溫石湯泵站內(nèi)反饋高頻斬波調(diào)速系統(tǒng)閉環(huán)控制原理

李婷

摘 要：本文根據(jù)溫石湯泵站調(diào)速機(jī)組的實(shí)際情況，剖析了內(nèi)反饋高頻斬波調(diào)速系統(tǒng)中對電流閉環(huán)控制及轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制的工作原理，旨在加強(qiáng)對溫石湯泵站調(diào)速系統(tǒng)的深入了解，解決調(diào)速中出現(xiàn)的實(shí)際問題，保證下游人民對水資源的需求。

關(guān)鍵詞：溫石湯泵站；內(nèi)反饋高頻斬波調(diào)速；電流閉環(huán)控制；轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.09.248

0 引言

溫石湯泵站為山東省膠東地區(qū)引黃調(diào)水工程新建泵站的第五級(jí)泵站，為管道輸水段的第二級(jí)泵站，泵站位于山東省蓬萊市境內(nèi)，黃水河左岸，蓬萊市村里集鎮(zhèn)溫石湯村北側(cè)約500m處，處于輸水線路的任家溝隧洞下游約2km處。溫石湯泵站由10臺(tái)機(jī)組組成，8用2備，總裝機(jī)容量7100kw。其中5#、6#機(jī)組為內(nèi)反饋高頻斬波調(diào)速機(jī)組。

1 設(shè)備組成

內(nèi)反饋高頻斬波調(diào)速系統(tǒng)由線繞式內(nèi)饋調(diào)速電機(jī)及調(diào)速裝置組成。如果我們把普通繞線電機(jī)，和內(nèi)饋調(diào)速電機(jī)相比較，可以發(fā)現(xiàn)在定子槽內(nèi)，除了有定子繞組及轉(zhuǎn)子繞組之外，還增添了一個(gè)取代串級(jí)調(diào)速裝置中的外饋?zhàn)儔浩鞯姆答伬@組。此外，轉(zhuǎn)子整流器、高頻斬波器、晶閘管相控逆變器及DSP控制器，共同組成了內(nèi)反饋電機(jī)高頻斬波調(diào)速裝置。

2 機(jī)械特性

由于內(nèi)反饋電機(jī)轉(zhuǎn)子漏抗大使得轉(zhuǎn)子整流電路換相重疊嚴(yán)重的情況出現(xiàn)。而第一工作狀態(tài)與第二工作狀態(tài)的存在是因?yàn)檗D(zhuǎn)子電流的增大。一般情況下我們只考慮在第一工作狀態(tài)下的機(jī)械特性，這也是根據(jù)采用電流閉環(huán)控制最大電流限制在125%額定電流范圍以內(nèi)的情況來操作。Kuv·SE20=Ui+IdR，其中Kuv轉(zhuǎn)子電路整流系數(shù)，S轉(zhuǎn)差率，R等效的轉(zhuǎn)子整流電路及斬波電路總電阻，E20轉(zhuǎn)子電路開路電壓。

在考慮轉(zhuǎn)子整流換相壓降時(shí)，Kuv·SE20=Ui+IdR變?yōu)椋?/p>

S（Kuv·SE20-Id3/π·XD0）=Uc（1-D）+IdR-3/π·Id XD0；

令Ce·ns= Kuv·SE20-Id3/π·XD0，其中ns對應(yīng)于電網(wǎng)頻率的同步理想空載轉(zhuǎn)速，Ce為系數(shù)，XD0為S=1時(shí)折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子的每項(xiàng)漏抗。則式變?yōu)椋?/p>

n=[ns-Uc（1-D）/Ce]- IdR/Ce；

這就是內(nèi)反饋電機(jī)高頻斬波調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性表達(dá)式，對于每一個(gè)確定的占空比D，有一條確定的特性與之對應(yīng)，特性曲線如圖1： 一般情況下，調(diào)節(jié)占空比D的大小就可以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，這是因?yàn)殡娙萜麟妷篣c基本恒定，理想空載轉(zhuǎn)速n0與同步空載轉(zhuǎn)速ns的落差由占空比D確定的。

3 電流閉環(huán)控制

電流閉環(huán)控制的目的是控制速度，這是通過控制電機(jī)轉(zhuǎn)子電流的大小即控制電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩來實(shí)現(xiàn)的。電流環(huán)的控制對象是轉(zhuǎn)子整流電路及斬波環(huán)節(jié)。為搞清控制對象的數(shù)字轉(zhuǎn)換，忽略次要因素，做如假設(shè)：（1）電容器電壓Uc恒定；（2）UR是轉(zhuǎn)子電勢SE20的理想整流電壓；（3）R、L是轉(zhuǎn)子電路及斬波電路等效的電阻與電感；（4）忽略轉(zhuǎn)子整流換相重疊壓降。

采用狀態(tài)空間平均模型方法，也即使用占空比加權(quán)的方法得到。

Ldi/dt+IR=UR-UC（1-D）

在電流調(diào)節(jié)時(shí)，可以認(rèn)為電動(dòng)機(jī)速度瞬間不是變化的，即UR是不變的，（UR-UC）也是不變的。控制量是D，輸出量是整流電流Id，控制對象可簡化為：

是轉(zhuǎn)子整流及斬波電路等效時(shí)間常數(shù)。電流閉環(huán)的有關(guān)計(jì)算與調(diào)節(jié)由DSP完成。電流閉環(huán)控制圖如圖2：

圖2中T0由占空比生成環(huán)節(jié)與電流反饋濾波環(huán)節(jié)綜合在一起的等效小慣量時(shí)間常數(shù)。

4 速度閉環(huán)控制

在電機(jī)軸上，通過安裝磁性測速碼盤，依據(jù)脈沖的輸入，電動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速再由DSP計(jì)算出來。速度閉環(huán)由DSP完成，速度控制如圖3：

圖3中T∑由電流閉環(huán)等效時(shí)間常數(shù)與測速濾波環(huán)節(jié)綜合在一起的等效小慣量時(shí)間常數(shù)。TQ電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)間常數(shù)。

5 結(jié)束語

溫石湯泵站作為膠東調(diào)水工程新建泵站第五級(jí)泵站作用十分重要，溫石湯泵站上游為明渠下游則為管道、暗涵等，對水的流量及水位調(diào)節(jié)能力有限，且要求非常嚴(yán)苛，溫石湯前池蓄水為6萬方，當(dāng)下游需水量增加時(shí)，前池的調(diào)節(jié)能力也非常有限。從而對兩臺(tái)調(diào)速機(jī)組的調(diào)速要求就大大增加，搞清楚內(nèi)反饋高頻斬波調(diào)速系統(tǒng)的原理非常有必要，而調(diào)速系統(tǒng)中對電流及速度的閉環(huán)控制又是調(diào)速的中心環(huán)節(jié)。本文對內(nèi)反饋高頻斬波調(diào)速系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)（即電流閉環(huán)控制和轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制）的原理描述，結(jié)合了溫石湯泵站5#、6#調(diào)速機(jī)組的實(shí)際情況，并根據(jù)自己的理論積累描述，旨在對調(diào)速系統(tǒng)做深入的研究，在出現(xiàn)問題時(shí)能及時(shí)從原理出發(fā)找到問題的根源，保證調(diào)水的順利進(jìn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1]夏多淮，黃靖博.內(nèi)反饋高頻斬波調(diào)速技術(shù)應(yīng)用[J].安徽科技，2006（04）：35-37.