组合变流变频方式控制电磁振动成型机的研究

0 引言

现行的人造合成石等建筑装饰板材的真空振动成型装置，受其轴承等转动件的机械强度影响而难以在振动中达到6 000 r/min(折合为100 Hz 的振动频率)，并且用气缸及活塞带动的压制器具也不便于及时调节。若采用现行的交流变频器进行控制，供电磁铁绕组的电流由于电感的作用其上升速率较低，其较小的电磁振动力与较高的造价也不太适用。

现行的采用可关断电力电子器件与PWM技术构成的交流变频装置，以其性能与价格均较高的特点而广泛用于交流电机的调速。晶闸管用于逆变电路须配备强迫换流电路，从而制约了它在变频电路中的应用，其自身的诸多优点难以在变频领域发挥。我们在控制电磁振动成型机的小型变频试验中，通

过在逆变桥每个桥臂上下晶闸管之间串联2个电磁铁绕组，而绕组的公共端经电容器后接至逆变桥输入直流电压的中点。这样可利用电容器电流过零使晶闸管关断。

1 电磁振动成型机的基本结构

该装置6只较大功率的电磁铁装设于压具的钢板上，并利用装设于上部或压具侧边的多组压缩弹簧配合产生较强的振动力。其磁力线经由电磁铁的中柱铁心，树脂基混合料、铺料钢板和压具钢板而构成回路。参照盘式电磁铁的吸引力与励磁安匝的平方成正比，而与其间隙的平方成反比的计算公式，若使其每个电磁铁产生29.4 kN的吸力，其电磁容量接

近于20 kV·A。压缩弹簧在电磁铁通电时向下运动而储存能量，在电磁铁失电时释放储存能量而反弹，使压具的钢板对聚酯树脂混合的料体瞬间产生98 kN以上的冲击力。并在其单向磁场的作用中，使其压实的薄板具有微置的磁性。

该装置在压制305 cm伊125 cm 规格的平板时,能提供超过150 kV·A的电磁振动，要求电磁铁绕组中通过的电流脉冲幅值较高，而断电时又具有一定的时间间隔，以此产生较强的激振力。在振动压制时，还应具有振动频率可调节与某个电磁铁吸引力可调节的性能，从而保证压制薄板具有均匀性的工

艺要求。装设于压具钢板上的6只电磁铁，按WA1、WC2、WB1、WA2、WC1、WB2环行排列的顺序，依次进行振动控制而产生推移式的揉动力。

2 组合变流电路的拓扑结构

利用电容器与电感线圈串联的方式，在其电场能量与磁场能量进行往复的传递中可实现其无功能量的平衡。若用交替通断的电力电子器件经由串联的电容器对电感线圈进行正、反向的通流控制，利用充电的电容器的脉波放电形式对感性线圈进行快速的通流，可使其电流的相位接近于电压的相位而提高其功率因数。

本装置包括6 只整流管D1-D6构成的三相整流桥;2只铁芯电抗器L1与L2组成滤波电感;4只晶闸管T7-T10和换流电容器C4 构成的调压斩波器;2 只电解电容器C01 与C02构成的具有中点E0 的滤波电容器;3只电力电容器C1-C3构成的换流电容器;6只晶闸管T1-T6构成的逆变器。其主电路的接线方式如图1所示。

本电路的特点是：串联的C01与C02的中点E0与三相交流电源的中性点O的电位接近于相同;每相2只电磁铁绕组同名端相联后，再依次与C1 、C2 、C3 电容器串联联接;6 只绕组与三相逆变桥的U1、U2、V1、V2、W1、W2 6个输出端分别相联;在T9与T10导通时, L1与L2同C01与C02构成LC滤波电路，并配合C4换流电容器在T7与T8交替通断时构成调压斩波电路。

3 组合变流电路的控制及工作原理

三相逆变桥的6 只晶闸管按照T1、T2、T3、T4、T5和T6的触发导通顺序，并按照导通90毅~175毅电角度的规律进行其六节拍的换流。对应的C1、C2、C3三只换流电容器依次在其左正、右负或右正、左负的充放电过程中，利用电感器件的释能作用使其保持正、负幅值相等的交流电压值。例如在T1导通时，C1上已具有左正右负的储存电荷经由WA1 绕组与C01 电解电容器构成顺时针的放电回路。在C1电容器的电压从最大值减小到零并逐渐反向充电的过程中，WA1绕组中的电流从零值逐渐上升至幅值，并从幅值以接近于正弦波的波形下降至零，从而在其电流过零时关断T1。在触发T4导通时，C1上反向储存的电荷(左负右正)经由C02和WA2 绕组构成顺时针的放电回路，使得WA2绕组流通幅值相等的脉波电流。在各晶闸管触发导通的瞬间，均是以换流电容器的电压量

与电解电容器上的电压量二者正向叠加的形式对其电磁铁绕组进行放电通流，使各个电磁铁绕组依次在近于正弦半波的通流中形成推移式的揉动力。这种采用脉冲电压量使其绕组中的电流相量快速上升的组合变流方式，对克服感性绕组的电流相量必然滞后的电磁惯性是十分有效的。随其各相脉波电流的间隔增大，其电流的平均值对应减小，对应的振动

频率相应下降。

对于调压斩波环节的T7与T8两晶闸管的控制可以300-1 000 Hz 的频率对其进行交替的控制，并在T9与T10相对于T7与T8延时触发的时间增大时，直流滤波电容器两端的直流电压值对应减小，从而以较简单的方式实现其调节电流的目的。该调压环节可以取消，而将整流器与逆变器直接相联，则可进行简易的频率调节。

4 控制三相异步电动机的组合变流电路

本组合变流变频方式也可以用于对三相异步电动机进行简易的变频调速。其主回路的整流与调压环节与图1 相同，其逆变器与三相定子绕组的联接方式如图2所示。

三相异步电动机的定子绕组联接成星形，定子绕组WA、WB和WC分别与C1、C2、C3串联后而联接于三相逆变桥的输出端，其中性端与滤波电容器的E0端联接。在6 只晶闸管T1~T6依次的触发导通中，3只电容器对每相电机绕组分别产生脉波电压而构成电容器的放电回路，有效地克服了其电流相量滞后于电压相量的重大缺陷。虽然，该电路存在转矩脉动的缺陷，但装置简单、造价低和节电效果更上一个档次的优点，使其具有一定的实用价值。

5 换流电路的分析及参数计算

对于每只电磁铁的线圈或是每相的电机绕组，为简化分析均可等效地用R 与L 表示其参数，并设换流电容器C1上的充电电压值为EC，电解电容器C01上的电压值近似恒定的直流电压为E01，放电回路如图3所示。现以图1中的T1在T4关断后进行触发导通的放电过程为例，写出其回路的动态方程。

经小型试验，发现其电容器C的交流电压有效值与电磁线圈的交流电压有效值在工频时接近于相等，因此其每只电容器的容量可选择为与每相绕组的实际容量接近于相等，或是选择两者的电流有效值接近于相等。

6 结语

采用本文介绍的组合变流电路，使电力电容器与变流器件及电磁铁绕组组合为一体，利用其LC谐振的解决了普通晶闸管器件强迫关断的问题。在其触发导通的初始时刻将反向充电的电容器串联于通流回路，对实现感性绕组的快速通流是十分有效的。

在逆变桥的三个输出端分别串联电力电容器后再与三相异步电动机的定子绕组联接时，此组合电路可在0~55 Hz的范围内对电机进行调速。由于其结构简单、造价低以及电机本身的无功损耗低和综合节电性能优越等优点使其具有一定的市场价值。