第二十二章调速执行机构.docx

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第二十二章调速执行机构

第二十二章调速执行机构

第一节液力偶合器调速机构

目前，200MW以上单元机组的锅炉给水系统广泛采用了具有液力偶合器的变速给水泵。

液力联轴器调速的主要优点是：

可实现宽范围无级调速；偶合方便，可以零负荷启动；能有效地避免电动机过载；隔离振动；“弹性”连接，有良好的隔振效果；可实现过载保护；除轴承外无磨损部件，工作可靠；能提高运行的经济性。

一、液力偶合器

液力偶合器调速的主要方法有三种：

一是移动旋转内套空腔中勺管端口的位置改变工作油量；二是改变由工作油泵经控制阀进入循环园内的进油量；三是这两种方法的联合使用。

在火电厂多采用第一种方法，即通过改变勺管的位置从而改变工作油量来控制转速。

图22-1为液力偶合器的结构示意图。

图22-1液力偶合器的结构示意图

液力偶合器主要是由泵轮、涡轮和旋转外套组成。

由泵轮与涡轮、涡轮与旋转外套之间分别形成两个腔室。

泵轮与涡轮之间形成的是环形空腔（循环圆），两轮内分别装有20～40片径向叶片，涡轮内叶片比泵轮叶片少1～4片，以免共振。

泵轮安装在主动轴端部，主动轴与电动机轴连接；而涡轮与从动轴连接，从动轴连接泵的转轴。

当泵轮在主动轴驱动下旋转时，循环圆内的工作油在离心力作用下沿径向流道外甩而升压，在出口以径向相对速度与圆周速度的合速度冲入涡轮进口径向流道，工作油在涡轮的径向流道内动量矩降低了，进而对涡轮产生了转动力矩，使涡轮旋转。

工作油消耗了能量之后从涡轮出口流出，又流入泵轮入口径向流道，以重新获得能量。

就这样，工作油在循环圆内周而复始地自然循环，传递能量。

另一空腔是由涡轮与旋转外套构成，腔内有从泵轮与涡轮的间隙流出的工作油，随着旋转外套和涡轮旋转，在离心力作用下，工作油在此腔室内沿外圆形成油环。

泵轮的转速是固定的，而涡轮的转速则是根据工作油量的多少而改变，工作油量越多，泵轮传给涡轮的力矩越大，则涡轮转速越高，反之涡轮转速越低。

因而，只要改变工作油量就可以改变涡轮转速。

电厂是通过改变勺管的位置，来改变工作油量，进而控制转速。

勺管是一头弯成90°的短管，弯头部分置于勺管室（排油室），管口迎着油的旋转方向，利用油旋转产生的速度头，工作油进入勺管口内并排出。

勺管位置不同，泵轮与涡轮间的充油量不同，泵轮传给涡轮的转矩不同，因而涡轮的转速也不同，这样就实现了涡轮轴的无级变速。

工作油在泵轮与涡轮之间流动，不可避免地有涡流、流体内部摩擦等能量损失。

因此，涡轮的角速度

总是小于泵轮的角速度

，即泵轮与涡轮间必然有一滑差率s：

（14-1）

式中i为传动比。

滑差率和传动比的大小表示液力联轴器的调整范围。

⒉传动机构

从气动（或电动）执行机构到勺管的传动机构如图22-2所示。

图中：

1为勺管；2为扇形齿轮；3为圆柱齿轮；4为齿条导杆；5为扇形齿轮轴；6为扇形凸轮；7为抱合凸轮；8为进油控制阀；9为曲柄；10为连杆；11为气动（或电动）执行机构；12为顶丝；13为弹簧。

22-2液力联轴器调速机构

当机组减负荷时，气动（或电动）执行机构顺时针方向运动带动扇形凸轮6顺时针转动，从而使齿条导杆4在弹簧13力的作用下作垂直下降运动，带动圆柱直齿轮3也作顺时针转动，再经扇形齿轮轴5带动扇形齿轮2使勺管1向上垂直移动，从而使旋转外壳内的工作油泄油量增加，涡轮的转速下降，给水量减小，达到减负荷的目的。

当机组负荷增加时执行机构各部件的运动方向相反。

⒊液力联轴器调速的特点

（1）可实现宽范围无级调速。

调速范围可宽至25％～100％。

（2）离合方便。

用普通联轴器连接水泵与电动机时，启动时要带负荷启动，因此电动机要克服很大的启动转矩。

但在使用液力联轴器时，由于可以操纵勺管在充油量为零的状态下启动，即将泵轮与涡轮解除连接，无负荷启动。

所以，启动功率大为减小，能有效地避免原动机过载。

（3）可以隔离振动。

泵轮与涡轮之间没有机械联系，靠液力传递扭矩，是一种“弹性”连接。

因此，它能吸收电动机或从动机的振动，有良好的隔振效果，对冲击负荷也有显著缓冲作用。

（4）可实现过载保护。

如果从动轴阻力突然增大，则滑差随之增大，甚至达到1（即从动轴停转），而原动机却仍能继续运转，不致损坏。

（5）缺点。

液力联轴器的缺点是系统较复杂，控制本身存在功率损耗，造价较高。

第二节变频调速系统

一、概述

100年前，人们就知道了变频调速的道理，但实现起来却很难，经过的苦苦探索，直到20世纪80年代以后，随着大功率电力电子器件的发展，变频调速技术才得以快速发展，日益成熟。

目前，在工业、交通、家电等方面获得了广泛应用。

计算机和自动控制理论与技术的发展，极大地促进了变频器的研制。

微处理器成为变频器的控制核心，精确地计算使得按压频比（V／f）控制原理实现异步电动机的变频调速成为可能。

使变频器的功能从单一的变频调速功能发展为包含算术逻辑运算及智能控制在内的综合功能；自动控制理论与技术的发展，使变频器在改善压频比控制性能的同时，推出了能实现矢量控制、直接转矩控制、模糊控制和自适应控制等多种模式。

现代的变频器已经内置有参数辨识系统、PID调节器、PLC和通信单元等，根据需要可实现拖动不同负载、宽调速和伺服控制等多种应用。

变频器的分类如下：

按变换环节可分为交-直-交变频器和交-交变频器；按变频的原理可分为直接变频和间接变频；按电压的调制方式可分脉幅调制PAM和脉宽调制PWM；按滤波方式可分为电压型变频器和电流型变频器；按输入电源的相数可分为三进三出变频器和单进三出变频器；按控制方式可分为V/f控制、转差频率控制、矢量控制和直接转矩控制；按用途可分为通用变频器、专用变频器和高频变频器；按供电电压高低可分为低压变频器和高压变频器。

变频调速在火电厂热工自动控制系统中的最初应用是从给粉机调速开始的。

给粉机原使用滑差电机调速系统，由于滑差电机及给粉机所处环境恶劣，给粉机跑粉，常使滑差电机与给粉机之间的间隙被煤粉塞满，造成硬连接，使转速不可控（或称调速非线性），电磁线包在被煤粉堵塞时不能散热也容易被烧坏。

故障发生后，自动控制失灵，手动操作也非常困难，只好减负荷，停止给粉机进行检修。

由于滑差离合器不易拆卸，工人劳动强度增大，检修时间加长，对锅炉的安全稳定燃烧非常不利。

而且滑差电机不但不节能，还不能有效地控制给粉机低转速运行。

这样，当锅炉低负荷运行时，由于不能再降低转速减少给粉量，所以很难保证自动的稳定投入和锅炉的安全和经济运行。

变频调速是一种直接调速的控制方式，它克服了以往滑差电机的缺点，是火电厂锅炉给粉机、给煤机、送风机、引风机、给水泵、凝结水泵、循环水泵等转速控制的新手段。

二、交流异步电动机的调速原理

按照交流异步电动机的基本工作原理，从定子传入的电磁功率

可分为两部分：

一部分

是拖动负载的有效功率；另一部分是转差功率

，它与转差率S成正比。

从能量转换的角度上看，转差功率是否增大，是消耗掉,还是得到回收，显然是评价调速系统效率高低的一种标志。

交流电动机的调速原理，可以从交流电动机的供电频率f、电动机磁极对数p、转差率S和转速n之间的关系来分析：

（22-1）

S=O时为同步转速，

。

由式（22-1）可知，电动机运行转速

由电源频率f、电动机磁极对数p和转差率S来决定，改变这3种参数均能进行调速，这里的

为同步转速。

改变磁极对数p是以控制旋转磁场的同步速度控制转子转速，转差率S不变，转差损耗少，方法简单，但调速为有级调速，应用场合有限。

滑差电机调速是采用改变转差率S的调速方法，在同步转速

不变的情况下改变转子回路的激磁电流。

该方法无法利用电动机滑差功率，功率因数比较低，全部转差功率都以转换成热能的形式而消耗掉，即以增加转差功率的消耗来换取转速的降低（恒转矩负载时），越向下调速，效率越低。

改变频率f的调速属于转差率不变，转差功率的消耗基本不变的调速。

所以变频调速的功率因数和效率都较高，调速准确度也高，并且具有很硬的机械特性和较宽的调速范围，易实现闭环自动控制，是交流电动机调速中最节能的调速方法，它代表了当代交流传动调速的控制水平。

三、变频调速系统

由三相异步电动机的转速公式可知：

调节了三相交流电的频率，也就调节了同步转速，也就调节了异步电动机转子的转速。

因此，用半导体电力电子器件构成的变频器，把50（或60）Hz的交流电变成频率可调的交流电，供给交流电动机，用以改变交流电动机的运转速度的技术，称为交流电动机的变频调速技术。

变频调速系统也称变频调速器或变频调速装置。

它主要由变频器（或称主回路）和控制器（或称控制回路）两大部分组成，如图22-3所示。

变频器接收三相电源（380V、50Hz，R、S、T为各相线代表符号），并将其变换为频率可调节的三相电源（其中U、V、W为各相线代表符号），即变频调速系统的基本原理是根据电动机转速与输入频率的关系特性式（22-1），通过改变供给电动机三相电源的频率值来达到改变电动机转速的目的。

图22-3变频调速系统结构图

（1）变频器。

变频器根据其变频的原理分为直接变频和间接变频。

直接变频为交-交变频，间接变频为交-直-交变频。

间接变频是指将交流经整流器后变为直流，然后再经逆变器调制为频率可调的交流电。

图22-4为交-直-交变频器主回路，它由整流器（也称顺变器）、中间滤波环节（器）、逆变器三部分组成。

图22-4交-直-交变频器主回路

整流器的作用为将定压定频的交流电变换为直流电，然后作为逆变器的直流供电电源。

整流器使用六个硅整流元件接成三相桥式整流电路，为简化系统结构，也可采用三相硅整流模块。

中间滤波器由电抗器或电容器组成，其作用是对整流后的电压或电流进行滤波。

采用电容器进行滤波的称为电压型变频器，其特点为电源阻抗很小，类似于电压源，其输出的电压波型为一比较直的矩形波，而输出的电流波形是由矩形波电压与电动机正弦感应电动势之差形成的。

采用直流电抗器进行滤波的称为电流型变频器，电流型变频器输出电流为矩形波，输出电压近似为正弦波。

电流型变频器输出频率一般由逆变电路控制，供给交流电动机的交流功率则由可调电压的直流电源（即由整流器）输出控制。

一般在改变输出频率时，输出电压也随之改变。

图中的滤波器采用两只高压大电容跨接在整流电路的直流输出端，以缓冲直流部分与负载之间的无功功率，构成电压型变频器。

为安全起见，在每个电容上并联一个大瓦数的电阻作为断电时电容释放电能之用。

逆变器的作用与整流器相反，它将直流电变换（调制）为可调频率的交流电，它是变频器的主要组成部分。

逆变器一般都采用大功率晶体管模块构成，对于小容量系统可使用六单元晶体管模块，以简化系统。

对于中等容量系统，则采用三个两单元晶体G管模块构成功率逆变器。

图中的逆变器，利用6个晶闸管形成开关交互通道，输出不同的电压与频率。

若在一个周期360°内，使每个晶体管导通180°，且当同一桥臂上的奇数编号的元件导通时，偶数编号的元件必须关断。

即任何一相的上下晶闸管禁止同时导电且各相保持相差120°的电气角，线电压的波峰值是电容上的直流电压值。

变频器进行有源逆变的基本条件是：

必须有可以把直流电逆变为频率可调的交流电的大功率电子器件，即必须有开关元件。

这种开关元件必须耐高电压、大电流，并且开关频率高。

在变频器中所用的晶闸管或晶体管均作为开关元件使用，因此要求它们具有可靠的开通和关断能力。

随着电力电子技术的迅猛发展，晶闸管和晶体管的制造容量越来越大，目前已制造出门极可关断晶闸管（GT0）、大功率晶体管（GTR）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、集成门极换流晶闸管（IGCT）、金属氧化物场效应晶闸管（MOSFET）、静电感应晶闸管（SITH）、控制晶闸管（MCT）、智能电力模块等开关元件。

采用GTO和GTR作为开关元件，采用斩波器调压、逆变器调频和脉宽调制（PWM）逆变器同时调频调压的变频，使输出波形谐波小，具有高功率因数和正弦波形，不仅高次谐波少，对电网污染小，而且使电动机的谐波损耗也相应减小，中小容量的通用变频器几乎全部采用PWM方式。

（2）控制器控制器是变频调速系统的核心，它产生脉宽调制（PWM）电压

波形，驱动主回路中的功率开关管，输出正弦三相交流电，使电机以规定转速运行。

由富氏变换可知，矩形波电压含有较大的谐波成分。

用矩形电压波供电的电动机，其效率将下降5％～7％左右。

功率因数下降8％左右，而电流却增大10％左右。

如果在逆变器的输出端，采用滤波器来消除低次谐波分量，不仅非常不经济，而且增大逆变器的输出阻抗，使逆变器的输出特性变坏。

故在实际使用中，较少使用方波输出的逆变器，而广泛使用脉宽调制（正弦波输出）的逆变器。

脉宽调制逆变器利用逆变器具有的开关元件，由控制线路按一定的规律控制开关元件的通断，从而在逆变器的输出端获得一系列等幅不等宽的矩形脉冲电压

波形，来近似等效于正弦电压波。

图22-5示出正弦波的正半周，并将其分为N等分（图中N=12）。

每一等分的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的等幅矩形脉冲所代替。

这样，由N个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形与正弦波的正半周等效。

正弦波的负半周也可用相同的方法来等效。

图22-5与正弦波等效的矩形脉冲列

从理论上，可以严格地计算出各段矩形脉冲的宽度，作为控制逆变器开关元件导通的依据。

这可以由数字电路来实现。

在实施方案中，可采用正弦波与三角波相交的方案来确定各分段矩形脉冲的宽度。

三角波是上下宽度线性变化的波形，任何一个平滑的曲线与三角波相交时，都会得到一组等幅的、脉冲宽度正比于该函数值的矩形脉冲。

当用正弦波和三角波相交（

）时,见图22-6（a），便可得到幅值为

，而宽度按正弦规律变化的矩形脉冲,见图22-6（b）。

图22-6脉宽调制方法与输出电压波形

脉宽调制PWM是这样实现的，在开关元件的控制端加上三角载波

和正弦调制波

两种信号，见图22-7。

图22-7PWM变频器的控制电路方框图

当正弦调制波

的值在某点上大于三角载波

的值时，开关元件导通，输出矩形脉冲，反之，开关元件截止。

改变正弦调制波

的幅值（注意不能超过三角载波

的幅值），可以改变输出电压脉冲的宽窄，从而改变输出电压在相应时间间隔内的平均值的大小；改变正弦调制波

的频率，可以改变输出电压的频率。

如果用这一组矩形脉冲作为逆变器各开关元件的控制信号，则在逆变器输出端可以获得一组类似的矩形脉冲，其幅值为逆变器的直流侧电压

，而宽度按正弦规律变化。

这一组矩形脉冲可用正弦波来等效，如图22-6（b）中虚线所示。

对于正弦波的负半波，必须用相应的负值三角波进行调制。

当逆变器输出端需要升高电压时，只要增大正弦波相对三角波的幅值，这时逆变器输出的矩形脉冲幅值不变而宽度相应增大，达到了调压的要求。

当逆变器的输出端要求变频时，只要改变正弦波的频率就可以了。

变频控制器输出PWM波形的频率由控制器或DCS来的控制信号（0～10V或4～20mA）设定，工作频率范围通常为2～120Hz，准确度为0.5％，电压／频率曲线（相应于电机负载特性）及频率变化斜率均可随意设定，以满足各种电气传动装置的需要。

控制器还具有过载保护功能，当检测到过压、过流、短路等故障信号时，即能自动切断变频电源，从而保护主回路功率开关管和电机免受损坏。

变频控制器的主控部件主要采用8位机MCS-51和22位机MCS-96。

近年来又发展为32位的数字信号处理机（DSP）和精简指令系统计算机（RISC），DSP与CPU最大不同之处是处理指令的能力，CPU是分时地进行数据处理，而DSP却能并行地进行数据处理，加快了计算速度。

日本富士FVR-G7S-4E变频调速（或控制）器，采用的就是32位数字信号处理器（DSP），由它来完成运算、控制、指令及正弦波PWM波的生成。

⒊变频调速系统的应用

在火电厂中的风机、水泵、给粉机和给煤机等拖动设备中，由于过去交流电动机都不能调速，不得不用控制挡板、控制阀和滑差电机来控制风量、水量和给粉（煤）量。

造成大量节流损失和转差功率消耗，能源浪费严重，因此，应尽快推广使用变频调速这一新技术，对节能和提高热工自动投入率都具有十分重要的意义。

习题与思考题

22-1液力偶合器调速的主要特点是什么？

22-2液力偶合器调速的主要方法是什么？

22-3在工作过程中，液力偶合器温度升高是否正常？

22-4为什么液力偶合器会吸收扭振？

22-5排空工作液的液力偶合器可否传递转矩？

22-6什么是交流电动机的变频调速技术？

22-7异步交流电动机变频调速的理论依据是什么？

22-8交-直-交变频器为什么又称为间接变频？

用方框图说明它的组成。

22-9按控制方式分类，变频器可分为哪几种类型？

22-10为什么说计算机技术和自动控制理论在变频器技术的发展过程中起到了很重要的作用？

22-11变频器进行有源逆变的基本条件是什么？

22-12交-直-交变频器的主回路包括那些组成部分？

22-13PWM控制的原理是什么？

22-14电路如图22-8所示，若开关1、3和2、4交替导通，试画出

的波形。

并说明

的幅值和频率由什么确定。

图22-8习题22-14附图

22-15

的幅值增大（不能超过

的幅值），

的脉冲宽度是增大还是减小？

22-16当变频器从DCS或控制器输出端接收的电流在4～20mADC范围内变化时，变频器输出的交流电源频率变化吗？

为什么？