大容量同轴电机多相整流的可逆调速系统设计

张 彦，刘春辉，王 荣

（1.北京金自天正智能控制股份有限公司，北京 100060 ；2.重庆钢铁股份有限公司，重庆 401220）

前言

目前，直流电机以其优良的调速特性、简单的控制方式、成熟的制造工艺以及高性价比等优点广泛应用于冶金工业、矿山开采等领域。现场实际生产中使用2 台或多台同轴电机替代1 台大电机的运行方式极其普遍，该方式具有电机总转动惯量小、动态性能强、易于制造、便于维护以及成本低等优点。

现有同轴电机（电机参数相同）的拓扑结构和控制方式，是由2台6相整流系统分别为2台电机供电，控制上做主从控制，实现2台同轴电机运行。由于大容量6相整流产生的脉动电流大、谐波大，影响电机使用寿命，需要在直流回路增加平波电抗器。但平波电抗器的增设又会增大电机的机电时间常数，影响电机运行动态特性，因此，提出了一种大容量同轴电机多相整流可逆直流调速系统。

1 大容量同轴电机可逆直流调速系统

大容量同轴电机多相整流可逆直流调速系统针对现有的同轴电机拓扑结构和控制方式进行改进。通过整流变压器和可逆整流装置，对交流侧电网构成多相整流，整流变压器二次侧电压相位错开，以减少电网谐波，提高功率因数。整流变压器二次侧连接的可逆整流装置可根据大容量电机电流、电压要求进行并联、串联组合。2 台同轴直流电机的电枢、励磁绕组串联在一起，可以实现2台电机当做1 台电机控制，电机运行一致性较好。该系统对电机侧构成多相整流，可以减小直流脉动电流，有效保护电机。

2 系统组成

大容量同轴电机多相整流可逆直流调速系统由电枢回路、励磁回路以及控制系统3部分组成，具体组成见图1。

图1 系统组成框图

2.1 电枢回路组成部分

电枢回路由高压电源部分、可逆整流装置部分及直流电机部分组成。

高压电源部分由高压负荷开关QA、整流变压器ZB以及接地保护组成，为可逆整流装置供电。三绕组整流变压器ZB原边为角接，副边两绕组为角组和星组，输出电压相同，相位角度相差30°，对电网构成12 相整流，减少了5、7、11 次谐波污染，提高了电网质量。接地保护DJ1 和DJ2 分别监视角组和星组的三相交流进线接地阻抗，若小于某值时报警［1］。

可逆整流装置部分主要由4台晶闸管功率装置P1～P4 组成。整流变压器ZB 的角组为P1、P2 两台并联功率装置供电，星组为P3、P4 两台并联功率装置供电。P1、P2 两台并联功率装置输出与P3、P4 两台并联功率装置输出进行串联，形成对电机12相整流，直流电压输出叠加，可满足大容量电机高电压和大电流的要求。P1～P4功率装置均由反并联三相全桥电路构成，可实现四象限运行，每台装置内包含12 只晶闸管、6 套换相阻容吸收和6 台熔断器。每台装置进线侧有进线电抗器LA、过压吸收电路SPD 以及电流互感器TA。进线电抗器可以增加装置之间短路时的阻抗，解耦并联装置。过压吸收电路可以吸收进线电源浪涌电流的冲击，电流互感器检测交流侧电流作为控制系统的电流反馈。

直流电机部分由2 台同轴直流电机、直流电压检测、对称电阻以及快速开关组成。P1～P4 功率装置构成的直流输出L+和L-连接2台串联电机，每台电机承受直流输出电压的一半，电流相同。为避免电压偏移或过压故障，每台电机电枢均有直流电压检测，用于控制系统电压反馈。同轴电机轴系上的测速码盘检测电机转速，作为控制系统的转速反馈。直流输出由R1 和R2 对称电阻串联，可使系统在轻载或电流断续时保持晶闸管电流，使晶闸管正常开通和关断。直流输出回路中的快速开关QF 在系统过流时快速分断，保证器件不受损坏。

2.2 励磁回路组成部分

励磁回路由高压开关QE、双绕组励磁变压器TE、交流励磁开关KE、三相励磁整流装置以及2 台电机励磁绕组串联组成。其中励磁回路的电压、电流检测均在三相励磁整流装置内部。

2.3 控制系统组成部分

控制系统包括电枢控制回路和励磁控制回路。

控制系统1、2 用于实现P1、P2 和P3、P4 整流功率装置构成的串联12相整流的顺序触发功能，分别发送触发脉冲给相应的功率装置，通过检测其相应的交流进线电流、直流电机电压及电机转速等信息完成同轴电机的转速、转矩双闭环四象限调速控制，实现对电机故障报警和保护功能。三相励磁控制系统完成串联励磁绕组的电流闭环控制以及故障保护功能。

2 台同轴电机电枢绕组、励磁绕组串联，可当做1 台电机控制。控制系统1 和控制系统2 共同构成串联12 相整流，系统之间采用光纤link 网络通讯，数据实时快速传输，2 套无环流逻辑互相连锁，使得正、反桥翻转一致。控制系统1 为电机提供转速环和转矩环，控制系统2只为电机提供转矩环，其转矩给定来源于控制系统1。控制系统1 与三相励磁控制系统之间采用Profibus 网络，控制系统与上位机PLC 以及上位机PLC 与人机界面之间采用Profinet网络。

由于整流装置串联供电给2 台串联电机，每台电机承受直流输出电压的一半，电流相同，需要每台电机的电压检测来避免电压偏移和不均衡。控制系统1 和控制系统2 均采用α 角宽脉冲触发，每30°输出一次。直流输出的R1和R2对称电阻可以使系统在轻载或电流断续时，帮助晶闸管保持电流，使晶闸管正常开通和关断［2］。

3 系统优点

大容量同轴电机的可逆系统通过多相整流控制系统，既可以实现同轴电机的电气同步，又能提高电机控制性能可靠性，还可以减少对电网的污染，系统主要优点归纳如下。

（1）同轴电机拓扑结构采用2台电机电枢串联、励磁串联，2 台电机电枢电流一致，励磁电流一致，电机转速来自轴上的测速码盘，2台电机当做1台电机控制，系统速度环、转矩环和电流环一致性更好，控制简单，电机运行动态性能好。

（2）该系统对电网12 相整流，减少了5、7、11 次谐波对电网的污染。可逆整流装置输出对电机12相整流，对电机直流脉波小，有利于电机稳定可靠运行，有效保护电机。

（3）该方案相比2 套6 相整流的主从系统，节省了2 台平波电抗器、1 台快速开关和1 套励磁系统，所以拓扑结构简单，既能满足工艺要求，又节约成本，提高效益，实用价值高。

（4）电枢回路拓扑结构采用功率装置并联增大电流，功率装置串联提高供电电压，用于满足大容量电机高电压和大电流的要求［3］。

4 工程应用

重钢2700 中板项目中双边剪由2 台390 kW/DC375 V 直流电机同轴串联后作为驱动进行控制。改造前该系统选用的是2 套6 相直流传动系统分别控制2台电机，2套直流系统通过软件上主从控制实现同步，但在实际使用时经常会出现由于2 台电机的输出力矩偏差较大导致传动系统异常的问题。2020 年对该传动系统进行改造，选用2 套DCS880-S02-2500-04/05 作为直流控制器实现12 相串联控制，通过将2 台电机的电枢、励磁分别串联，构成1 套多相整流的直流传动系统。目前，新系统已平稳运行两年多，2 台电机速度及电流特性高度一致，有效避免了由于同轴引起的2 台电机不同步的问题。

5 结语

轧钢生产线上某些大功率设备经常需要2台电机同步驱动才能满足工艺控制要求。新型多相整流可逆系统的控制方案将电机的电枢和励磁分别串联，2 台电机当作1 台电机控制，提高了电机运行的一致性，实现了电机同步。从工程应用效果来看，多相整流的传动系统稳定性更高，且因减小了直流脉动，可有效降低对电网的谐波污染。