1引言

為減少洪澇災(zāi)害，我國在大江大河流域建設(shè)了許多電力排灌站。一般電力排灌站設(shè)計為固定揚程。在洪澇期間，外江水位超過設(shè)計揚程時，泵站被迫停機，使內(nèi)河漬水不能及時排出，給國家和人民財產(chǎn)帶來嚴(yán)重?fù)p失。如果此時能使電機超同步運行如提速5％，則水泵揚程可提高10％左右，這可在很大程度上解決水泵因外江水位過高而被迫停機的問題，減少內(nèi)河澇災(zāi)損失。因此實現(xiàn)此類電機的超同步運行具有很大的社會與效益。

由于泵用電動機定子側(cè)供電電壓為高壓，在定子側(cè)采用變頻調(diào)速時，調(diào)速設(shè)備價格昂貴，且升速受供電電壓限制。如采用雙饋調(diào)速，則因泵機要求調(diào)速范圍有限（僅為±10％），變頻設(shè)備容量比在定子側(cè)調(diào)速要小得多，經(jīng)濟上合算。采用雙饋調(diào)速的另一個重要優(yōu)點是：它從電網(wǎng)吸收的無功功率可通過調(diào)節(jié)勵磁電流的大小及相位進行調(diào)整，即電機的功率因數(shù)可調(diào)，還可進相運行。由于該類泵站機組數(shù)量大，所以采用此技術(shù)以后，對節(jié)約電能及改善當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)功率因數(shù)將起到重要作用。

交流勵磁雙饋調(diào)速電機轉(zhuǎn)子變頻器既可選用交直交變頻器，也可選用交交（AC/AC）變頻器。由于交交變頻器低頻運行時性能優(yōu)于交直交變頻器，因此泵站電機雙饋調(diào)速采用交交變頻是十分合適的[1][2][3]。本文介紹采用三相零式交交變頻、以16位單片機為控制核心并采用現(xiàn)場可編程芯片作為存儲器與邏輯電路實現(xiàn)的調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計方案，提出了以期望的功率因數(shù)為參數(shù)、對轉(zhuǎn)速進行反饋調(diào)節(jié)時轉(zhuǎn)子電流幅值、相位等給定值的計算方法，給出了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計。

2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

雙饋調(diào)速系統(tǒng)由線繞電機M、勵磁變壓器T、交交變頻器及控制電路等構(gòu)成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1泵站雙饋電機交流勵磁調(diào)速系統(tǒng)框圖

圖2電機矢量關(guān)系

圖3兩相到三相矢量變換示意圖

交交變頻主電路在控制電路作用下實現(xiàn)向電機轉(zhuǎn)子供電（超同步運行）或?qū)⑥D(zhuǎn)子能量回饋到電網(wǎng)(低同步運行)。為使轉(zhuǎn)子電流較為平滑、限制誤觸發(fā)瞬時短路電流，主電路中加入了平衡電抗器LP。

控制電路主要完成定子功率因數(shù)、轉(zhuǎn)子電流及轉(zhuǎn)速等檢測，并依據(jù)給定轉(zhuǎn)速、功率因數(shù)與相應(yīng)實際值的差別，根據(jù)反饋控制的基本思想，按照一定的控制算法，計算轉(zhuǎn)子供電頻率、電流幅值與相位的期望值，進而確定各晶閘管的觸發(fā)角以實現(xiàn)對晶閘管的控制。實現(xiàn)系統(tǒng)在給定轉(zhuǎn)速（ω＊）和給定功率因數(shù)角（φ＊）附近的穩(wěn)定運行。

對于既定形式的主電路，其參數(shù)可依據(jù)電機基本數(shù)據(jù)如額定功率、輸入電壓、轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢，及調(diào)速范圍要求等來確定。

3控制方法

如前所述，改變轉(zhuǎn)速是通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的供電參數(shù)來實現(xiàn)的，即通過控制轉(zhuǎn)子的供電頻率、轉(zhuǎn)子電流的幅值與相位來調(diào)速。

31轉(zhuǎn)子供電頻率

設(shè)ω1為同步轉(zhuǎn)速對應(yīng)的電源角頻率，ω為電機實際轉(zhuǎn)速對應(yīng)的電角頻率，ωS為轉(zhuǎn)子供電角頻率。則穩(wěn)態(tài)時有：

ωS=ω1－ω

當(dāng)實際轉(zhuǎn)速和期望轉(zhuǎn)速不同時，可調(diào)整轉(zhuǎn)子供電頻率使實際轉(zhuǎn)速向期望值靠擾。為使電機轉(zhuǎn)速平穩(wěn)變化，采用下式計算轉(zhuǎn)子供電頻率的給定值ωS＊：

ωS＊=ω1－αω＊－(1－α)ω

這里0α≤1,α可隨轉(zhuǎn)速變化有所改變，特別是當(dāng)實際轉(zhuǎn)速接近期望轉(zhuǎn)速時，可取α=1。

32轉(zhuǎn)子電流幅值與相位設(shè)穩(wěn)態(tài)時定子電壓空間矢量為，定子電流空間矢量為，轉(zhuǎn)子電流空間矢量為，不記定子電阻影響，有[4](1)

如果控制系統(tǒng)的功率因素角φ（超前φ記為負(fù)值，滯后為正）具有期望值φ＊，并在運行中保持不變，則調(diào)節(jié)定子電流大小即可調(diào)節(jié)輸出有功大小，從而也可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。反過來，當(dāng)對速度進行反饋調(diào)節(jié)時，速度調(diào)節(jié)器的輸出可認(rèn)為是定子電流大小的期望值I1＊。為保證實際功率因素角φ=φ＊，應(yīng)選擇轉(zhuǎn)子電流幅值與相位，使得對期望的I1＊及φ＊，電機矢量關(guān)系式（1）成立。

由圖2可知：

xmI2sinθ=x1I1cosφ

U1－x1I1cosφ=xmI2cosθ故選轉(zhuǎn)子電流幅值、與夾角θ的期望值分別為：I2＊=θ＊=arcsin

當(dāng)φ＊=0時，定子只從電網(wǎng)吸收有功功率，在泵機提速時可充分利用電機容量。