温石汤泵站内反馈高频斩波调速系统闭环控制原理

摘 要：本文根据温石汤泵站调速机组的实际情况，剖析了内反馈高频斩波调速系统中对电流闭环控制及转速闭环控制的工作原理，旨在加强对温石汤泵站调速系统的深入了解，解决调速中出现的实际问题，保证下游人民对水资源的需求。

关键词：温石汤泵站；内反馈高频斩波调速；电流闭环控制；转速闭环控制

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.09.248

0 引言

温石汤泵站为山东省胶东地区引黄调水工程新建泵站的第五级泵站，为管道输水段的第二级泵站，泵站位于山东省蓬莱市境内，黄水河左岸，蓬莱市村里集镇温石汤村北侧约500m处，处于水线路的任家沟隧洞下游约2km处。温石汤泵站由10台机组组成，8用2备，总装机容量7100kw。其中5#、6#机组为内反馈高频斩波调速机组。

1 设备组成

内反馈高频斩波调速系统由线绕式内馈调速电机及调速装置组成。如果我们把普通绕线电机，和内馈调速电机相比较，可以发现在定子槽内，除了有定子绕组及转子绕组之外，还增添了一个取代串级调速装置中的外馈变压器的反馈绕组。此外，转子整流器、高频斩波器、晶闸管相控逆变器及DSP控制器，共同组成了内反馈电机高频斩波调速装置。

2 机械特性

由于内反馈电机转子漏抗大使得转子整流电路换相重叠严重的情况出现。而第一工作状态与第二工作状态的存在是因为转子电流的增大。一般情况下我们只考虑在第一工作状态下的机械特性，这也是根据采用电流闭环控制最大电流限制在125%额定电流范围以内的情况来操作。Kuv・SE20=Ui+IdR，其中Kuv转子电路整流系数，S转差率，R等效的转子整流电路及斩波电路总电阻，E20转子电路开路电压。

在考虑转子整流换相压降时，Kuv・SE20=Ui+IdR变为：

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对应于电网频率的同步理想空载转速，Ce为系数，XD0为S=1时折算到转子侧的电机定子和转子的每项漏抗。则式变为：

n=[ns-Uc（1-D）/Ce]- IdR/Ce；

这就是内反馈电机高频斩波调速时的机械特性表达式，对于每一个确定的占空比D，有一条确定的特性与之对应，特性曲线如图1： 一般情况下，调节占空比D的大小就可以改变电机的转速，这是因为电容器电压Uc基本恒定，理想空载转速n0与同步空载转速ns的落差由占空比D确定的。

3 电流闭环控制

电流闭环控制的目的是控制速度，这是通过控制电机转子电流的大小即控制电机的电磁转矩来实现的。电流环的控制对象是转子整流电路及斩波环节。为搞清控制对象的数字转换，忽略次要因素，做如假设：（1）电容器电压Uc恒定；（2）UR是转子电势SE20的理想整流电压；（3）R、L是转子电路及斩波电路等效的电阻与电感；（4）忽略转子整流换相重叠压降。

采用状态空间平均模型方法，也即使用占空比加权的方法得到。

Ldi/dt+IR=UR-UC（1-D）

在电流调节时，可以认为电动机速度瞬间不是变化的，即UR是不变的，（UR-UC）也是不变的。控制量是D，输出量是整流电流Id，控制对象可简化为：

是转子整流及斩波电路等效时间常数。电流闭环的有关计算与调节由DSP完成。电流闭环控制图如图2：

图2中T0由占空比生成环节与电流反馈滤波环节综合在一起的等效小惯量时间常数。

4 速度闭环控制

在电机轴上，通过安装磁性测速码盘，依据脉冲的输入，电动机实际转速再由DSP计算出来。速度闭环由DSP完成，速度控制如图3：

图3中T∑由电流闭环等效时间常数与测速滤波环节综合在一起的等效小惯量时间常数。TQ电动机启动时间常数。

5 结束语

温石汤泵站作为胶东调水工程新建泵站第五级泵站作用十分重要，温石汤泵站上游为明渠下游则为管道、暗涵等，对水的流量及水位调节能力有限，且要求非常严苛，温石汤前池蓄水为6万方，当下游需水量增加时，前池的调节能力也非常有限。从而对两台调速机组的调速要求就大大增加，搞清楚内反馈高频斩波调速系统的原理非常有必要，而调速系统中对电流及速度的闭环控制又是调速的中心环节。本文对内反馈高频斩波调速系统闭环控制系统（即电流闭环控制和转速闭环控制）的原理描述，结合了温石汤泵站5#、6#调速机组的实际情况，并根据自己的理论积累描述，旨在对调速系统做深入的研究，在出现问题时能及时从原理出发找到问题的根源，保证调水的顺利进行。

参考文献：

[1]夏多淮，黄靖博.内反馈高频斩波调速技术应用[J].安徽科技，2006（04）：35-37.