交—交变频低频电源的研发与应用

前言

对于少数低速大功率设备而言,采用交--直--交变频驱动生产将可能产生一些必不可少的副面影响,因此采用大都交交变频方案,由晶闸管全控整流电路组合形成控制部分,通过对输出电流的大小和方向的组合控制,使负载得到一个电压和频率(通常低于工频电源频率)可调的交流电,在低速,大功率电力拖动设备中有广泛的应用价值,如轧钢机,矿井提升机,大型风机,电力设备中的调速控制系统中,交交变频发挥的巨大作用.针对这类设备,在生产过程中发现具有如下优点:1 变频环节减少,减低了换流所导致的损耗,变换效率高;2可控性好,采用电流自然换相,不必添置另外的换流电路;3可实现四相限运行,应用范围广.

2004年我单位接到客户请求, 要求研制一台供电电源,用于对油田低温高蜡油井的原油进行开采前和开采过程中的加热处理.根据客户提供的现场信息以及调查报告,高黏油和稠油难以开采,负载情况复杂多变,加热点距离较远,工作条件恶劣.分析了上述情况后,经过综合考虑,我们决定采用低频加热电源,由交交变频转换得到低压,大电流的电源,此时的负载原则上可以视为纯阻性负载,加热均匀,操作简单可靠,同时效率较高,避免了采用直流加热而引起的原油离子化,电离腐蚀管壁和中频加热的负载增大,损耗大以及工频加热的电流不平衡,电耗大,可靠性低等缺点.因此而言是最为理想的设计方案,在低频状态下加热,升温快,温度高,效果更好,而且可以节约电能,这就是低频加热电源.根据以往经验,我们采用传统工艺与现代控制理论相结合的理念,在广泛吸收借鉴国内外其他形式变频设备的基础上,确定了最终方案.

设计方案介绍:

主电路设计采用单相输出交交变频,其根本为一套三相桥式无环流反并联可控整流装置,其中可控硅控制信号Ust是直流信号,相应输出也是直流;若Ust是交流信号,则变频电源的输出也是交流.由于该设备无中间直流环节,故称为交交直接变频,其输出波形如图.

交交变频调速系统是一种不经过中间直流环节，直接将较高固定频率的电压变换为频率较低而可变输出电压的变频调速系统。其每一相均由两组（正、负组）三相全波变流器反并联构成。输出的整流电压为：
Ud=Ud0cosαp±Ud0cosαN ┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉ (1)
式中：αp——正组整流器控制角；
αN——负组整流器控制角；
Ud0——α=0°输出电压平均值。

交交变频器输出电压的基波为正弦波，即：
Ud = Ud msinω1t ┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉ (2)
则 cosαp=(Udm/Ud0)sinω1t=ksinω1t┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉┉ (3)
式中：k——输出电压比，k=Udm/ Ud0；
ω——输出电压基波的角频率。

通过改变正、负两组整流器触发角的频率，即可改变输出电压的频率；改变输出电压比k值，即可改变输出电压值。

交交变频器通过两组反并联的晶闸管交替工作来产生一相低频的交流电压供给负载，存在环流问题。在可逆直流传动中采用的工作方式（如逻辑无环流、错位无环流、可控环流）一般在交交变频器中均可适用。交交变频器的主电路及基本控制部分可采用直流传动的相同组件和技术。

输入电流谐波分析:

用解析方法计算调制波形的频谱有相当难度,而且必要性也不是很大,通常采用 仿真方法分析频谱,首先通过仿真得到输入电流波形,然后用FFT求得频谱,结果显示,除基波外还有下列频率的谐波:
fl=I(Pm±1)fi±|Fl+2lf0|
其中f0 ---输出频率;
l----正整数0,1,2,3---
与fl=(Pm±1)fi 相比,增加了±2lf0的旁频,但是各谐波的有效值比直流传动时的谐波有效值小许多.出现该旁频的原因是:变频装置由正反两组整流桥组成,一组提供正向输出电流,而另一组提供反向输出电流.输出电流波形只与输出电流大小有关,而与输出电流方向无关.
I(ω0t)=ii(ω0π+π) ω0=2πωf0.有输入电流幅值和相位的调制的角频率2ω0,因而在输出电流的频率中会出现2l f0的旁频.

控制模块分析:

直流电流的电流控制是通过电流调节器实现的,由于PI调节器是触发电流的控制信号,因此只要存在电流误差,出发脉冲就会移相,直至电流误差消失.因为交交变频输出输出电流随正弦规律变换，因此电流调节始终处于动态，于是跟踪误差出现，输出的电流总比给定有所滞后，为克服该缺点,在设计中我们采用引入电压前馈补偿环节,该功能由加法器AUR实现.输入为电压给定- U0和电压调节器UAUR输出UAUR信号供触发移相用,如果忽略SCR的非线性影响,则UAUR与变频设备输出电压成正比.在无环流切换过程中,电流前馈可完成有准备的切换任务(指切换前后整流装置输出电压不变).正组和反组移相特性重合,因此只要UAUR的值恒定,U0就保持恒定.在设置了电压前馈环节后,UAUR大约为0,- U0和U0切换前后不变,自动满足了有准备切换的要求.

触发脉冲的产生:

这里采用集成函数发生器ICL8038构成扫频信号发生器,它主要用于直接测量各种频响特性,其输出信号频率在一定范围内反复变化,内部主要有矩形波,三角波和锯齿波发生电路和三角波变正弦波电路.该集成模块常用引脚如图所示.该电路具有结构简单,实用可靠的特点,采用单电源供电.Vcc=±5V---±15V.这里采用±15V输出频率1---600KHz,输出矩形波的占空比为避免2%----98%,在本次设计中,输出频率为9—10Hz,

触发电路:本触发器采用自主研发的SCR触发模块,它将相控电压转换为相应的大功率触发脉冲,用来跟踪SCR主电路工作.该模块具有下列特点:
1,方便与调节系统匹配,αmin,βmin 自动限制,脉冲可靠;
2,双脉冲输出,功放管耗散功耗低,损耗电流小;
3,同步网络滤波,不受电源中波畸变和换流缺口干扰;
4,各相脉冲均衡,无需调整;
5,该模块集成度高体积小巧,运行可靠,维护方便,可用于其他调压使用环境;

其原理图如下:

在经过脉冲变电等转换后同步电压经RC电路移相60°,送入模块与相控电压Uk进行电流比较后,输出六路双窄脉冲,依次间隔60°,脉宽20°左右,确保可靠触发.经过功放可输出300—800A的驱动电流.该模块触发极性为正,即移相控制电压Uk增大,输出导通也随之增大.其各项参数如下:
1功能:晶体管三相恒压整流输出控制
2三相同步输入信号: ±15V(DC) 电流<200mA
3触发脉冲宽度20°
4移相范围-6V---0V---+9V
5各相脉冲不均衡度<1°
6手动控制电位器 1K
7工作环境:
环境温度-15---70
相对湿度:<70% RH
外形尺寸:73mm×32mm×23mm
实验条件及结果波形

根据以上示波器图形我们可以看出，在正常实验条件下，该低频电源所转换的电压和电流图形非常令人满意。

总结:

采用交一交变频方法的加热电源，实现了真正的平滑起动，减小了起动冲击和起动电流。由于保留了传统电子式软起动器的硬件结构，只是改变了晶闸管触发脉冲的产生顺序和控制方法，因而不会增加成本支出;而在起动性能上却可大大优于传统的降压软起动器，可实现近似于变频器的软起动性能。采用分级交一交变频方法的软起动器还可以方便地实现短时低速运行和低速反转制动功能，以便实现准确停车。。经过该低频电源的研制,使我增长了许多系统设计方面的知识,从多方面获得了宝贵的经验.目前我国配套电源尚不齐全,应用于各工业领域的电源系统缺口很大,希望有实力和经验的单位和个人多多交流,共同促进经济发展.

参考书目:

1 模拟电子技术基础 童诗白 北京：高等教育出版社　1993。
2电力电子学 贾正营 北京：中国电力出版社
3通用变频器设计及应用 满永奎 韩安荣等 北京：机械工业出版社
4电气变频调速设计技术 杜金诚 北京：中国电力出版社
5 大功率交交变频调速及矢量控制技术 马小亮 北京：机械工业出版社
6 变频器设计及其应用 冯垛生 张淼 北京:机械工业出版社 2000
7 变频调速系统设计与应用 王树 北京:机械工业出版社 2005

作者简介: 肖英辉,男, (1974---),中级工程师,曾多年从事某上市企业技术及设备管理工作,现为山东科技大学测控专业研究生,研究方向为电力电子技术及应用.
通信地址: 肖英辉 山东科技大学 青岛 266510
                  任惠英 山东兖矿集团机厂 邹城 273500