2951－BⅢ型电铲交流传动系统分析

卢利虹，张忠

(大连交通大学 电气信息学院，辽宁 大连 116028)*

2951－BⅢ型电铲交流传动系统分析

卢利虹，张忠

(大连交通大学 电气信息学院，辽宁 大连 116028)*

对工矿企业2951-BⅢ型电铲的工作原理及其电气系统主电路进行分析.该系统具有启动力距大、恒功调速范围宽、防空转性能好、对通讯干扰小等优点.采用三相交流异步电机则可做到功率大、体积小、重量轻、结构简单、运行可靠，具有较好的应用前景.

交流传动;异步机驱动;四象限变流器;脉宽调制逆变器;转差控制

0 引言

三相交流传动系统有两类，一类称交—直—交传动，另一类称交—交传动.2951-BⅢ型电铲是采用前者，其电动机普遍采用三相交流异步机.直流电动机虽然有良好的调速性能，但主要的缺点是必须有换向器，这不仅重量和尺寸大，费铜，而且故障率高，维修保养工作量大.交流电机没有这些缺点.但是，异步电机的转速决定它的供电电源频率.当电源频率一定时，它的转速变化范围很小，要把它作为调速电机时，必须对供电电源的频率作大范围的调节.因此，交流传动的关键是在交流供电电源和交流电机之间设置一个大功率、宽调频的变频装置.

1 交流异步机驱动调速原理

交—直—交电传动系统是先将交流电整成直流，经过中间直流环节，再经逆变器变为电压、频率可调的三相交流电，供给三相交流异步机驱动电铲车负载.作为驱动电铲的三相交流异步机，其机械特性必须符合理想的驱动特性.但异步机的机械特性是一条硬特性，与理想的特性相差甚远.从电机原理可知，电机转速等于同步转速n1时，而转矩M为零.当转差率很小时，随负载转矩增加，电机转速相对同步转速逐渐下降，而转矩随着转速的减少直线上升，沿特性曲线n1B知道临界点A.此后如果电动机负载转矩超过临界转矩，电机将工作在不稳定状态，电动机转速急剧下降直至停转，如图1所示.

图1 异步电动机的特性曲线

图2 变化的异步电动机机械特性

一台普通的异步电动机机械特性曲线(曲线1)与理想的驱动特性(曲线2)只相交于C、B两点，只有B点才是稳定工作点.在An1范围内异步电机虽然能稳定运行，但负载变化很大时，转速变化却很小(几乎恒速)，故异步电机的特性必须进行调节才能适应负载的驱动特性的要求.因此，异步电动机必须有多条(不同供电条件下)机械特性曲线和理想驱动特性相交，把这些交点(共5点)连接起来，就成为一条模拟的理想驱动特性曲线.(如图2所示)这时就可以得到一系列稳定的工作点，从而满足负载特性的要求.但是，在确定供电的条件下(固定的电压、频率)只能对应一条特性曲线，欲得到多条(图2所示共5条)特性曲线必须使供电电压、频率连续的变化，相应的得到连续变化的特性曲线，异步机的调速原理就是从这一思路出发的.

由电机学可知，异步机的转速公式为

由式(1)可知异步机的调速方法有三种:①改变极对数p调速用绕组连接来实现的;②改变转差率s调速;上述两种只能局部不连续调整转速，不可取;③改变供电频率f调速.

此法和上述两种方法有本质的不同，以改变定子供电频率来改变电机的同步转速达到调速的目的，在调速过程中无论在高速或低速都保持着有限的转差率，因此具有高效率、调速范围广、调节精度高等优点，是理想的调速方法.这是通过大功率可关断晶闸管组成的PWM调制逆变器来实现的，门控是微机实时控制的.

2 电铲电气系统主电路

电铲电气系统主电路主要部分是由电网侧的四象限脉冲整流器和电机侧逆变器构成，分别对其予以简单的讨论.

2.1 两点式及三点式逆变器

本电铲是采用的两点式逆变器，也称之为二级逆变器.其特点是把中间回路正极或负极的电位接到电机上.随科技进步，目前的电路中，已采用多点式逆变器，其中以三点式电路具有明显的优点.它除具备两点式的特点外，还能把中间直流电压回路中点电位送到电机端，故此也称中点嵌位逆变器，其中主要优点:①功率元件的阻断电压被限制在输入端直流电压的一半，即可以提高中间直流回路电压1倍(对元件使用有利);②比两点式逆变器的谐波分量少，在一个周期内前者电路只有7种状态，后者有19种.因此有利于减少相邻两种电路间转换时引起的电压、电流波动.从而有利降低损耗、提高电动机和系统的效率，减少转矩的脉动.

2.2 四象限脉冲整流器

这个环节的功能是为了改善电铲系统的功率因数和减少谐波对电网的干扰.因此在电铲交—直—交主电路除电机侧有逆变器外，在电源侧还设有四象限脉冲整流器.从本质上讲，它是按升压交－直流斩波方式工作的整流器，所以它也常称作脉冲整流器.它又能在电压、电流平面上所有四个象限中工作(正反向电动、正反向再生状态)，所以称四象限脉冲整流器.图3是四象限脉冲整流器原理电路图.同样，它与PWM逆变器相比较，也有两个桥臂组成.每个桥臂电路的控制方法也相类似，即由三角波与正弦调制波的交点来决定桥臂中的上下功率元件的换流时刻.两个平行的桥臂中的正弦调制波相位互差180°.由于电源侧回路电感(变压器的漏感)作用:可使中间回路直流电压Ud高于整流桥(D1—D4)所产生的整流电压，如式(2).

图3 四象限脉冲整流器原理电路图

式中，UN－m为交流网压峰值.譬如在正半波时，(图3中U端为正、V端为负)触发T2，变压器次边绕组通过T2—D4短接，由于变压器具有相当大短路阻抗(对于50 Hz供电网，通常短路阻抗UK＞30%)，所以电流上升率被抑制.此刻让T2重新关断，于是，变压器的次边电压再加上其漏感储能形成的电压，它比中间直流回路的电压要大，所以电流从变压器经D1、D4流入中间回路.这正是上述的交直升压斩波的结果，较低的变压器的次边电压可以把中间直流回路电压抬高130%.对于负半波也可类推.

如果为进一步改善电网质量，提高其功率因数，可以把几组四象限脉冲整流器错开相位进行斩波(如相互相位移90°)，从而可以成倍的提高斩波频率.四象限脉冲整流器改善电铲系统的功率因数原理简述如下:系统的功率因数

式中，μ为系统功率因数;cosφ为相位系数 ;λ为电流畸变系数.

通过调制，可使直流电压Ud在电源回路U、V端产生工频交流正弦电压Us1.通过对Us1相位和幅值的控制，可以达到电源侧回路内电流IN与网压UN同相位，即基波相位系数等于1，同时因调制频率足够高，或电网侧(变压器)漏感LN足够大可抑制电流畸变，即电流畸变系数λ≈1，如此μ=λ·cosφ ≈1.

图4(a)为四象限脉冲整流器等值电路图，图4(b)为其向量图.

图4 四象限脉冲整流器调节的等值电路及其向量图

四象限脉冲整流器调制电压的基波分量为

假定四象限脉冲整流器和中间储能的损耗忽略，那么，交流端和直流端的功率在每时刻都必须相等，即

式中，i为四象限脉冲整流器流出的电流(见图4)，把上述关系代入，可有如下式

式中直流分量

而式(10)为两倍网频的交流分量，可以通过串联谐振电路L2、C2虑除掉.

必须指出，有限的调制开关频率和确定供电网络漏感下(变压器漏感)LNus除了基波分量us1外，还包含更高次谐波分量，在供电网中同样也存在高次谐波分量.所以，即使cosφ=1，但由于λ＜1，供电网的功率因数μ也略＜1，从电铲说明书上看到μ=0.955的数据是可信的，合理的.

4 结论

2951-BⅢ 型电铲是一个典型的交—直—交传动系统，其精华所在就是接电源侧的四象限脉冲整流器，能把制动能量回馈给电网，以供给平行作业的其他设备的电铲，可见节约能源是本设备的最大优势。在负荷低的工况下自动(程序)断开与电网联接，转换为能耗制动，作为突出重点来维持电网侧高的功率因数，这不但可以改善本系统的功率因数，也可以减少谐波电流对电网的干扰(不污染电网，酿成公害).本设备的设计思想是很可贵的.其次是在电机侧的逆变器为三点式(或多电平式)可更会有效的减少谐波分量，以利于降低损耗，提高电机和系统效率，减少转矩脉动以锦上添花.

［1］范国伟.电机原理与电力拖动［M］.北京:人民邮电出版社，2012.

［2］陈勇，罗平，向敏.电力拖动与控制［M］.北京:人民邮电出版社，2011.

［3］王兆安，刘进军.电力电子技术［M］.北京:机械工业出版社，2010.

［4］冯晓云.交流传动及其控制系统［M］.北京:高等教育出版社，2009.

吗:B

1673-9590(2014)03-0118-03

10.13291/j.cnki.djdxac.2014.03.028

2013-05-04

卢利虹(1962－)，女，讲师，学士，主要从事电气工程技术及设备的研究

E-mail:dq－llh@163.com.