（控制理论与控制工程专业论文）基于pwm有源逆变器的内反馈串级调速系统的仿真研究.pdf

c l a s s i 丘e di n d e x ：t m 3 4 3 + 4 u d c ：6 2 1 d i s s e r t a t i o nf o r t h ed o c t o r a ld e g r e ei ne n g i n e e r i n g s i m u l a t i o nr e s e a r c ho nc a s c a d e s p e e dc o n t r o l s y s t e mo fi n n e r - f e e d b a c km o t o rc o n t r o l l e db yp w m i n v e r t e r c a n d i d a t e ： s u p e r v i s o r ： a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ： s p e c i a l i t y ： s c h o o l ： 产 d a t eo fd e f e n c e ： d e g r e e - c o n f e r r i n g - i n s t i t u t i o n ： z h a n gx i a o d o n g p r o f w a n gb i g n s h u d o c t o ro fc o n t r o la n d c o m p u t e r e n g i n e e r i n g c o n t r o lt h e o r y a n dc o n t r o l e n g i n e e r i n g s c h o o lo f c o n t r o la n d c o m p u t e r e n g n e e r l n g j u n e ，2 0 1 0 n o r t hc h i n ae l e c t r i cp o w e r u n i v e r s i t y 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的博士学位论文基于p w m 有源逆变器的内 反馈串级调速系统的仿真研究，是本人在华北电力大学攻读博士学位期间，在 导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引 用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本 论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。 签名： 翻垃日期：叫 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、 缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借 阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用 不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 产 作者签名： 日 飙蚪 导师签名： 日期： 华北电力大学博十学位论文 摘要 随着电力电子技术和计算机控制技术的发展，串级调速技术重新受到人们的关 注，近年来发展起来的内反馈斩波串级调速技术以其调速性能好、控制精度高等特 点受到人们的亲睐，尤其是在高压大容量电动机调速方面，展现出良好的节能前景。 目前，内反馈斩波串级调速技术普遍采用可控硅晶闸管逆变器进行电能的反 馈，虽然采用斩波控制技术较大地提高了系统功率因数，但依然存在晶闸管换流引 起网侧电流波形畸变、低速时功率因数降低及逆变颠覆等的不足。 针对以上不足，文中提出采用三相电压型p w m 逆变器代替传统晶闸管相控逆变 器，利用三相电压型p w m 逆变器功率因数和直流侧电压可控的优点从结构上打破 了传统可控硅串级调速技术因电路结构限制而不能进一步提高系统功率因数的局 限性。 本论文首先从研究基于晶闸管逆变器的内反馈斩波串级调速技术入手，分析了内反 馈调速电动机电磁关系，为建立内反馈电动机仿真模型提供理论依据；通过对内反馈 斩波串级调速系统直流回路的分析，揭示了斩波串级调速系统的工作原理及其节能 原理，并对内反馈斩波串级调速系统的谐波和功率因数进行分析，给出提高系统功 率因数和减小系统谐波“污染”的可行方案，即采用三相p w m 逆变技术，在保持原 有斩波串级调速技术优点的基础上，结合三相电压型p w m 逆变器的控制特点，通过 提高逆变器功率因数来提高整个系统的总功率因数，并通过控制逆变器交流侧电流 的波形，减小系统谐波“污染”。 由于目前p w m 逆变器在串级调速系统中的应用较少，甚至仍停留在理论研究阶 段，因此本文建立了基于三相电压型p w m 逆变器的内反馈串级调速系统的仿真模型， 通过仿真实验，进一步验证了p w m 逆变器在串级调速系统中应用的可行性，这为p w m 逆变器在工程上的应用研究提供了便利；文中还针对串级调速系统功率因数随转速 下降而降低的不足提出了可行的解决方案，即通过控制p w m 逆变器的无功电流，使 逆变器产生容性无功功率，补偿因转子整流而产生的感性无功，使系统在低速时也 能保持较高的功率因数。通过仿真研究，系统地分析了基于三相电压型p w m 逆变器 的内反馈串级调速系统的特性以及在运行中可能出现的问题，这为三相电压型p w m 逆变器在工程上应用提供了较为可靠的理论依据。 关键词：内反馈电机，串级调速，斩波，p w m 逆变器，仿真模型 华北电力大学博士论文摘要 a b s tr a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i c st e c h n o l o g ya n dc o m p u t e rc o n t r o l t e c h n o l o g y , t h ec a s c a d es p e e dr e g u l a t i o ns l i pp o w e rr e c o v e r yt e c h n o l o g yo f3p h a s e m o t o rr e n e w e da t t e n t i o n ，i nr e c e n ty e a r s ，c h o p p e rc i r c u i tu s e di nc a s c a d es p e e d r e g u l a t i o nt e c h n o l o g yo fi n n e r - f e e d b a c km o t o rw i t hi t sg o o dp e r f o r m a n c ea n dh i g h p r e c i s i o nc o n t r o ls h o w sg o o dp r o s p e c t sf o re n e r g yc o n s e r v a t i o ni nt h eh i g hv o l t a g e & l a r g ep o w e rm o t o r a tp r e s e n t ，t h e c h o p p e rc a s c a d es p e e dr e g u l a t i o nt e c h n o l o g yo fi n n e r - f e e d b a c k m o t o ra d o p t sc o m m o n l ys c r t h y r i s t o ri n v e r t e rt of e e d b a c kt h es l i pp o w e ro ft h em o t o r t og r i d ，a l t h o u g ht h eu s eo fc h o p p e rc o n t r o lt e c h n o l o g yh a sg r e a t l yi m p r o v e dt h ep o w e r f a c t o r ，t h e r ea r es t i l lm a n yd i s a d v a n t a g e s ：t h ev o l t a g ew a v e f o r mo fg r i di sd i s t o r t ，t h e p o w e rf a c t o ri sr e d u c e di n l o w e rs p e e da n dt h ei n v e r t e rs u b v e r s i o nc a nb eh a p p e n e d s o m ec a s e sb e c a u s et h eu s eo ft h y r i s t o ri n v e r t e r f o rl a c ko fa b o v e ，i nt h i sp a p e r , u s i n gt h r e e - p h a s ev o l t a g e - t y p ep w mi n v e r t e r i n s t e a do ft h et r a d i t i o n a lt h y r i s t o ri n v e r t e r , w i t hi t ta d v a n t a g e s ：t h r e e - p h a s ev o l t a g e - t y p e p w mi n v e r t e rp o w e rf a c t o ra n dt h ec o n t r o l l e dd cc u r r e n t ，f r o mt h es t r u c t u r e ，i tb r e a k s t h el i m i t a t i o n so ft r a d i t i o n a ls c rc a s c a d ec o n t r o lt e c h n o l o g yc a nn o tb ef u r t h e r e n h a n c e dt h es y s t e mp o w e rf a c t o ra st h ec i r c u i tl i m i t i nt h i sp a p e r ，t h ec a s c a d es p e e dc o n t r o lt e c h n o l o g yo fi n n e r f e e d b a c km o t o rb a s e d o nt h y r i s t o ri n v e r t e rh a sb e e nr e s e a r c h e d ，a n dt h ee l e c t r o m a g n e t i cr e l a t i o n sw i t h i nt h e i n n e r f e e d b a c km o t o rh a sb e e na n a l y s e d ，w h i c hp r o v i d eat h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h e e s t a b l i s h m e n to fs i m u l a t i o nm o d e l so ft h ei n n e r - f e e d b a c km o t o r ；b ya n a l y z i n gt h ed i r e c t c u r r e n tl o o po ft h ec h o p p i n gc a s c a d ec o n t r o ls y s t e mo ft h ei n n e r - f e e d b a c km o t o r , t h e p r i n c i p l eo ft h ec h o p p i n gc a s c a d ec o n t r o ls y s t e mh a sb e e nr e v e a l e d t h ep o w e rf a c t o r a n dt h es y s t e mh a r m o n i c sh a v eb e e na n a l y z e d ，a n dt h ew a yo fi m p r o v i n gp o w e rf a c t o r a n dr e d u c i n gh a r m o n i c sh a sb e e ng i v e n t h et h r e e p h a s ep w mi n v e r t e rt e c h n o l o g yh a s b e e nu s e di nt h ec a s c a d ec o n t r o ls y s t e m ，a n dt h en e ws y s t e mm a i n t a i na l lt h em e r i t so f t h eo r i g i n a lc h o p p i n gc a s c a d ec o n t r o ls y s t e m ，a n dc o m b i n a t i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e t h r e e p h a s ep w mi n v e r t e r , t h ep o w e rf a c t o ro ft h ec a s c a d es p e e dc o n t r o ls y s t e mw i l lb e i m p r o v e db yi n c r e a s i n gt h ei n v e r t e rp o w e rf a c t o r , a n dt h eh a r m o n i c sp o l l u t i o nw i l lb e r e d u c e db yc o n t r o l l i n gt h ei n v e r t e ra cs i d ec u r r e n tw a v e f o r m s a st h e r ea r el e s st h ep w mi n v e r t e ra p p li e di nt h ec a s c a d ec o n t r o ls y s t e m ，a n di t e v e ns t i l la tt h es t a g eo ft h e o r e t i c a lr e s e a r c h s o ，i nt h i sp a p e rt h es i m u l a t i o nm o d e lo f t h ec a s c a d es p e e dc o n t r o ls y s t e mo fi n n e r f e e d b a c km o t o rb a s e do nt h et h r e e p h a s e t i v o l t a g e - t y p ep w mi n v e r t e ri sr e b u i l da n di th a sb e e np r o v e da c c u r a t eb yt h et h e o r e t i c a l a n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t s ，w h i c hp r o v i d et h ec o n v e n i e n t sf b rt h ep w m i n v e r t e r a p p l i c a t i o n s i n e n g i n e e r i n g ；b e c a u s et h ep o w e rf a c t o ro ft h ec a s c a d es p e e dc o n t r o l s y s t e md e c r e a s e sw i t ht h es p e e dd r o p p e d ，t h ef e a s i b l es o l u t i o nh a db e e nd e s i g n e db v c o n t r o l l i n gt h ep w mi n v e r t e rr e a c t i v ec u r r e n tt op r o d u c ec a p a c i t i v er e a c t i v ec u r r e n t c o m p e n s a t i o nf o rs p e e dd e v i c eb yi n d u c t i v ep o w e r , s ot h es y s t e mc a nm a i n t a i nh i g h p o w e rf a c t o ri nal o ws p e e d t h ec h a r a c t e r i s i c sa n dt h ep o t e n t i a l p r o p l e m si np e r a t i o n h a sa n a l y z e d b yt h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t ss y s t e m a t i c a l l y , w h i c h p r o v i d eam o r e r e l i a b l et h e o r i c a lb a s i sf o r t h ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：i n n e r - f e e d b a c km o t o r , c a s c a d e s p e e dc o n t r o ls y s t e m ，c h o p p i n g ，p w m i n v e r t e r ，s i m u l a t i n gm o d e l 1 1 1 华北电力大学博士论文 目录 中文摘要 a b s t r a c t 第一章绪论1 1 1 选题背景和意义1 1 1 1 选题背景1 1 1 2 风机、泵类负载流量调节方式比较1 1 1 2 1 电磁转差离合器调速2 1 1 2 2 液力耦合器调速2 1 1 2 3 变极调速3 1 1 2 4 变频调速4 1 1 2 5 串级调速4 1 1 3 串级调速与变频调速比较5 1 1 4 选题意义6 1 2 串级调速技术发展与研究现状7 1 2 1 串级调速技术的发展7 1 2 2 串级调速系统存在的问题8 1 2 2 1 功率冈数偏低的原因8 1 2 2 2 系统谐波产生的原因9 1 2 3 串级调速技术研究现状9 1 3 本文研究内容及工作安排1 1 第二章内反馈斩波串级调速技术13 2 1 引言l3 2 2 内反馈调速电动机近似简化模型l3 2 2 1 内反馈调速电机结构图1 3 2 2 2 磁动势平衡方程14 2 2 3 电动势平衡方程14 2 3 内反馈斩波串级调速原理l6 2 3 1 内反馈斩波串级调速系统扎扑结构16 2 3 2 反馈绕组逆变f f 流网路分析16 2 文： 转r 整流直流川路分析17 2 4 内反馈斩波串级调速系统功率凶数分析19 华北电力大学论文目录 2 5 改善系统功率因数的措施2 0 2 6 本章小结2 2 第三章三相电压型p w m 逆变电路工作原理2 3 3 1 引言2 3 3 2p w m 逆变器调相原理及分类2 3 3 2 1p w m 逆变器调相原理2 3 3 2 2p w m 逆变电路分类2 5 3 3 三相电压型p w m 逆变器工作原理2 6 3 3 1 控制极信号的时序分布2 6 3 3 2 主电路工作模式分析2 9 3 4 三相电压型p w m 逆变器电量波形3 4 3 4 1 丌关模型3 4 3 4 2 桥侧线电压波形分析3 4 3 4 3 桥侧相电压波形分析3 5 3 4 4 桥侧电感电压波形分析3 5 3 4 5 直流输入电流分析3 6 3 5 本章小结3 6 第四章三相电压型p w m 逆变器的控制3 8 4 1 引。言3 8 4 2 三相电压型p w m 逆变器建模3 8 4 2 1p w m 逆变器丌关函数模型3 8 4 2 2p w m 逆变器丌关周期平均模型4 0 4 2 3p w m 逆变器d - q 模型4 l 4 2 3 1d - q 坐标变换简介4 1 4 2 3 2 三相电压型p w m 逆变器d - q 模型4 5 4 2 4 三相p w m 逆变器小信号模型4 6 4 3 三梢电压型p w m 逆变器控制4 7 4 3 1 三相p w m 逆变器d - q 解耦控制4 7 4 3 2 三相p w m 逆变器控制系统设计1 8 4 3 2 1 电流内环p t 参数设计4 8 4 3 2 2r 乜j l i 外j ；不p i 参数没汁t 弓l 4 4 本章小结5 4 华北电力大学博士论文 第五章基于三相电压型p w m 逆变器的内馈串调系统5 5 5 1 引言5 5 5 2 基于电压型p w m 逆变器的串调系统设计5 5 5 2 1 基于电压型p w m 逆变器的内馈串调系统调速原理5 5 5 2 2 应用于串级调速系统的p w m 逆变器控制策略5 7 5 2 3 三相电压型p w m 逆变器交流侧电感选择6 0 5 2 4 三相电压型p w m 逆变器直流侧电容选择6 1 5 2 5 三相电压型p w m 逆变器直流侧电压选择6 1 5 2 6 内反馈调速电动机反馈绕组电压选择6 2 5 3 基于p w m 逆变器的内馈串调系统仿真模型6 2 5 3 1 内反馈电动机仿真模型6 2 5 3 2 三相电压型p w m 逆变器控制系统模型6 3 5 3 2 1p w m 逆变器电流波形仿真6 4 5 3 2 2p w m 逆变器电压波形仿真6 4 5 3 2 3 逆变器网侧电压电流仿真6 5 5 3 2 4p w m 逆变器控制f 【l 流跟踪性分析6 5 5 3 2 5p w m 逆变器直流侧电妪抗扰性分析6 6 5 3 3 基于p w m 逆变器的内馈串调速系统仿真模型6 7 5 3 3 1 电机转速及定转子电流仿真波形6 7 5 3 3 2 整流电势波形分析6 9 5 3 5 3 逆变直流侧电流波形分析7 0 5 3 5 4 三相p w m 逆变器反馈功率7 0 5 4 调速系统性能分析7 2 5 4 1 调速系统谐波分析7 2 5 4 2 调速系统功率因数分析7 3 5 4 2 1 与基于晶闸管串级调速系统功率因数比较7 3 5 4 2 2 采用p w m 逆变器容性无功补偿7 4 5 5 本章小结7 5 第六章结论和展望7 6 6 1 总结7 6 6 2 本文的主要创新点7 7 6 3 展望7 7 参考文献7 9 致谢8 4 参加科研工作8 6 i l i 华北电力大学博士论文 1 1 选题背景和意义 1 1 1 选题背景 第一章绪论 能源是国民经济发展的基础资源，随着我国现代化建设的进展、科学技术的进 步和生活水平的提高，对能源的需求也迅速增长，能源的短缺和化石能源造成的温 室气体排放已成为制约我国国民经济建设的重要因素1 1 1 。根据我国电监会统计显示， 2 0 0 8 年我国电网总装机突破7 亿千瓦l2 1 ，工业用电占全国总发电量的7 0 ，电动机 耗电占总发电量的5 0 ，电动机拖动的泵与风机类负载耗电量占总发电量的4 0 ， 而风机、水泵类负载一般在运行中都要进行负荷调节。传统的调节方式是调节入口 或出口的阀门、挡板丌度，这样使得大量的电能消耗在调节阀门、挡板产生的管网 压降上，造成了巨大的电能浪费；相对于挡板阀门调节方式，风机泵类负载较为理 想的流量调节方式为转速调节，即将风机、泵类负载的挡板或阀门完全打开，通过 改变拖动风机或水泵的电动机转速达到流量调节的目的。 国家经委、纪委于1 9 8 7 年3 月颁发的关于进一步加强节约用电的若干规定 中，将“交流电动机调速节电”列入当前要认真推广的重点节电措施之中。1 9 8 7 年5 月，国家经委所颁发的交流电动机调速驱动节电技术座谈会纪要中又明确指出： “变级调速、串级调速、变频调速、液力耦合器调速、电磁滑差离合器调速，这五种 调速技术成熟可靠，目前即可应用推广”【3 】。 。 我国发改委也启动了“十一五”国家十大重点节能工程，电动机系统节能工程是 其中之一。2 0 0 7 2 0 0 8 年将全面启动电动机系统节能工程的各项工作，规划在重点 用电行业节电改造示范的基础上，推广到各行业，每年改造5 0 0 万千瓦，形成年节 电能力5 0 亿千瓦时的目标要求。 在我国，电力、水利、水处理、供水、城市供热、冶会矿产、港口机械、石油 化工等工业领域中，高压大功率电动机是主要的拖动设备，尤其是拖动风机、泵类 的高j e 电动机，仍l 同采用传统的挡板、阀门调节流量，造成人量的电能浪费，因此 推广电动机调速势在必行。 1 1 2 风机、泵类负载流量调节方式比较 山了：风机、泵类负载的传统流昔调节方式( | j 挡板、阀门调节) 节流损失巨大， 造成人敛的i 【l 能损耗，此人们丌始寻求史好的竹能渊市方式。比较常j f j 的几种调 节方式分别如下： 第一章绪论 1 1 2 1 电磁转差离合器调速 电磁转差离合器调速系统主要由异步电动机、转差离合器、测速发电机、控制 器及负载组成，如图1 - 1 所示。异步电动机作为拖动系统的原动机，电磁转差离合 器( 简称离合器) 作为转矩传输器，将电动机的输出转矩传递给负载，测速发电机 和控制器作为供给和自动调整离合器励磁电流的环节。 图1 - 1 电磁转差离合器调速系统示意图 在电磁转差离合器调速系统中，离合器由电枢和磁极两部分组成，这两部分没 有机械连接，都能自由旋转。电枢与异步电动机同轴连接或用连轴节连接，由电动 机带着它转动，称为主动部分；磁极则是用连轴节与负载相连，形状好像一个杯子。 磁极由铁心和绕组两部分组成，绕组由可控硅整流电源励磁。 当电动机带动杯形电枢旋转时，电枢就会冈切割磁力线而感应出涡流，这涡流 与磁极的磁场作用产生转矩使磁极跟着电枢同方向旋转，从而带动了工作机械旋 转。又由于异步电动机的固有机械特性较硬，可以认为电枢的转速近似不变，而磁 极的转速取决于磁极磁场的强弱，即取决于励磁电流的大小，因此，只要改变励磁 电流的大小，就改变了工作机械的转速【训。 电磁转差离合器调速系统的优缺点分别如下： 优点：调速范围大、调速平滑、无谐波污染、装置及控制线路简单、运行可靠、 维护方便。 缺点：低效耗能型调速，当调速到额定转速的2 3 时，电磁滑差离合器耗能最 大，为1 4 8 ；存在滑差损失，若电磁滑差离合器发生故障，必须停机处理；因电 磁滑差离合器装在电机与负载之l 日j ，轴长度大，安装不便。 1 1 2 2 液力耦合器调速 液力耦合器是一种液力传动装置，又称液力连轴器，其立要由壳体、泵轮、涡 轮三个部分组成1 5 刮。泵轮和涡轮相对安装，统称为：i ：作轮。在泵轮和涡轮上有径向 排列的平商叶片，泵轮和涡轮互不接触，两者之i 日j 有一定的f l l j 隙( 约3 m m 4 m m ) ： 泵轮与涡轮装合成一个整体后，其轴线断l 丽。般为形，柏i 其腔内充满液瓜汕。 液力耦合器的输入轴与电动机链接在一起，随电动机的转动而转动，是液力耦 合器的主动部分。涡轮和输出轴链接在一起，是液力耦合器的从动部分1 7 】与负载 华北电力大学博士论文 连在一起。液力耦合器与电动机和负载的装配图如图1 2 所示。 图1 - 2 液力耦合器系统图 当异步电动机通过输入轴带动液力耦合器泵轮旋转时，充填在液力耦合器工作 腔内的工作液体受离心力和工作轮叶片的双重作用，从半径较小的泵轮入口被加速 加压抛向半径较大的泵轮出口，与此同时，泵轮将动力机输入的机械能转化成为液 体动能。当具有液体动能的工作液体由泵轮出口冲向涡轮时，工作液体便冲击涡轮 叶片使之与泵轮同方向转动，也就是说液体动能又转化成了机械能，驱动涡轮旋转 并带动负载做功。释放完液体动能的工作液体由涡轮入口流向出口并再次进入泵轮 入口，开始下一次循环流动。这样，工作液体在泵轮与涡轮f b j 周而复始不停地作螺 旋环流运动，于是输出与输入在没有任何机械连接的情况下，仅靠液体动能便柔性 地连接在一起了。由于液力耦合器传递力矩的能力与其工作腔内的充液大致成正 比，因此在运行中设法改变工作腔的充液率，便可以调节输出力矩和输出转速，这 便是调速型液力耦合器调速的基本原理i 剐。 液力耦合器调速系统的优缺点如下： 优点：调速范围大、调速平滑、无谐波污染、装置结构及控制线路简单，运行 可靠、维护方便。 缺点：低效耗能型调速；存在滑差损失；因液力耦合器装在电机和负载之间， 轴长度大，安装不便；若液力耦合器发生故障必须停机处理。 1 1 2 3 变极调速 由异步电动机转速公式咒：6 0 l ( 1 一s ) p 知【9 加】，只要改变异步电动机磁极对数 p 、改变电动机转差率s 或改变电压源频率 都可以改变电动机的转速，达到电动 机调速的目的。变极调速是通过改变电动机磁极对数p 的调速方式，其调速原理如 图1 3 所示。 图1 3 变极凋速原明! i 矧 3 第一章绪论 由于电动机的极对数必须是整数，即p 一1 , 2 ，3 ，因此，用这种方法调速只能 是跳跃式的、有级的，通常用的较多的是两级，称为双速电机。此外，也还有三速、 四速。 变极调速方式的优缺点如下： 优点：具有较硬的机械特性、稳定性好、无转差损耗、效率高、接线简单、控 制方便、成本低廉。 缺点：有级调速；级差较大，不能获得平滑调速；操作时，要在定子边用高压 开关进行切换，若操作失误，将造成严重事故；变极电机需要进行特殊设计，定子 接线复杂，电机的基本尺寸要放大，其价格为一般同容量电机的2 2 2 4 倍。 1 1 2 4 变频调速 变频调速就是在供电电源和电动机定子之间加入变频装置，将5 0 h z 工频电源变 成频率和电压可调的电源后给定子供电1 1 1 也】，通过改变电源频率( 即同步转速) 的 方法实现转子转速的调整。变频调速结构如图1 4 所示。 电 源 图1 - 4 变频凋速结构图 变频调速是通过电力半导体器件改变电动机定子绕组所接电源的频率来实现 调速的，其优缺点为： 优点：相对高效的调速；调速范围大，一般可以从2 0 1 0 0 ；调节精度高，可 达l ；可实现软启动。 缺点：变频调速器的容量要大于所要调速的电动机的容量；在高中压大容量变 频系统中需要增加一台多绕组变压器，增加了设备成本，加大了变频系统的损耗， 设备一次性投资大；变频器是对电动机定子边进行调节，电压高，操作要求高，维 护复杂；变频器本身对环境要求较高，一般需要安装在无尘且有空调的封闭式房间 内1 1 3 - 1 6 j 。 1 1 2 5 串级调速 串级调速足指在电动机转予绕组中接入附加电势，通过改变附加电势的值来改 变转子电流，以达剑渊速的目的。通常转子i ：f 寸加电势采川整流逆变装置米实现，图 1 5 所示为传统的串级调速系统结构图。在该系统巾，转差功牢流经转予、整流逆 变装胃、逆变变胍器，最后返【l 网，陔i 乜能得剑收。串级渊述系统中，改变逆 变器的逆变角届，便可改变逆变器直流侧r 乜i 丘，与此同时，转子绕组电流随之改变， 电动机转速也随之改变，冈此串级渊速系统既可以实现电动机凋速的同的，又可以 4 华北电力大学博士论文 将系统中的转差功率回馈电网。 图1 5 传统可控硅串级调速系统结构图 与变频调速系统相比，串级调速系统有如下优缺点： 优点：调速效率高；若装置故障时，可切换至全速运行，避免停产；装置容量 较小，投资较小。 缺点：功率因数较低，网侧电流谐波污染严重。 1 1 3 串级调速与变频调速比较 调速运行是改善风机和泵类负载节能的最有效的方式【1 7 斟】，在诸多的调速技术 中，较为高效的调速技术有变频调速和串级调速。它们的一个重要区别在于变流控 制装置( 调速装置) 的控制点不同。如图1 - 6 、图1 7 所示，高压变频调速与串级调 速下电动机系统的功率流图以及在系统中的安装位置。 变频器损耗 电 供 转子锕铁损 图1 - 6 高压变频凋速。卜电机系统功率流图 由图1 - 6 所示可知，变频凋速技术控制电机的定子侧，它需要承受供电电压和 控制电机的全部功率，在低压、小容量电机上应用广泛，而在高压大容鼍电机应用 上存在诸多l u j 题和闲难，不仪增加了控制难度，而其自身损耗大、体积大、成本高、 维护费川商和运行条件要求高。 ) 和电 行变流 ( 0 - 1 ) 。 随转速 机功率 进行了 串级调 制 u 压 i j i f 鼻 。 用了斩 华北电力大学博士论文 波控制技术，但是依然存在最小逆变角的问题，因而功率因数仍旧不高和存在逆颠 覆问题，尤其是在低速运行时，由于有功分量大幅度下降，调速系统功率因数会随 转速的下降而降低陋- 2 7 1 ，谐波也会相应增大，增加了系统无功损耗。因此研究性能 更为优越、节能效果更好的串级调速系统，对于高压大容量电动机的调速技术的发 展有着重要意义，并且有利于串级调速系统在工业中更好的推广和普及。 针对现有内反馈斩波串级调速技术存在的不足，结合三相电压型p w m 逆变器 的性能特点，文中提出采用p w m 逆变器控制内反馈串级调速系统的反馈功率，通 过控制三相电压行p w m 逆变器的功率因数以达到提高整个系统功率因数和减小网 侧电流畸变的目的。由于目前p w m 逆变器在串级调速系统中的应用较少，甚至仍 停留在理论研究阶段，因此本文建立了基于三相电压型p w m 逆变器的内反馈串级 调速系统的仿真模型，通过理论分析与仿真结果验证了该模型的正确性，这为p w m 逆变器在工程上的应用研究提供了便利；文中还针对串级调速系统功率因数随转速 下降而降低的不足提出了可行的解决方案，通过控制p w m 逆变器的无功电流，使 逆变器产生容性无功电流，补偿转子绕组产生的感性无功，以使系统在低速时也能 保持较高的功率因数。通过仿真研究，系统地分析了基于三相电压型p w m 逆变器 的内反馈串级调速系统的特性以及在运行中可能出现的i 、u j 题，这为三相电压型p w m 逆变器在工程上应用提供了较为町靠的理论依据。 1 2 串级调速技术发展与研究现状 1 2 1 串级调速技术的发展 1 9 世纪木到2 0 世纪初是异步整流子电机的蓬勃发展时期，为了调节绕线转子 电动机的速度或提高功率因数，各种串级调速系统相继产生，其中主要的形式有绕 线式电动机与三相串联整流子电动机的串级、绕线转子电动机与单枢换流机、直流 他励电动机的串级和绕线式电动机与突极有偿绕组的整流子电机的串级【2 出2 伽。 2 0 世纪四、五十年代，由于水银整流器制造技术的进步，绕线式转子电动机与 水银整流器、直流他励电动机串级调速的系统也在工业上广泛应用。2 0 世纪6 0 年 代，随着高电压、大电流的硅整流管和硅品闸管的m 现，串级渊速系统获得了空前 的发展。 我罔在二十世纪5 0 年代，也外始采用闸流管式i 桐逆变器供电的交流传动系 统，但是由于设备复杂、庞大以及控制性能欠佳等原l 剑，直到= 十年代术，可控硅 问世以自玎，交流传动系统一直没有得到推j j 追川。：f 世纪6 0 年代，随着半导体 电子技术的迅速发展，半导体技术的j 、川领域i iz 麓扩大，交流井步i 【! 动机凋述耿得 了可喜的成果，我困在二十世纪7 0 年代，出现了传统的晶闸管串级凋速系统，并 在建材、化工、煤炭、冶金、给排水等工业领域得剑心用。但是传统t j l j l 闸管串级调 第一章绪论 速技术存在调速范围窄、调速精度低、自电网吸收较多无功等缺点，以及当时技术 条件限制和国家经济体制的原因，得不到足够重视和发展。 在高压大容量电动机的调速方面，由于变频调速存在控制难度高、投资成本大 等缺陷，工程师们又开始重新考虑研究串级调速技术，从二十世纪末和本世纪初， 随着电力电子技术与计算机控制技术的发展，串级调速技术才取得了突破性进展。 上世纪9 0 年代，提出采用内反馈电机进行串级调速控制【3 6 1 ，省去了庞大的逆变变 压器，使得调速系统结构大大简化；随着串级调速系统直流回路斩波控制方式的提 出，使串级调速系统与传统可控硅移相控制相比，功率因数得到大大提高，在高压 大容量电动机调速方面展现出良好节能效果。目前国内很多大学和科研院所进行内 反馈串级调速电机的研究，研究较为成功的有华北电力大学的保定华仿科技有限公 司、上海科祺调速电气有限公司、哈尔滨九州电气股份有限公司、北方调速有限公 司和上海大学等科研机构。 1 2 2 串级调速系统存在的问题 传统串级调速是将绕线式三相异步电动机转子感应电势进行整流成为直流电 势，然后该直流电势与一有源逆变电路的直流侧相连，该直流侧电势即为串入转子 回路的反电势；同时，有源逆变器又为转差功率回馈电网提供通道，整流成为直流 电功率的转子转差功率被有源逆变成5 0 h z 的交流电功率，再经逆变变压器或定子 反馈绕组回馈电网，达到高效节能凋速的目的。该反电势通过可控硅有源逆变器逆 变角度的改变而得到调整。如图1 - 9 所示： 电源 幽1 - 9 传统串级凋速原理图 影响传统呵控硅移4 寸 控制的串级调速系统推广应用的主要障碍足：1 1 设备庞人； 2 ) 功率因数低、系统谐波大；3 ) 流过自流m 路中的平波电抗器的电流损耗大。 1 2 2 1 功率因数偏低的原因 串级渊述系统的总功率数i , ；t t lf 式表示： coscpi：上p；下霉警(1-cos -i-b 1 1 )= 上= 早2 = = = = = = = = = = = = = = = = ) s k ( 鼻一名) 二+ ( q ，+ q ) ： 华北电力大学博士论文 式中，己为电网提供的有功功率；号为定子输入功率；弓为反馈功率；q 1 为电 动机定子侧无功功率；绋为逆变变压器一次侧无功功率；& 为串级调速系统总的视在 功率。 串级调速系统的主要缺点是整个调速系统的总功率因数比较低，在高速满载运行 时，总功率因数在0 6 左右，低速时的功率因数更低。造成串级调速系统功率因数低的 原因有： ( 1 )串级调速系统从电网吸收的无功功率增大 串级调速系统与逆变器一次侧都接在同一电源上，晶闸管逆变桥采用电网电压换 流，逆变桥触发角卢在9 0 1 8 0 。之间，相位滞后，需从电网吸取大量的滞后无功功率， 再加上电动机本身和逆变变压器为产生磁场的需要也要吸收相当数量的无功功率，所以 串级调速系统从电网吸收的无功功率比异步电动机单独运行时要多，而有功功率却减 小，导致功率因数降低很多。 ( 2 ) 换流重叠现象引起电流相位滞后 串级调速系统中转子整流电路存在严重的换流重叠现象，引起电动机转子基波电流 滞后于电压。当负载较大时，转子整流器还会出现强迫延迟导通现象，这些都使整流器 通过电动机从电网吸收换向无功功率，导致串级调速时电动机的功率冈数比币常接线时 降低。 ( 3