数控式可控硅交-交变频超同步串级调速系统

摘要

本发明用数控方法，取得主电机所需要的转子感应电势的频率、相位信号。再以错位、差频、计数、正弦波形成等技术形成阶梯形正弦波，用作可控硅触发信号。又采用了幅值调节、相位调节、特性补偿、环流封锁等技术，以实现整个系统的自动控制。因此，本发明与现有同类型调速方法中的近同步区失控，不定区域的转速不稳定、谐波含量大、功率因数不能自动调节等都得到了显著改进。

说明书

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本发明是属于电气传动调速控制系统，是将可控硅变频电势送入线绕式电动机转子的调速类型。

在已有技术中与本发明完全相同的调速系统还没有，据查阅1979年至1984年的“世界专利索引”（WPI），有关电动机速度控制装置中，有关转子和定子电路两者均由交流供电，而只有一电路的供电频率为可变的专利（HO2P7/46），其中属于异步电机的交交变频的为数不多，如其中的三篇。

（1）苏联专利SU-752723    滑环式电动机速度控制

（2）苏联专利SU-773887    双馈交流电机

（3）美国专利VS4307328-A    三相交流电动机

从查阅到的专利文献所记载的内容，看不出有与本发明主要特征相同之处，国内也没有与本发明完全相同的文献报导，可见在已有技术中没有完全相同的采用“数控”“交交变频”和“超同步串级调速”的电气传动技术。

而其他现代同类型交流电动机调速技术的缺点是在同步转速附近有一定程度的转速不稳定现象。为此应是这类方法迄今还不能在更大范围内取代它的前身-亚同步可控硅串级调速的重要原因。并且这类调速系统在自动控制功率因素和抑制谐波含量方面也不很理想，有提高的必要。

本发明的目的是要改善上述调速系统在各方面的缺点和不足。

本发明所提供的调速系统，包括已有技术有：

1、同步脉冲-频率恒定（现取1200），转速脉冲-频率与被调速成正比（现取在同步转速时为1200），置数脉冲-频率与被调速电机转速成正比，被调速电机每次旋转至整定的机械角时发生一个脉冲。

2、转速调节，转速反馈、电流调节、电流反馈及同步信号。

3、同步计数器和可逆计数器。

由于以上均属现有通用技术设备不需详细介绍。

本发明是采用数控方法取出与调速电机转差率成正比的脉冲信号，该信号的频率和相位是主电机转子感应电势所需要的。并不受转速、转子电流谐波及齿谐波影响。

用错位器、差频器以防止信号脉冲的相互干扰，用可逆计数器对任何一个转速下只作加（或减）法运算，再用正弦波形成器将循环出现的数码组成互差120°电角的三相阶梯形正弦波。

用同步计数器的清“O”信号和向可逆计数器置数的方法以随时纠正可能有的干扰脉冲，并为自动改变变频电势的相位建立条件。

另外还用幅值调节器以决定上述正弦波的幅值（它以速度和电流双闭环的输出信号为依据）。幅值调节器，不仅用于调节上述正弦波的幅值，也用以当变频的需要在逆变和整流两种状态间变换时发出变换信号（送至相位调节器）。

用以上各项技术，再加上已有技术的同步脉冲发生器、转速脉冲发生器和置数脉冲发生器构成了阶梯形正弦波形成系统。用此取得和输出质量好的阶梯形正弦波。

本发明用下列技术实现自动控制。

用特性补偿器以抑制异步电动机的三种非线性特性在自动调节上的不良影响，在异步电动机的转速控制中有三个难于处理的非线性问题。即转速与转矩间的自然机械特性曲线，变频电势与转子回路总电势间关系曲线和转速负荷与转子侧功率因数间的关系曲线等非线性问题。特性补偿器则是使之得到自功改善的装置。

用相位调节器所发出的清“O”信号的时间以控制变频电势的相位，视工艺对相位调节的要求不同而选择它的输入信号为电流、转速、幅值调节器等的任一个或任几个信号。相位调节器，它有两种作用，一是，将上述幅值调节器送来的运行于整流或逆变状态的信号转变为控制变频电势与转子感应电势间电角差的信号（图一中〔15〕送出清“O”脉冲以改变〔6〕输出的数码编号、〔3〕送出置数脉冲将〔6〕的输出强迫入〔7〕是图七a的功能。二是，使变频电势的上述电角差为连续可调的，即包括上述的功能，也能随转速、电流等的变化而自动调节以达到多种目的，这就是七b的功能。

前面所述的幅值调节器，也用以当变频器的需要在逆变和整流两种状态间变换时发出变换信号，并送至相位调节器。

用环流封锁器以封锁环流、滤波和在电流换向瞬间不关断主电流，（见图〔20〕它包括两个环节：一是从变频器的输出电流取得其方向和电流量的信号，再将此信号变为封锁不需触发的可控硅组的触发信号。二是用中间抽头的电抗器以抑制环流量和兼起滤波作用。

以上技术加上已有技术中的转速反馈、转速给定、转子电流反馈同步电源、转速调节、电流调节构成了自动控制系统。

本发明的优点是：

1、用数控技术所取得的基本信号-脉冲是独立于转子感应电势的大小（只频率与转速有严格的数学关系），独立于转子回路的齿谐波和可控硅整流而致的谐波，独立于转子输出功率的变化等因数，这就摆脱了七十年代国内外同类装置在同步速附近取不出适用的能代表转子感应电势的波形的缺点。

2、正弦波形成器由于有错位器、差频器的作用，而能形成较好的阶梯形正弦波，又由于有同步计数器的清“O”和对可逆计数器的置数作用，当有干扰脉冲进入时也能以每秒50次的频率于以纠正。上述的清“O”技术也为灵活控制变频电势对转子感应电势的相位关系创造了良好条件。这就是由相位调节器控制清“O”脉冲发出时间的办法。它既可以适时改变电机运行方式为逆变或整流，也可以随转速或电流而自动调整功率因数，这两种作用与现有技术比有独到之处。

3、特性补偿器是一种新的实破，在抑制乃至消灭某些条件下异步电动机的多种非线性特征在自动控制方面的影响具有相当大的理论和实践意义。

4、由于相位调节器与特性补偿器的结合可以使我们按工艺需要让电机运行以转速稳定为主，以改善功率因数为主，在正常状态下以提高机组效率为主，而有干扰信号到来时以重新稳定转速为主，来安排自控方式。

5、环流封锁器有结线简单、可靠、有转子电流不会短暂中断的优点。

本发明已在试验设备上取得的效果是：无级调速目的已达到，在任一转速处均可作电动及制动两种运转。基本消灭了同步转速附近的失控区，只在从同步转速处作微调时，转速有时有1～2秒钟的轻微摆动才向需要转速处变化。机组的效率及功率因数在同步速附近约半负荷处均已超过主电机原有额定值。转速不稳定情况，虽尚未解决自动抑制任一转速点的不稳定现象，但已能大为改善，转子电流波形近于正弦呈线性曲线。

本发明适应的对象有：

1、它的调速范围一般限制在0.5～1.5倍同步转速内，而实际需要的范围越小越有其相对于其他交流电机调速的优越性。

2、为了解决电机的起动，最简单的是用频敏变阻器，在不需于1/2同步速以下部份调速的负荷是宜于这样作的。

3、在广泛使用的水泵、风机类负荷，某些交流轧机（尤以原用飞轮平抑冲击负荷处）、空压机、运输机等都有它发挥优势的条件。

本发明中的某些特有技术，在其他设备上也有使用的价值，如

1、特性补偿器-它在其他超同步、亚同步的串级调速法上也可以应用，一般凡是要纠正非线性影响，乃至直流电机上，例如自控系统中的放大系统K值宜于随某种参数转变时也可应用。在实际调节的方法上，可能有些计算条件不具备乃至原因不够清楚的现象，但只要在调试中掌握了它们的规律，只要它们是可以用函数发生器或其他办法来模拟其规律的都可以应用。

2、相位调节器-它对其他交交变频调速或交交变频装置的相位自动调节都能适应，它的反应速度平均为10ms用以兼作带冲击负荷（如轧机）的无功动态补偿也能胜任。

3、正弦波形成器、错位器、差频器、用同步计数器、可逆计数器及清“O”、置数等的组合或将其中任一环节分离开来都可用于其他设备上。

4、环流封锁器、幅值调节器也可以移植使用。

附图说明及实例

图1、控制系统原理方框图

图中：〔1〕为同步脉冲发生器（现取频率1200）。〔2〕为置数脉冲发生器（当电动机运行于同步转速时的频率为1200）。〔3〕为置数脉冲发生器，每当定转子绕组一一对准时发出一个脉冲。〔4〕为错位器，用以将同时到达的两个脉冲分为一前一后再送出。〔5〕为差频器，用以将轮流输入的两组脉冲相互抵消，只送出频率较高一组的多出部份脉冲因而下面的可逆计数器，在任一稳定转速时只进行加（或减）法计算。〔6〕为同步计数器，用以将同步脉冲转变为1～24的循环数码。〔7〕为可逆计数器用以将加（或减）法脉冲转变为1～24（或24～1）的正（或负）序数码，它的输入频率与转子感应电势频率成正比。〔8〕为转速反馈的模拟量，〔9〕为转速给定的模拟量，〔10〕为转子电流反馈的模拟量，〔11〕为电源某相的正弦波模拟量，〔12〕为转速调节器，〔13〕为电流调节器，〔14〕为特性补偿器，〔15〕为相位调节器，〔16〕为幅值调节器，〔17〕为环流封锁器，〔18〕为正弦波形成器，〔19〕为触发器，〔20〕为一相变频装置中的正、反两组可控硅及中间抽头的限制环流兼滤波作用的电抗器等主结线，（a）为一相频的输出主接线端，送被调速电机转子。

图2、错位器示意图

图中b、c为同步及转速脉冲输入端〔21〕为电阻，〔22〕为与非门用以将〔23〕（JK触发器）的J、K端分别固定于O、I状态，R为JK触发〔23〕（JK触发器）的J、K端分别固定于O、I状态，R为JK触发器清“O”端，〔24〕均与非门，〔25〕为电容。

上面的b、c均送入JK触发器的CP端，由于两JK触发器后面有四个与非门接成R-S触发器，故同时达到的脉冲只能有一边先通过然后另一边通过。d、e为错位器的同步及转速脉冲输出。

图3、差频器示意图

图中编号与图二相同者含义亦同（下同），h、i为已相互抵消了轮流到达的两组脉冲后的输出脉冲。

由于d及e的到达均使另一组的JK触发器清“O”故只有某一组脉冲连续输入二及以上个脉冲时输出较连续脉冲数少1的脉冲数量。

图4、正弦波形成的示意图

图中的12个电阻R₁～R₆，在接通正（Z）负（F）电流后共有12个取压点（即图中之1_-、1₊、2_-、2₊、……6_-、6₊），Z及F的电压绝对值总是相等的，从每一取压点接出三个光电偶合器（即图之〔26〕、〔27〕、〔28〕）共36个光电偶合器。

将〔26〕，所代表的12个光电偶合器加上附号如26_1-～26₆～及26₁₊～26₆₊，再将可逆计数器输出循环数码编为1～24并将数码按下列关系送入各光电偶合器如：

光电偶合器号 26_6-26_5-26_4-26_3-26_2-26_1-26₁₊26₂₊26₃₊26₄₊26₅₊26₆₊

6    5    4    3    2    1    24    23    22    21    20    19

循环数码编号

7    8    9    10    11    12    13    14    15    16    17    11

于是每一个数码循环可得一个阶梯形电压波，可以由适当配置电阻而取得包路线为正弦或其他形的电压波。

改变送入〔27〕及〔28〕的光电偶合器的数码号便可得互差120°电角电压波。

图5、幅值调节器示意图

图中〔29〕为运算放大器，K为来自特性补偿器输出的模拟信号，P为编置信号，前三者用以使〔29〕的总输入量随转速上升而下降，在近同步值时为0，并随之使其输出反号，〔30〕每运算放大器，其高倍放大作用使前述的反号作用可以立即将输出信号m送至相位调节器以产生变频电势在逆变、整流间的突变。〔31〕为绝对值放大装置以使其输出始终为正，再经〔32〕的运算放大器反号以向正弦波形成器的Z、F端送出可调电势。

图6、特性补偿器示意图

图中〔33〕为函数发生器，它将转速信号S变换为所需函数，用以与电流调节器来的信号L在〔34〕中相乘（此时〔34〕为乘法器，亦可视需要成为加、减法器等）它的调节实际是与下述的相位调节紧密配合的，补偿作用也是共同产生的。

图7、相位调节器示意图

图7a为只起改变变频输出为逆变或整流状态工作的调节法，图中T为电源同步正弦波信号，m为幅值调节器的输出信号，〔35〕及〔36〕分别为运算放大器及门电路（与非门），其中m之为1或0态使其输出信号O对T信号而言相差约180°电角。

图7b为所需调速范围内全程任一点的相位均可调的方法。m、s、L三个或其中任一、二个信号（分别为幅值调节器来及转速、电流反馈信号）通过运算放大器〔37〕的综合以其输出进入仿一般触发器原理原理作成的延时发出脉冲的装置〔38〕并送清O信号至同步计数器〔6〕

图8、环流封锁器示意图

图中L为从变频输出相电流取得电流信号，有两种取法：用霍尔元件从转子主回路形成的磁场中或在转子回路中串入适量电阻而从电阻两端直接取得，后一方法必须对图中运算放大器（每相一个）分别提供独立的直流电源，图中运算放大器〔39〕将电流信号放大后推动门电路以信号t封锁不需触发的可控硅组的触发信号。