湛江海洋大学，524025
1 引 言
随着电力电子技术和控制技术的发展，以变频调速为主要方向的交流无级调速技术发展十分迅速，控制方式也趋多样化［1］。但由于变频调速原理本身的原因，这种调速方式具有以下的明显缺点：1)结构和控制复杂，可靠性仍未达到长期免维护的程度，而维护工作又需经过专业训练的技术人员进行，一般电工胜任不了这种工作；2)异步电动机变频调速系统从基频向上变频调速时只能进行近似于恒功率而不能进行恒转矩调速运行［2］；3)变频调速会对电网产生较严重的谐波污染；4)一套变频装置不能对多台各具不同转速变化要求的电动机同时进行无级调速控制；5)变频调速电动机需专门进行设计和制造［3］。因此，变频调速在用于节电运行时其性能价格比目前仍较低，用户采用它经济上无利可图甚至不合算，故至今仍难以大面积推广，在为满足生产工艺要求的无级调速方面还未能完全取代直流无级调速系统。
本文提出一种交流电动机定子绕组只接入工频电源的无级调速方法。在这种方法中，交流电动机的定、转子绕组及铁芯的结构与普通电机的一样，但改变了电动机定子部分的支撑方式，使其可以像转子一样的自由转动。再用一套液压控制系统手动或自动控制调速电动机的定子部分，使其可以按需要既能固定不动，又可以正、反向无级调速运行，从而使调速电动机转子可无级调速控制。依照调速电动机的不同运行情况，液压泵电动机可处于停车、电动或异步发电三种不同的运行方式，而调速电动机在各种不同的运行转速下其电气参数和机械特性基本上保持不变。这种调速系统可以做成单片运行模式，也可按需要做成群控模式，即同一套液压系统可对多台各具不同转速要求的交流电机同时进行无级调速控制，以实现电动机群之间的转速互调。本文只讨论单机运行模式。
2 调速电动机的结构和调速原理
在传统交流电动机的转子结构和支撑方式、定子铁芯及三相绕组的结构不变的前提下，将定子部分固定在机座中的方式改成如图1所示的两端具有转轴且转轴具有轴承支撑的结构形式。在定子转轴的一端有三个彼此绝缘的导电滑环，定子三相绕组原来的三个电源接线端改接到导电滑环中，电网的三相电源由三只与滑环滑动接触的电刷引入定子绕组中。这样就将传统交流电动机改造成定子部分可按需要正、反转的调速电动机。
1.转子转轴 2.定子轴承前支座 3.定子转轴 4.电动机前端盖
5.转子轴承 6.定子铁芯和绕组 7.电刷接线柱 8.电刷 9.滑环绝缘
10.电动机后端盖 11.导电滑环 12.定子转轴后支座 13.电动机座底
图1 调速电动机结构原理图
当电动机接上电源后不需调速运行时，使定子转轴固定不转，此时，调速电动机的运行情况与普通电动机的一样。当调速电动机需升速运行时，使其定子与转子同方向旋转，且转速等于负载所要求的转速与电动机定子不转时转子所具有的转速之差。此时，调速电动机定子绕组产生的旋转磁场对定子的转速仍为由电网频率和电动机极数所决定的同步转速，而其空间转速则是同步转速加上定子本身的转速，从而调速电动机转子的转速就升高到所要求的转速。在这种高速运行情况下调速电动机的电气参数和机械特性基本不变，在负载转矩不变时调速电动机若为异步电机时其转差率也不变。转子转速升高后负载的功率增加部分则由使电动机定子旋转的调速控制系统提供。
当调速电动机需降速运行时，只需使定子的转向与转子转向相反，定子的转速则等于定子固定时转子转速与负载所要求的转速之差。在调速电机为异步电机的情况下，当负载转矩不变时转子虽低速运行但转差率不变，因此，负载取用的功率减小而调速电动机从电网吸收的功率则不变，从而调速电动机出现功率剩余。这一过剩功率由定子旋转控制系统回收并以电能的形式反馈回电网中。在这种调速系统中，若定子的最大调速范围为n，则调速电动机转子的最大调速范围为2n。
3 调速系统的构成与调速方法
这种交流无级调速系统是用一套液压控制系统来控制调速电动机定子的运行状态。如所周知，液压传动系统是便于无级调速也能高效地实现大转矩低转速运行。液压泵又与电机一样满足可逆性原理，即液压泵(马达)在需要时也可作液压马达(泵)运行。并且，当要求液压系统锁定某一旋转部件时，只需将某些油路堵死即可，液压泵电动机可处于断电状态。用一套液压系统与上述的调速电动机组成的电液式交流电动机工频无级调速系统的原理结构如图2所示。
1.液压泵电动机 2.单向变量泵变量马达 3.溢流阀 4.单向阀
5，8.压力表 6.二位二通电磁换向阀 7.单向调速阀组
9.单向定量泵定量马达 10.交流调速电动机
图2 调速系统原理图
调速系统的基本工作原理如下：当调速电动机只需恒速运行时，其定子部分应固定不动，即应使与定子转轴联接的液压马达9处于锁定状态。为此，只需使换向阀6处于中位即可，而液压泵电动机则处于停机状态。此时，调速电动机在工作时虽然定子的反作用力矩企图使液压马达9作泵运行，但由于油路堵死而无法转动。
当要求调速电动机在高于额定转速下无级调速运行时，启动液压泵电动机，并使换向阀6的线圈通电而接通油路，调定溢流阀的最高工作限定压力。此时，液压马达9在压力油的驱动下带动定子旋转且转向与转子相同。通过手动或自动调整变量液压泵2的每转排量，可使液压马达9的转速达到所要求的转速。在这一调速过程中，当负载转矩不变时，调速电动机的电气参数和机械特性不变。由于转速升高，负载吸收的功率增加，这部分增加的功率由液压系统提供。若升速后负载转矩减小(或增加)，则调速电动机从电网吸取的功率也减小(或增加)，液压系统向调速电动机提供的功率则等于负载吸收的功率与调速电动机输出功率之差。
当要求调速电动机在低于额定转速下无级调速运行时，改变液压泵电动机的电源相序后反向启动液压泵电动机，此时变量泵2作变量马达运行而液压马达9则在调速电动机定子反作用力矩的驱动下作泵运行。调节调速阀的开度和变量马达的每转排量，使调速电动机的定子反向转速达到所要求的转速，且使液压泵电动机的转速高于同步转速。在调速电机为异步电机时调速电机虽然转子低速旋转但电机的转差率不变(当负载转矩不变时)，因此调速电动机从电网中吸收的功率不变。负载由于转速降低消耗的功率减小，这一过剩功率扣掉液压系统的功率损耗之后由液压泵电动机以异步发电运行的方式反馈回电网中。
4 调速系统样机研制与初步试验结果
用一台JO2四极3kW旧异步电动机按图1改造成调速电动机，按图2组成电液式异步电动机工频无级调速系统。图2中所示的定量马达采用排量为25ml/r的柱塞式定量泵定量马达，变量泵采用最大排量为10ml/r的单向变量柱塞泵，液压泵电动机采用JO2四极2.2kW电动机(因条件所限无法进行更合理的配置，在上述液压系统容量配置下调速电动机容量是小了)。调速电动机通过一只定压阀带一油泵运行，通过调定定压阀的压力模拟恒转矩负载。在系统的运行过程中发现，由于自加工的液压件精度不够的原因，调速电动机在不调速运行时定子有每分钟3—4转的反向爬行现象。为制止这种爬行，在定子转轴中加一电磁刹车装置，其线圈串入液压泵电动机正、反转接触器的两对并联常开接点后接电源，使调速电动机恒速运行时定子部分锁死而正、反向调速时能自动松开。试验过程和初步试验结果如下：
不启动液压泵电动机只启动调速电动机，此时换向阀6将油路阻断且电磁刹车装置也将定子固定。调节负载定压阀的压力使调速电动机输入电功率的测量值为3.5kW，此时调速电动机象普通电动机一样正常地长期连续运行。由于调速电动机是用旧电机改造而成的，改造时已去掉原来定子中的散热波纹和转子风扇，故长期满载不调速连续运行时电机的温度偏高(正规的产品设计时应考虑这种运行方式下的散热)，但在满载调速运行试验中长期连续运行时温度正常(以上温度是用一台相同型号电机以同一输入功率运行同样时间后测量表面温度进行对比)，这是调速电动机定子在旋转时有利于散热的结果。
在上述运行方式下启动液压泵电动机并使油路接通，变量泵的排量调到5ml/r，此时调速电动机定子转速为290r/min，转子转速为1760r/min，转子升高的转速与定子转速一样而调速电动机从电网吸取的指示功率仍为3.5kW不变，液压泵电动机的输入电功率为1.2kW。
将调速电动机恢复到恒速运行状态，并将变量泵的排量调到最大后反向启动液压泵电动机且接通油路。调节调速阀使调速电动机定子的反向转速为300r/min,此时液压马达作泵运行而液压泵作马达运行。调小变量马达的排量到4.5ml/r时，原接于液压泵电动机电源进线的功率表指示负值(改接线后指针正向偏转角太小读不出结果)，测得油泵电动机转速为1620r/min，说明油泵电动机已处于异步发电运行状态，而此时调速电动机从电源取得的电功率的指示值则不变。再将定子的反向转速调节到500r/min,将变量马达的排量调节到7.5ml/r，此时调速电动机从电源取得的功率仍未变，液压泵电动机转子转速为1660r/min，测得其向电网反送的功率为0.4kW。可以看出，由于调速电动机容量太小使得液压系统处于轻载运行，因而效率较低。如果系统容量配置得当，效率将会明显提高。
5 结 论
由以上对样机的研制和初步试验结果表明，电液式交流电动机工频无级调速系统所采用的技术方案是切实可行的。首先，这种调速系统制造技术简单，对电网没有谐波污染。其次，造价便宜，制造容量几乎没有限制。电动机的机械支撑部分占电机总成本的比例很低。这种调速电机与普通电机相比，主要是多了两套轴承，三个导电滑环和电刷。定子支撑部分机加工工作量稍多些并需对定子做动平衡试验，若在制造时就将电机制成这种调速电机并不需要制造厂增加新设备，因此它比变频调速电机便宜得多。容量8kW以上的液压系统价格比变频装置的价格也便宜，而且目前我国液压设备的制造技术已接近世界水平，完全不必依赖进口，几千kW的液压装置是很常见的。另外，在这种调速系统中电动机的特性仍保持普通电动机的硬的自然特性，整个系统的调速性能由液压系统所决定，而能方便进行无级调速且调速范围大(可达2000：1)［4］正是液压系统的优点。所以，与变频调速相比这种调速系统的调速性能不会有所降低。因此，这是一种值得研究和开发的交流电动机无级调速新方法。
*湛江市科委立项和资助的科研项目
参考文献
[1] 邓星钟，周祖德.电机传动控制.华中理工大学出版社，1992
[2] 李发海，王岩.电机与拖动基础.清华大学出版社，1994
[3] 戴文进.变频调速专用电机的研究.电工电能新技术，1995(4)：58～63
[4] 吴丛.液压传动.西北电讯工程学院出版社，1984
