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冲击发电机调速方式的性能比对分析与改进措施

2024-12-03 54 上传者：管理员

摘要：本研究深入探讨了冲击发电机拖动电机的四种主要调速策略：串级调速、串电阻调速、矢量变频调速以及在大负载下的串级调速的优化方案。本文首先对这些调速策略的工作原理、优势及适用环境进行详尽的阐述。串级调速因其卓越的效率和动态响应能力而备受推崇，然而，其复杂的控制逻辑是其主要挑战。相比之下，串电阻调速虽然成本较低，但在效率和动态响应方面表现不佳。变频率调速技术则以其宽广的调速范围和调速效率优势而受到重视，但对电机控制技术提出更高的要求。为了克服传统串级调速的局限性，优化方案引入创新的控制策略和电子技术。进一步分析这些调速策略的未来发展方向，并提出后续改进的潜在途径，涉及智能控制技术、模块化设计以及新型材料与技术的集成应用。

关键词：
串级调速
冲击发电机
变频调速
启动方式
性能比较
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在电力系统的短路试验中，冲击发电机，亦称为短路负载试验发电机，扮演着至关重要的角色。该设备专为模拟短路条件下的极端测试而设计。其运作依赖于一个三相异步电动机的驱动，该电动机在达到预设的稳定转速后，通过定速，将机械能高效转换为要求的频率的电能。随后，生成的电能被传输至关键的电力设备，如高压断路器、开关装置和变压器等，以评估这些设备在面临突发短路时的性能表现，包括但不限于短路电流的断开能力和在极端负载下的瞬时承受力。

在冲击发电机的启动阶段，其拖动电动机会面临一个显著的技术挑战：即在启动瞬间产生的电流峰值可能达到其额定电流的5～7倍。这种高电流对电动机及电网构成潜在风险，可能引发电源电压的急剧下降，造成电动机启动过程中的困难、过热，甚至损坏电动机。鉴于此，对于大功率拖动电动机，必须采取有效的技术措施来限制其启动时的电流冲击。为了减缓对电网的影响，通常采用的策略是在电动机启动初期应用低于其额定电压的电压，以此降低起动电流。当拖动电动机的转速逐渐提升到其额定值时，再平稳过渡至额定电压下的正常工作状态。

1、理论基础和工作原理

1.1系统架构与工作机制

如图1所示，冲击发电机由三个主要部分组成：发电单元、驱动单元以及同步单元。其核心工作机制在于，通过外部电能的输入，驱动单元带动发电单元旋转，进而产生感应电动势。这一能量转换流程不仅有效解决了试验过程中容量不足的问题，还缓解了短路情况下对电网造成的冲击。

图1 发电机结构外形图

1—转子2—轴承座3—外盖端4—定子5—拖动电机6—风机7—隔音刷架装配8—同步电机

1.2串级调速技术及其启动机制

1.2.1启动初期

在系统启动的初期阶段，驱动组件的转子由于惯性作用，从静止状态逐渐加速。考虑到启动时负载较大，若直接启动，将导致电流激增，可能对驱动组件或电网造成损害。为了避免这种情况，通常在启动电路中引入串联电抗器，并利用附加电动势来限制启动电流。

1.2.2调速过程

在调速过程中，串联电抗器的作用是限制启动时的电流。电气串级调速系统通过调整晶闸管的触发角度来控制电流大小，提供辅助启动转矩。当转速达到预定的1680r/min时，电抗器被切除，电气串级调速系统继续工作，将转速提升至3000r/min。

1.3调速方式的对比分析

1.3.1串电阻调速系统

在电动机的转子回路中引入附加电阻，实质上是对该回路的固有电阻进行有效增加。这一改动直接导致转子绕组中感应电流的减少。从能量转换的角度来看，增加的电阻会在转子回路中引入额外的能耗，从而对电动机的运行特性产生显著影响。具体而言，转子电阻的增加会导致电动机转速的降低，同时转矩的提升为电动机提供了更为优越的启动性能。在能量转换的数学模型中，输入功率为P1，定在损耗P0=3I12R1，励磁铁损PC=IM2RM，电磁功率Pd=Teω0，机械功率PM=Teω=（1-S)Pd，输出功率P2=PM-PM1，则能量转换效率为：

式（1）反映了系统将输入能量转换为机械输出的能力。可以明显看出，转速的降低（即转差率的增加）会导致效率的下降。

1.3.2技术优势与局限性探讨

增加转子电阻的方法具有结构简单、成本效益高的优点。它能有效控制启动时的电流冲击，对电动机及其所连接的电网提供保护。此外，通过调整串联电阻，可以在一定程度上调整电动机的启动转矩，从而优化启动性能。

然而，这种方法也存在明显的局限性。它的调速范围受限，难以实现高精度控制。电阻的串入会增加系统的热损耗，尤其是在大容量电动机上的应用，这可能导致效率的显著降低。此外，频繁的启动操作可能会因为电阻发热而受限，影响电动机的可靠性和寿命。

1.3.3串级调速系统

本系统采用先进的晶闸管逆变技术，作为调节直流电源的核心。如图2所示，通过特定的不可控整流桥VR，将交流电转换为直流电，再利用逆变桥VI，通过逆变器将直流电重新转换为交流电并馈入电网[7]。从能量流动的角度来看，该系统在低同步串级调速电动状态下，通过附加电势吸收由转子降速引起的转差功率，并将这部分功率回馈至电网[7]，从而优化能量的使用效率。

图2 电气串级调速电路图

1）起动条件：为确保系统顺利起动，必须保证转子电流Ir或直流电流Id达到足够的阈值，这要求转子整流电压Ud与逆变电压Ui之间存在显著的电位差[8]。

2）起动控制：通过精确控制逆变角β，在起动初期产生足够的直流电流Id，以满足电动机的电磁转矩需求，同时避免电流超出安全范围。随着电动机转速的增加，适当调整β角以减少Ui，保持动态转矩的稳定。

3）调速原理：通过调整β角的大小，实现对电动机转速的精确控制。

4）调速过程：随着β角的增加，Ui降低，Id增加，导致电磁转矩Te和转速n相应增加。通过精细调控，可以实现在加速阶段保持转矩恒定。

5）电气串级调速系统总效率图如图3所示，能耗效率分析如下。

定子输入功率：

旋转磁场传送的电磁功率：

回馈电网的功率：

电网向整个系统提供的有功功率：

电机轴上输出功率：

能耗效率：

从式（7）可以看出大部分的功率送回电网，从而系统效率很高，可达到90%以上。

图3 电气串级调速系统总效率图

1.3.4系统性能综合评估优势

与传统的转子串电阻调速相比，本系统通过引入附加电动势，优化了转差功率的利用，提高了运行效率，并实现了更宽范围的调速和更精细的控制，特别适用于负载变化较大的应用场景。

局限性：尽管具有上述优势，系统结构的复杂性导致成本的增加和维护难度的提升。此外，系统在启动阶段可能会产生过流现象，且长时间在大电流下运行的能力受限。

1.3.5改进型调速系统

在电气串级调速技术领域，尽管其在调节精度和效率上具有明显优势，但在处理大负载的三相异步电动机驱动3200MVA发电机启动时，存在一定的风险。具体来说，在启动过程中，如果转子的感应电压过高，可能会引起过大的转差率，从而导致瞬时电流冲击，这不仅可能引发严重的过载现象，还可能对电机及其调速组件造成损害。鉴于3200MVA发电机的启动周期较长，因此在转差率较高时，对电流进行有效限制，对于保障电网和启动设备的安全性极为关键。

此外，系统中的非线性负载可能产生谐波，这些谐波对电网的稳定性和可靠性构成了潜在威胁。如图4所示，在实现从零开始的平稳调速时，建议在电气串级调速系统中引入电抗器，以限制电流并抑制谐波的影响。在启动阶段，当拖动电机的转差率S未超过设定的最大值Smax时，应将串级调速系统的β角设定在最小工作角度，并适时切除电抗器，确保仅利用串级调速设备将电机加速至所需的工作转速。通过这种策略，可以在保证系统稳定性的同时，提高启动过程的安全性和效率。

图4 串电抗串级调速图

1—测速发电机2—发电机3—不可控整流桥VR 4—平波电抗器5—有源逆变桥VI6—降压电抗器7—逆变变压器TI8—转速调节器9—电流调节器10—电流反馈信号采集

优势：结合了电抗器和串级调速的优点，提供了宽广的调速范围和优化的启动性能，减少了启动阶段的功率损耗。

局限性：系统复杂性的增加导致了维护成本的上升和对控制系统要求的提升。起动转矩的降低和电抗器发热问题限制了频繁启动的能力。

改进措施：

1）控制系统优化：采用先进的算法，提高控制精度和系统稳定性。

2）高效电抗器应用：开发高效的电抗器，并优化其散热设计，以适应不同的工作环境。

3）谐波治理：通过安装滤波器等措施，减少对电网的谐波污染，并探索调频调速等技术，以实现更均匀稳定的调速效果。

1.3.6矢量式变频调速系统

(1）精密磁场定向控制原理

式中，CT为异步电动机转矩系数；φm为气隙有效磁通；Ir为转矩电流。

1）在现代电力传动领域，一种创新的调速方法―磁场定向控制技术，已被应用于异步电动机的精细调速。该技术依托于电机的统一理论框架、机电能量转换机制以及坐标变换数学模型，展现了其创新性和应用价值。由式（8）可以看出，该策略的核心在于对异步电动机的数学模型进行坐标变换，将定子电流矢量分解为与转子磁场对齐的直流分量，并独立控制这些分量以实现磁通和转矩的解耦[8]。

2）系统核心组件分析：本系统采用的高压变频器设计为电压源型，采用功率单元串联的配置，所有功率单元均分为三组，每组单元内部串联。在此调速策略中，电网的高压电首先通过移相变压器转换，输出具有相位差的多路低压电源，为功率单元提供能源。随后，功率单元经过整流和单相PWM逆变过程，输出可调节电压和频率的交流电。各功率单元串联，形成多级PWM电压输出，为高压电动机提供所需的电源[8]。

3）系统控制策略阐述：矢量变频调速控制系统的基础原理是遵循三相异步电动机的等效坐标变换而得出，如图5所示，目标是生成与旋转磁场相匹配的电流。该矢量变频调速系统将三相静止坐标系中的对称交流电流ia、ib、ic，利用坐标变换，将其等效为两相对称交流电流iα、iβ，在静止坐标系中两个电流相差90°。接着通过同步旋转变换，将iα、iβ转换到同步旋转坐标系上，得到直流电流iM、iT。该直流电流iM、iT在旋转坐标系中，观察者会看到类似于直流电机的磁场。通过精细控制，交流异步电机能够产生与等效直流电机相同的旋转磁场，其中M绕组相当于直流电机的励磁绕组，iM为励磁电流，T绕组相当于电枢绕组，iT为与转矩成比例的电枢电流。这种转换后的调速方式，本质上类似于直流电动机的控制方法。

图5 矢量式变频调速系统

2、综合性能评估探究

在本研究中，采用一系列创新的分析方法，利用查阅资料得到大量的原始比对数据，并对数据进行优化整理，从而得到对冲击发电机牵引拖动电动机的调速策略进行全面的技术对比。

2.1系统稳健性深度解析

系统稳定性指数如图6所示。串电阻调速：该策略的系统稳健性指数在0.8～1.2之间波动，主要受转子电阻调整的敏感性所影响。串级调速：此技术展现出较高的系统稳健性，指数范围在1.2～1.5，突显了其在维持系统稳定性方面的明显优势。矢量变频调速：该策略的系统稳健性指数普遍超过1.5，这得益于其先进的控制策略，为系统提供了卓越的稳定性。

图6 系统稳定性指数

2.2动态响应特征深度剖析

动态响应时间如图7所示。串电阻调速：该策略的动态响应周期以秒计，调整电阻的速率是影响响应速度的关键因素。串级调速：该技术显著缩短了响应时间至毫秒级，这得益于其对附加电势的快速调整能力。矢量变频调速：该策略进一步优化了响应时间，达到几十到几百毫秒，展现了其在快速动态响应方面的明显优势。

图7 动态响应时间

2.3能耗与经济效益深度评估

能耗比例如图8所示。串电阻调速：该策略的能效比率在70%～85%之间，其中部分能量以热能的形式散失。串级调速：能效比率提升至85%～92%，有效回收转差损耗是实现高效率的关键。矢量变频调速：该策略的能效比率有潜力超过92%，高效率变频器和精确控制显著减少了能量损耗。

图8 能耗比例

2.4控制精度与调速宽度深度探讨

控制精度误差如表1所示。串电阻调速：控制精度大致在±5%～±10%的区间，受限于电阻调整的精度。串级调速：控制精度提升至±2%～±5%，精确的附加电势调整是提升精度的关键。矢量变频调速：控制精度达到±0.5%～±2%，矢量控制技术提供了极高的控制精度。

表1 控制精度误差

2.5调速稳定性与电网影响深度分析

调速稳定性如表2所示。串电阻调速：在负载变化时，转速波动可能在±10%～±20%之间，电阻调整对电网稳定性有一定影响。串级调速：转速波动控制在±5%～±10%，提供了较为平稳的调速过程。矢量变频调速：转速波动极小，通常小于±2%，在各种负载条件下均能维持高度稳定。

2.6系统成本深度分析

串电阻调速：由于电路中仅需串入电阻，成本较低。

串级调速：控制系统的复杂度适中，因此成本也处于合理区间。

矢量变频调速：由于系统结构和控制设备的复杂性，成本相对较高。

3、结束语

冲击发电机拖动电机的调速技术是实现高效、稳定和灵活运行的关键。本文通过比较串级调速、串电阻调速、变频调速以及串级调速的改进方式，展示每种调速方式的优势和局限。串级调速因其高效率和动态响应而广受欢迎，但需要进一步降低成本和简化控制。串电阻调速虽然成本较低，但在效率和性能上有所欠缺。变频调速提供了宽广的调速范围和良好的能效，但对电机的控制技术要求较高。改进的串级调速方式通过引入现代控制技术和电子器件，有望解决传统串级调速的缺陷，提高系统的性能和可靠性。

未来，随着控制理论的发展和新技术的应用，冲击发电机拖动电机的调速技术将朝着智能化、集成化方向发展。智能化控制可以提高系统的自适应能力和稳定性，集成化设计有助于减小系统的体积和重量，而新材料和新技术的应用将进一步优化调速性能和降低成本。通过不断的技术创新和改进，冲击发电机拖动电机的调速技术将更好地满足现代工业和能源领域的需求。

参考文献:

[1]杨志林.异步电动机单相运行的原因及预防措施[J].技术与市场,2021,28(1):140,142.

[2]张晋,席御僖.直流电动机及其控制系统在石油物探钻机中的发展趋势[J].石油石化物资采购,2021(1):1-4.

[3]黄天翔.三相异步电动机变频调速系统控制策略的研究[D].天津:天津大学,2018.

[4]张柯.三相异步电动机谐波环境下损耗的研究[D].天津:天津理工大学,2018.

[5]赵坤.三相异步电动机模型的建立与二相可控硅软起动器控制算法的研究[D].西安:西安电子科技大学,2014.

[6]陈强.三相异步电动机的七种调速方式及其特点[J].电气应用,2019,38(4):1-6.

[7]刘洋.三相异步电动机串级调速系统设计[D].郑州:郑州科技学院,2016.

[8]孙涛.三相异步电动机变极及串极调速系统设计[J].电机与控制应用,2018,45(3):1-4.

文章来源:杨宗,杨彦强,曲翔.冲击发电机调速方式的性能比对分析与改进措施[J].电器工业,2024,(12):88-94.