性端的电压接近于相电压值，还能以电容电压不能突变的特点，为可关断器件的瞬间关断，提供感性绕组的续流通路。调节器采用的PWM方式，是用频率为1～10 kHz三角形载波频率，与直流控制信号进行比较，检出频率不变但脉宽变化的控制信号，使得T1以恒频调宽方式工作。电容器移相作用，使调节端的电压值接近相电压值，实现调节端逐渐接近于零的调节过程。

如果将两绕线转子的三相绕组经由滑环的三个接线端之间分别联接起动电阻，则利用起动转矩与转子回路的电阻值接近于成正比的特点，而应用于球磨机之类的重载起动设备中，利用联接于起动电阻两端的三相交流接触器使其完成重载起动后进行短接。至于其调速，则是利用两定子绕组电压相量的相位差变化，组合转子的合成电势值相应变化，从而使电机的空载转速发生变化达到调速的目的，双异步电机能以简易的控制电路，进行较宽范围和较高效率的调速。

2 结语

本电路适用于共用加长笼型转子的双定子电机或刚性连结的双绕线式转子电机，在电容器的负向调速与调节器的正向调速中能够在无功内补偿中，达到25%～100%额定转速范围内平滑调速运行。本电路用整流桥调节器控制三相主、副定子绕组的电压相量，在间接调节串联转子绕组合成电势中来改变电磁转矩，并用内补偿电容器的移相作用对双定子绕组进行负向调节进行调速控制，具有控制简单、装置造价低、功率因数较高、节能效果较显著等优点。