（控制理论与控制工程专业论文）高频斩波串级调速系统的建模与转速控制研究.pdf

华北电 力大学硕士学位论文摘要 摘要 本文探讨了一种新型的调速系统高频斩波串级调速系统。该调速系统采用 绝缘栅双极型晶 体管(i g b t)作为直流斩波器， 与传统串 级调速系统相比 提高了 系统 的功率因数，减少了对电网的谐波污染。 为了对高频斩波串级调速系统的设计方案进行性能指标研究和分析，本文利用 m a t l a b中的电 气系统 模块库 (p s b ) 和si tnull nk， 为 此系统建立了 仿真 模型。 该 模 型直观简便，易于使用，并具有较高的仿真精度。根据仿真实验结果和传统串级调 速系统的动态校正理论，本文推导了斩波串级调速系统的动态数学模型，设计了转 速、电流双闭环控制，并对该控制系统进行了仿真验证。 关键词:串级调速，斩波，simulink，仿真，闭环 abs t ract t h l s p aperp r e s e nts a 二wspe e d r e g u l atin g s y s t em-hi g h fr e quencyc hopping a s c ade c o n t r o l system ，w hi c h ado p t s i ns ul ated . g a t e b ip o l artr ans i s to r (i g b t ) asd c c hoppe r. c o m p ar e d w i t h c o nve ni i o na1 c as c ade c o ntro l sy s t e m ， hi ghfr e q uen c y cho ppi ng c a s c ade con 壮 o l s y s t e mi n c re ase s th e p o wer fa c t o r ， re s t ra in s h a x r q o ni c . hio r d e r t os tu 勿 t h e p c iform叨c ei ndex 叨d幼al y z e t he d e s i 即 s c h e m eo f h i gh freque n c y 比o p p in g c as c ade c o nt rol s y s t e m， a s hau l at i onm o d e l o f t h i s s y s t e mwas bui l t b yu s i n gp o 、 v o rs y s t e mb l o c k s e t 伊s b )朗ds i mul i nk o f ma t l a b. t b i sm o d e l i s s l m p l e阶dc o n v 面e nt . there su l to ft h es i m u l ation i sp r a ct i c a landre a s o n abl e . aecord 吨 tot h e s 汕ul at i on托 sultand 也 e th e o ryofd ynamiccorrectio n ofc o n v e nti。 朋1 c as c a d es p c e dre g u l at i n gs y s t em，d y n a m i c m at h e m at i c almod e l o f c h o p p i ng c as c ade c o n 打 o l s y st e mi s d e d u c e dand c l o s e di o o pc o ntro l s y s t e mwithdoubl e l o o p s o f ro to r s p e e d a n d c urre n t i s d e s i g n e d ， w h i c h i s v erifi edbys i m u l at i o u ， x u c h a n g ( c o ntro l the o tya n d c o n t r o l e n g i n e 颐n g ) d irected b y a s s o c i ate p rof. l v l i 一i a 叭d p ro f. 从 厄 n g b i ng一 s hu k e ywo r d s : c a s c a d . c o n t r o l ， c h o p p i u g ， s i m u l in k ， s i m u l a t i o u ，c l o s e d l o o p 创匕.n口 尸明 本人郑重声明: 此处所提交的硕士学位论文 高频斩波串级调速系统的建模与转速 控制研究 ，是本人在华北电 力大学攻读硕士学位期间， 在导师指导下进行的 研究工作 和取得的 研究成果。 据本人所知， 除了 文中 特别加以 标注和致谢之处外， 论文中 不包含 其他人已 经发表或撰写过的 研究成果， 也不 包含为获得华北电力大学或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。 与我一同 工作的同 志对本研究所做的任何贡献均己 在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名 每 啦 日期 : 问 ， 4 ” 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。 必密的 学 位论文在 解密后遵守 此规定 ) 作 者 签 名 : 拜岭 日 期 : 迎 旦 孔 卫 导师签名 暴 林 霓 日 期 : 2 司 . 不 、 华北电 力大学硕士学位论文 第一章引言 1 . 1高频斩波串级调速系统的应用背景及发展现状 风机、水泵是国民经济中应用广泛的生产设备，广泛地应用于电力、水处理、 供水、 城市供热、 冶金矿产、 港口 机械、 石油化工等工业领域， 耗电量很大。目 前， 大多数风机、水泵都采用阀门或档板来调节流量以 满足负荷变化的要求，或使用低 效 调 速方 法， 浪费电 能 严重 1 . 通过高效的电机调速来满足生产过程中负荷的变化，是提高风机和水泵运行效 率和降低电机耗电率的主要手段。对高压大容量异步电动机而言，由于电 压高和功 率大，串 级调速 技术有着先天的 技术优势 12 。 串 级调速源于英语 “ ca sc ad。 co nt ro l ” ， 意为“ 级联控制” ， 系指当异步电 动机转 子与外附的直流电动机两级联接所形成的调速，虽然后来改进，用静止的电力电子 变流装置和变压器取代直流电动机，但串 级调速的称谓被习惯地沿用下来。这种调 速技术最早出现在二十世纪3040年代。二十世纪70年代，我国出 现传统的晶体 管串级调速系统，并在建材、化工、 煤炭、 纺织、 给排水等工业领域有相当的应用。 传统串级调速是将电机的转子回路通过串级调速控制装置及逆变变压器与电 网连接而产生等效反电势。等效电势大小的调节是通过调整逆变器的逆变角 ( 移相 触发)来实现，同时，转差功率经逆变器和逆变变压器由电网吸收。当使用逆变变 压器将转差功率回馈并吸收至电网时，称为外反馈式串级调速。如在电动机定子绕 组嵌槽中同槽嵌放一个反馈绕组， 则定子铁芯中的反馈绕组和定子绕组构成并代替 了逆变变压器，将转差功率通过反馈绕组及定子绕组回馈并吸收至电网，这称为内 反 馈 式 串 级 调 速 12. 3 . 传统串级调速技术因当时技术状况的限 制而存在调速范围窄，调速精度低，自 电网吸收较多无功等缺点。随着现代电力电子和数字控制技术的应用而产生的现代 串级调速技术大大改善了传统串级调速系统的性能，已经可以完全满足工业生产的 需 要 4 ，1 。 现代斩波串级调速通过将逆变器的逆变角固定下来并设定在最小值，从而产生 一个恒定的最大附加直流反电势， 等效电势大小的调节由高频斩波器来完成。 通过调 节斩波器导通时间与斩波周期的比率 ( 即占空比或p wm调制脉宽) ， 来改变串入转 子回路的等效反电势的大小，从而改变转子电 流和转差率，达到调节电机转速的目 的。由于最新i g b t等快速低耗全控电子开关在斩波器中的应用及计算机控制的应 华北电力大学硕士学位论文 用，高频斩波串级调速系统己 可达到足够宽的调速范围和足够精确的转速控制性 能，系统功率因数也获得很大提高。 总的来说，高频斩波串 级调速系统的优点主要有如下几点: 1 、具有良 好节能特性。 2 、系统的机械特性较硬，同时，调速范围宽，能够实现无级、平滑调速。 3 、由于串级调速使用绕线式电机，能够有效控制电机起动电流，这对于大中 型电动机来说，是非常重要的。 4 、由于串 级调速是在电 机转子侧施加控制， 其控制电压低、控制容量小，和 变频调速相比， 调速系统更为简单， 系统较为容易满足可靠性要求， 其造价也较低。 对于大中型电动机，特别是超大型电动机来说， 变频调速面临着许多技术困难，串 级调速由于所控制的容量较小，与变频相比，造价和可靠性就更具有优势。因此， 串级调速技术特别适用于大中型电动机，包括超大型电动机的节能调速系统。 5 、现代电力电子技术和计算机控制技术与传统串级调速理论相结合，使串级 调速技术得以更进一步的发展。如采用直流回路斩波控制技术，与传统移相控制相 比，其谐波和功率因数等指标具有明显的优势。特别是新型功率器件应用于斩波控 制，使得系统更为简单可靠。 1 .2本课题研究的意义 当前世界普遍重视能源问题，要求节能的呼声越来越高。我国是工业生产能耗 高，能源紧张的国家。据有关资料记载，我国发电总量中，大约有60%是电动机消 耗掉的。目 前，绕线式感应电 机被使用于许多生产场合，比如矿井提升、风机拖动 等16 。 斩波式串 级调速完全可以 满足负载的 驱动要 求， 并可 大幅度提高 整个系统的 效率，达到节能的目的，因此推广应用这种调速系统具有十分重要的意义。 本课题主要研究了两个方面的问题，首先是高频斩波串级调速系统的建模与 仿真，第二是该系统的闭环控制问题。 1 、近年来计算机仿真技术在各行各业得到了广泛的应用，特别是在进行复杂 的系统设计时，采取计算机仿真方法来分析和研究其性能是非常有效和必要的。随 着微电子技术的发展，人们不断研制出各种新型的大功率器件，使得各种传动系统 的性能得到了极大的提高。由 于电子器件以 及各种环节的非线性，在研究开发各种 电路和系统时， 若采用人工方式进行分析计算， 难度是很大的， 而采用实验的方法， 对于大功率的电力电子电路来说，则需要较多的经费支持，因此，采用计算机仿真 是一种很好的解决方法。虽然仿真并不能完全取代实验，但是仿真能经济、快速地 华北电 力大学硕士学位论文 反映出理想条件下的系统性能，为实验研究提供强有力的指导，从而节省了大量的 时间 和人力物力. 在计算机软硬件技术且其结果越来越与真实情况相接近171 。 传统的计算机仿真软件包用微分方程和差分方程建模，直观性、灵活性差，编 程量大， 操作不便。 ma t l a b是一个高度集成的软件系统， 集科学计算、 图象处理、 声音处理于一体， 具有极高的编程效率。 matl a b提供的si mu li nk 是一个用来对动 态系统进行建模、仿真和分析的软件包，它具有模块化、可封装、面向结构图编程 及可视化等特点，用户可以方便定制和创建自己的模型、模块，这样可大大提高系 统仿真的效率和可靠性. 本文将结合si m ul i nk和p o wer s y st e mbloc k se t 的 特点， 研 究一种高频串级调速系统的建模和仿真。 2 、速度调节，可以通过手动给定信号并经过中间放大、保护等环节来实现。 电 机转速人为给定，不能自 动校正转速偏差的方式成为开环控制。在很多情况下还 希望在负载及电网电压等外界扰动情况下保持转速稳定。此时电动机转速应该能够 自 动调节，即采用闭环控制。本文对高频斩波串级调速系统的转速控制进行了 理论 分析和仿真研究. 1 .3本文所作的工作 1 . 3 . 1仿真软件的选择 目 前， 可用于电 路仿真的 较著名的商品 软 件有: spice 瓜 s pi c e ， m a 万 l a b， s a b e r等。其中，s a b e r擅长动态非线性系统的仿真，尤其适用于分析模拟和数 字的混合电路，有多种电力电子器件的模型及其他模型，如电机模型，乃至各种机 械零件的模型， 如齿轮、 减速器等. 因此， 对于电力电子电路及其系统的仿真来说， s a b er 是非常胜任的， 但是由 于其价格不菲， 能够问津的不多7 . p s pi c e 是s pi c e 的p c 机版本， 早期的p s pi c e 版本是针 对模拟电 路分 析设计的18 ， 现在的p s pi c e 可以进行模数混合电路的分析。 p s pic e中大功率器件的模型比较少， 以前只有b tt 和mo s f et， 最新的版本中己出现了i g b t的模型库。 但是， p s pic e中没有电机模 型、控制电路的模型等，因此它的应用也受到了一定的限制。而m八 i l a b语言易 学易用，功能强大。其中的电力系统模块集包含典型电力设备的模型，如变压器、 电机，电力电子器件等。通过点击和拖动操作就可以完成模型的构建，不但可以迅 速的画出电路拓扑结构图，而且可以用来分析电路与机械、控制以及其它学科的相 互作用。因此m 八 i l a b在国内外都有广泛的用户群。 综合比较各种仿真软件的优缺点，本文采用了m 户 口 ，l a b/si m ul l n k 进行仿真建 模研究。 华北电力大学硕士学位论文 1 .3 . 2本文所作的工作 1 、本文对高频斩波系统进行了深入的 研究，分析了斩波串级调速系统的机械 特性、功率因数，并与目 前应用比较广泛的变频调速进行了比较。 2 、建立了高频斩波串级调速系统的数学模型， 经工程检验，该模型可准确反 映系统各主要特性。这一模型的研究成功，为斩波串级调速系统的设计校核提供了 可靠的工具。 3 、利用上述仿真模型，分析了各种扰动对转速的影响。 4 、根据仿真实验结果以 及传统串级调速系统的动态校正理论推导了系统的动 态结构框图，并在此基础上设计了电流环和转速环pl调节器，并利用si muli nk 进 行了仿真实验。 华北电力大学硕士学位论文 第二章 高频斩波串级调速系统的原理 2 . 1传统串级调速系统的工作原理 图2 一 1 即为串级调速系统原理图.图中，m为三相绕线转子异步电 机， 其转子 相电 动势 经 三 相不 可 控整 流 器ur整流， 输出 直 流电 压u 。 三相 有 源 逆变 器uj除 提 供 可 调的 直 流电 压巧以 作 为 调 速 所 需的 附 加 直 流电 动 势 外， 还 可 将 经ur整 流 后 输 出 的 异 步 电 机 转 差 功 率 逆 变 成 交 流 ， 并 回 馈 到 电 网 191 。 图 中 t 为 逆 变 变 压 器 ， 与为 平 波电抗器。 图2 一晶闸管串级调速原理图 假设不考虑电机转子绕组与逆变变压器漏抗影响，由此可以写出整流后的转子 直流回路电压平衡方程式 佑 = 叽 + 几 r 凡甜2 。 = k z 矶， co s 夕 + 几 r( 2 一 1 ) 式中凡、 凡 ur与ul两个整流装置的电 压整流系数， 如果它 们都采用三 相桥式连接，则 凡“ k : = 2 . 3 4 巧 逆变 器输出 电 压; 矶， 逆变变压器的二次相电 压; 刀 晶闸管逆变角: r 转子直流回路的电阻: 5 转差率; 凡 d 转子静止不动时， 在转子 每相绕组中 感应电 动势的 有效 值。 华北电力大学硕士学位论文 当 异步电 动机拖动 恒转 矩负载在稳 态运行时， 可以 近似认为几为 恒值。 控制 p 使 它 增 大 ， 则 逆 变电 压巧 ( 相当 于 附 加电 动 势) 立即 减 小 ; 但电 动 机 转 速 因 存 在 着 机 械 惯 性尚 未 变 化， 所以 叭仍维 持原 值， 根 据式( 2 一 1)使 转 子 直流回 路电 流几 增大， 相应转子电 流几 也增大， 电 机就加 速; 在加速过程中 转 子整流电 压随 之 减 小 ， 又 使 电 流 几 减 小 ， 直 至矶与 巧依 式( 2 一 1)取 得 新 的 平 衡 ， 电 机 进 入 新 的 稳定 状态以 较高的 转速运 行。 同 理， 减小声 值可以 使电 机在较低的 转 速下运行。 以上就是以电力电子器件组成的绕线式异步电动机电气串级调速系统的工作原 理。 这种串级调速系统由 于刀 值可以 平滑连续调节，使得电 机转速也能被平滑连 续地调节。串级调速系统的调速过程如图2 一 2 所示。 图2 花串级调速系统的调速过程 华北电力大学硕士学位论文 2. 2斩波控制串级调速系统的原理 串级调速系统功率因数较差的一个重要原因就是采用了移相控制的逆变器，控 制角刀 越大时， 逆变器从电网吸收的无功功率越多。 如果用斩波器来控制直流电压， 而将逆变器的控制角设定为允许的最小值不变，即可降低无功的消耗，而提高系统 功 率 因 数 . 9 . 图2 一 3 绘出了斩波控制的串级调速系统原理图，图中c h就是直流斩波器， 可 用普通晶闸管或可关断电 力电子器件组成，后者可大大简化斩波器电路。其中电 抗 器几 起 滤 波作 用， 以 便 抑 制 转 子电 流 脉 动， 减少 定子电 流 高次 谐 波分量。 二 极 管d 起隔离作用， 电容c 和二极管一起组成斩波器的缓冲网络， 电容c 起能量缓冲作用。 电 抗 器几的 作 用是 维持 有 源 逆变 器ul电 流的 连 续。 当电 容 器 两端电 压大 于 逆 变 器 电压时，通过逆变器的电流增加，否则电流减少。 图 2- 3 斩波控制串级调速系统原理图 在图2 一 3 所示系统中，斩波器c h工作在开关状态。当它接通时，逆变器输出 的附加电动势被短接，当它断开时，输出电动势最大。从图2 一 4 的波形可以 看出， 斩波器的开关周期为t ，在r 的时间里，斩波开关闭合，整流桥被短路， 在t 一 r 的 时间里，斩波开关断开。 图2 一 转子斩波串级调速时的附加电动势波形 华北电力大学硕士学位论文 整流桥的输出电压是 矶 二 2 3 4 se加 ( 2 一 2 ) 式中，e zo 为转子开路相电 压. 逆变器的 输出电 压为 巧 2. 34 矶， co : 几自 ( 2 一 3 ) 经斩波器输至整流桥的电压为 ( 2 一 4 ) 它与整理桥输出电压相平衡， 工 二u ， t厂 则有 矶 ” t一r 怖 ( 2 一 5 ) 所以， ， 一 卜 习 会 cos 一 卜 一 (1一 蚤 )会 co s瓜 ( 2 一 6 ) ( 2 一 7 ) 由上式显然可见，改变斩波器开关闭合时间: 的大小就可以改变电机转速” 的 大小。当占 空比: 即斩波器的导通时间越长，串调系统的转速越高。反之，则转速 越低。当丁 = 0 时，即斩波开关一直处于断开状态， 异步电 动机就工作在串级调速状 态下的最低转速; n一1一 %co5司 ( 2 一 8 ) 由上述分析可以得到以下结论: 1 、在设计的调速范围内，转速与斩波占空比呈近似的线性关系。 2 、调速精度与斩波频率直接相关。 3 、调速精度与斩波控制精度直接相关。 4 、调速上限与下限与斩波占空比上下限直接相关。 华北电 力大学硕士学位论文 2. 3用作斩波器时各种电力电 子器件的比较 为了提高串级调速系统的功率因数，人们提出了带斩波器的串 级调速系统。斩 波器可以 采用晶闸 管、晶 体管 或功率场控器件等 110 .1l 1 ， 但各种器件由 于其本身结构 的 不同 具 有 不同的 特性 l 刀 . 1 、晶闸管斩波器:当采用晶闸管斩波器时，因为元件自 身无关断能力，需要 附加强迫换相电路。另一方面，受元件自 身开关速度的约束，斩波频率的上限受到 限制。 而斩波频率低又会引起转子电流低频脉动大，进而导致定子电流高次谐波分 量增大，并会引起电网波形畸变。为了抑制转子电流脉动，必须增大平波电 抗器的 数值。因此晶闸管斩波器的线路比较复杂，进而成本较高。 2 、 晶体管斩波器: 采用晶体管g t r斩波器时，由于元件自 身具有自 关断能力， 不需要强迫换相电路斩波频率仅受元件开关特性的限制， 斩波频率有所提高。与晶 闸管斩波器相比具有滤波电感、电容变小， 线路简单， 谐波成分小等优点。 但g t r 元件存在耐冲击浪涌电流能力差、易受二次击穿而损坏，并且开关损耗大、效率低 等缺点。 3 、绝缘栅双极性晶体管简称i g b t ，由于它的导通是靠加在第三极的电压来控 制， 因此属于电压控制型器件。 这类器件主要有igb t以及mo sfe t 等。 而象g t r 等晶体管则属于电流控制型器件。由 于电压型控制型器件本身的特点，使i g b t作 为开关元件具有控制功率小， 控制电 路简单的特点. 另外绝缘栅双极性晶体管是80 年代中期发展起来的一种新型复合器件.它综合了mo s f et 和g t r的优点，即具 有开关速度快、输入阻抗高、驱动功率小、热稳定性好和控制简单的特点，又具有 通态压降低、耐压高和承受电流大等优点，因而用作斩波开关具有良好的特性。 i g b t 斩波器的斩波频率可以达到数千赫兹， i g b t 为全控型器件， 可以省去换 流电 路， 因此 斩波回 路将变得非常简单17 。 本文中所研究的高频斩波串级调速系统即采用i g b t 元件作为斩波开关。 华北电 力大学硕士学位论文 第三章 高频斩波串级调速系统的稳态分析 3 . 1斩波调速系统的等效直流电路 图3 一 1所示为igb t元件作为斩波开关的高频斩波串级调速系统的原理图。 图3 。 1 高频斩波串级调速系统的原理图 斩 波 调 速 系 统 的 等 效 直 流 电 路 如 图 3 一 2 所 示 ， 转 子 外 接 等 效 电 势 凡= (l 一 p 风。 ， 直 流 回 路 总 电 阻 凡 = 2 ， 。 十 (l 一 砷r ， + r ) ， 总 电 抗 xz班 旦 鱼 + (l 一 司 兰 式 中 : p = 丢 斩 波 占 空 比 ， 1 ea。 = 2 . 3 4 凡， cos 刀，凡a 于 为 一 个 周 期 内 的 导 通 时 间 ; 一逆变变压器二次侧电压 凡、xa 调节绕组的每相电阻和漏抗; r d 、 凡 折算到 转子侧的电 动机每 相电 阻 和每相漏抗; 凡 几 欲几 。 凡 图3 一 2 斩波电路等效直流回路 一一一一一一一一一一一一当些 电 遨 大 学 硕 士 学 位 论 文 在斩波串 级 调速系统中， 通常逆 变角刀 固 定为 最小逆变角刀 血， 通过调节占 空 比 p 改 变 等 效 电 势凡的 值 ， 从 而 实 现 电 动 机 转 速 的 连 续 平 滑 调 节 . 3 . 2高频斩波串级调速系统的机械特性 串级调速电 机的机械特性曲 线对于工程上的分析具有很重要的意义， 但是由 于 斩波串级调速系统的结构与传统串级调速系统的结构有所不同，故有必要对带斩波 器的串级调速系统的机械特性曲 线进行分析研究，以 便于工程上的应用。 根据转子直流回路的等效电路，当忽略电子元件的电压降时有: 2.3 4 践。 一 动 竺 鲤+ 2 * 。 ) = 2 .34 (l 一 ， 风 ， co s， 十 1(l 一 ， 了 华十 2 * ， 十 凡 习 、 ( 3 一1 ) /l、 万j 式中:ez d 转 子不转时的 额定相电 势 凡、 几 直 流 回 路电 抗 器 电 阻 和 直 流 电 流 整理(3 一 1 ) 式有: 几= 2.34 sa 。 一 (l 一 p 风， co s川 丛 旦星 + z r 。 + (l 一 汀 丛+ z ra + 动 万、 兀j sed0p 风。 二 二 . . 目 . . . . . . . . . . . . . . . . . . .一- 3 x 。 r _ 一1 百 + 万 l会 2。 。 一 成 令 2 )刀 姗。 一 (l 一 ， )国 气乙 。 o j 令 卜 叔zr 二 “ 一 + 2、 * 。 ) = 兰 纽 3 xo 兀 。 _ t ， _ 、 凡。 l，一、 1 一尸) 几 万 一 石 d 。 5 + 产 _ed。 一五 ，一0 盯 盂 几 ( 3 2 ) 式中:ed。 = 2 .3 4 凡。 : ， = 弄 2 * 。 + (l 一 汀 兰十 2 * ， + 、 ) ) ; j 人d 、万j j 华北电力大学硕士学位论文 凡 = 。 ， 、 e。 。 百 一 u一 p j 廿二盖 乙 2 扣 5 + 户 第一工作区的综合转差率 根 据文献l 所述， 调 速电 机 在第一 工作区的 转 距， 可以 用转子电 势瞬时 值和转 子电流瞬时值乘积来计算，也可以直接用转子整流器的直流电压和直流电流之积来 表示: 从 = 9 . 8 1 鸟( 3 五 凡 。 一 丛、 )几 万汀( 公斤 米)( 3 一 3 ) 将 ( 3 一 2) 式代入 ( 3 一 3) 式整理后得 、 一 0.5 85 轰 (l 一 、 )sat 或 码 = 是 一 。 一 )ssi ( 3 一 4 ) ( 3 一 5 ) 式中，妈 = 0. 585 计算转距( 3 一 6 ) 由 式( 3 一 5) 可 知，码= f(几) 是 二 次曲 线， 通 过 对几求导 可 得 转距码的 极 值 川 偏 .= 去 。由于上式没有记入第二工作区域内转子整流器固有滞后角的影响，所以 实际 转到 不了 这个值， 所以功 成为 最大理想相 对转距。 由上面推导可知，交流电动机斩波串级调速第一工作区相对值机械特性曲线 鱿= f(几) 可以 根据式 ( 3 一 5) 绘制。 当系统运行在第一工作区和第二工作区的交界处，如果继续增加负载，它将进 入 第 二 工 作 区 ， 此 时 转 子 整 流 重 叠 角y 角 恒 为6 00 ， 转 子 整 流 器出 现 固 有 滞 后 角 ap。 因此在第二工作区的电流可写成 几= 2 3 4 s co s 气乓 。 一 ( 1 一 户 ) 凡 ， co s 刀 * 2 凡 + (1 一 p)( 丛+2 凡+ 凡) 二 三 吐. 旦 兰 亘 _. e . 户 cos 气 一 ， 一 “ ， 或二 5 + p ( 3 一 7 ) 华北电 力大学硕士学位论文 式中，ssu = 。 _ _ . _ ， ， _ 价凡。 。 。 “ 夕 一、 1 一尸， 石一 一 即 5+ 1， 第二工作区的综合转差率 在 第 二 工 作区 内 ， 转 子 整 流 器 重 叠 角 了 恒 等 于6 00 ， 固 有 滞 后 角 气与 电 机 参 数 之间有下列关系: co 成 60 。 + 气卜co s 气- ( 3 一 8 ) 将 ( 3 一7 ) 式 代 入 3 一 ， 式 ， 贝 “ 、 = 告 sin( 3 。 + 、 ) ( 3 9 ) 第二工作区的 转距可写为:叽 = 9 8 1 叱( 3 鱼 凡 d co s、 一 鲁、 )it ( 3一0) j 、， _ 、 一， .、 、， _ _ 、 二. ， _ _ _ _公。 枪 、 j 一 八 代 八 、 j 一 u 我 将 匆 u = ” ， 石 勺 瓦 戴咖 ， 气 一 场 s sn ( 3 一 1 1 ) mn 一 箫 二 (co 5、 一 55 )s 二 ( 3 一 1 2 ) 式中， 域 = 0. 5 85 瑞 残x 。 计算转距 所 以 斩 波 调 速 电 机 第 二 工 作 区 的 相 对 值 机 械 特 性 曲 线 mn二 f (ssn， 气 ) 可 以 根 据 式 ( 3 一 1 2 )绘出。 下面以一个具体的例子来说明上面的论述。 绕线式异步电动机的技术数据是:容量为6 3 0 千瓦，定子为6 o 0 0 伏/ 84安，转 子为9 41伏 / 4 13安， 转速为3 70转 / 分。 折算到 转子 侧的 每相电 阻凡为0. o 36欧， 折 算到 转子 侧的 每相漏抗几为0. 3 34欧: 逆变 变 压器的 技 术数据是: 容量为6 30千 伏 安， 定 子 为60 0 0/ 1 1 o 0 伏， 折 算到 二 次 侧的 每 相电 阻凡为。 .0 45欧， 每相 漏 抗xb为 。 12欧;电 抗器的电阻凡忽略不计。 根据上面的推导公式可算出调速电机的相关参数的值，表3 一 1 为斩波占 空比 分 别 为p = 5 0 %， p = 75 %， p = 10 0 %时 斩波调 速 系统的 机 械特性曲 线。 相关计 算参 数 见表3 一 1 。 根据表3 一 1 的计算结果，很容易绘制出调速电机在不同占空比的情况下机械特 性曲线图 ( 见图3 一 3) 。 华北电 力大学硕士学位论文 表3 一 1高频斩波串级调速系统在不同占空比下的特性参数 第一工作区 第二工作区 ss o0 . 0 40 . 0 801 201 60.200 。 2 5 0 280 一 3 20 。 3 5 4040 .43 2 功0 0 . 0 3 800 7 30 1 0 50 . 1 3 501 60 。 1 8 70 . 2 0 ， 2 1 20 . 2 1 70 . 2 0 70 . 1 9 枯 000 40 刀80 . 1 20 ， 1 60 。 2 0 0 之502 80 。 3 20 j5 40 一 40 . 4 3 2 r0o2 3 -3 3 0月 0 。4 7 。5 3.6 006 0 .6 006 00 6 0 .60 。 凡 0。0 o 0 .0o0 b0o0.4o1 0.1 5 0 2 393 00 m 05 0 19 6 31 3 8 51 7 8 0 2 1 1 02 4 “2 6 3 82 7 9 62 8 6 22 7 3 02 5 0 6 p l ! o o % s 00 . 0 0 90 一 0 20 乃3 100 4 300 5 70 . 0 7 吕0 . 0 8 80 j0 90 . 1 3 1 0 . 1 7 402 2 5 n3 7 53 7 1 . 63 6 7 53 6 3 涛 3 5 8 乡3 5 3 . 63 4 5 13 4 23 3 5 . 33 3 43 0 ， 名2 9 06 p l : 闷 o l % s0 25 3 0 念80.3 090 . 3 4 0 ， 3 7 50 沸1 30 甲 4 6 60 j0 305 5 60 石3 707 8 209 6 7 n 2 8 02 7 02 ， 92 4 7 )2 3 42 2 02 0 01 8 61 6 31 3 6b i名l 2 p ! l o l o % s 0 . 5 0 60 j50 乃9 90 ， 砧0 一 7 0 70 一 7 708 5 709 1 8 1 刀2 41 一 1 41 . 3 ，1 . 7 1 n1 吕 51 6 91 5 11 3 1! 1 08 6 5 43 l-9一 5 3一 1 4 一6 6 图3 一 3 为斩波串级调速系统在不同占空比下与移相串级调速系统在不同逆变角 下的机械特性曲 线图，由于串调系统具有直流电 机的特性，而斩波串 级调速系统的 l 4 华北电力大学硕士学位论文 等 效 电 阻 rz 一 丛 习 互 + 2 凡 + (l - 3 x p) (汾+ z ra + 助相 比 传 统 串 级 调 速 系 统 的 等 效 电 阻要小，所以斩波控制的串级调速系统机械特性比 传统串级调速系统的机械特性要 硬。 图中实线为斩波串级系统机械特性曲 线， 虚线为可控硅串级系统机械特性曲 线. - - 一 二 二二=二亡 _p= 7 5 % =1 0 朗毛 - 一_ 声= 9 。 口 、 、沪 - - - - - - 一 _ _ 二 绷期朋1000 转速 、，jl 、 、 、 、 、 ，.目.，- ) 1 n -1ro枷枷 0熨101 0 田石 田3 口 刃 转 矩 图3 一 3斩波串级调速系统与传统串级调速系统机械特性曲线图 3 . 3高频斩波串级调速系统的功率因数 3 .3 . 1 传统串级调速系统的功率因数 串级调速系统的功率因数与系统中的异步电机、不可控整流器以及可控逆变器 三大部分都有关。分析其原因， 主要有以 下几个方面l : 1 、串级调速系统中的相控逆变器需要通过逆变变压器从电网吸收无功功率 岛， 并 且 逆 变 角 越 大时 ， 消 耗的 无 功 功 率 也 就 越 大 141 。 从功率因数的定义来看，串级调速系统的总功率因数可表示为川: c o s 少=耳= _ _ _ 月 一 尸 ， 式中 ，耳 ( 耳二 君 一 p ， ) 砍 月 一 p ， )， + ( q + 。 a )， 串级调速系统从电网吸收的总有功功率: ( 3 一 1 3 ) 华北电 力大学硕士学 位论文 5( 5 = 砍 君 一 尸 ， ) ， 十 (ql十 q ， ) ， ) 一 串 级 调 速 系 统 的 总 视 在 功 率 ; 君 、p ， 电 动机定 子侧和变压器一次 侧的 有功功率; 9、q ， 电 动机定子 侧和变压器一次 侧的 无功功率. 正因为串级调速系统的有功功率和无功功率分别是电动机和变压器有功功率 之差和之和，所以系统的有功功率减小， 而无功功率增大。 这就是串级调速系统的 功 率 因 数 比 较 低 的 一 个 原 因 【1:41 2 、串级调速系统中电机和逆变变压器的电流波形发生畸变，其电流的高次谐 波分量引起无功功率的畸变功率，使系统的总功率因数亦变坏。 在这两个方面中，第一个方面是影响串 级调速系统功率因数的主要因素14 。 3 .3 2斩波串级调速的功率因数 通过对斩波串级调速系统的工作原理的分析可以得知，在串级调速系统中采用 斩波控制后，转速的改变是通过调节斩波开关的占空比即导通时间来实现，而不用 调节逆变角。因此为了提高系统的功率因数，在斩波控制串级调速系统中可以将逆 变角刀 固 定 在最小值声 = 刀 画， 这样可使逆 变器 从 调节绕组吸收 的无功功率 将减少到 最小程度，也就是说，电机从电网吸收的无功功率减少。所以采用斩波控制可以大 大提高系统的功率因数，尤其在高速段，斩波串级调速系统的功率因数改善很大. 在低速段功率因数虽然较低，但对于风机水泵负载来说，此时系统本身消耗的有功 功率都很小，因此对电网来说已不是重要的问题了。采用斩波控制可以提高串级调 速系 统的 功率因数， 这是斩波控制的 一个主 要的 优点191 。 有关资料提供了在恒转矩负载下斩波控制串级调速系统在不同转差率下的功 率 因 数 ， 如 图3 一 4 所 示 16 : id090.80.7肠舫舫帕吐 娜 0.i o 图3 一 斩波控制串级调速系统 ( 实线) 与传统串 级调速系统 ( 虚线)的功率因数 华北电 力大学硕士学 位论 文 由图3 4可见，在高速段，电动机的自 然功率因数，达到0 .8以上，斩波式串 级调速系统的功率因数改善很大， 它接近于电动机的自 然功率因数，远较传统的串 级 调 速 系 统 为 好 113 ，l4 10 3 .4斩波串级调速与变频调速的对比 在交流异步电机高效节能调速应用领域，根据不同用途主要是采用变频调速技 术或串级调速技术。变频技术控制电 机的定子侧供电电源， 变流装置要承受6 千伏 或10千伏的高压， 控制电机全部功率;而串级技术控制电 机的转子侧， 变流装置仅 承受转子回路的低电压， 控制很小的转子转差功率。 就节电 率而言，串级调速技术 是最高的，就在泵与风机类负载的应用上，串级调速技术又是最为适合的。 下面就变频技术与串级调速在技术实现方法及各自 的特点上做如下简要分析 和比较: 一 变 频 调 速 15 ，坷 三相异步电机定子旋转磁场的转速称为同步转速，电机转子及其拖动的泵、风 机在额定负载下的转速， 即额定转速， 略低于同步转速。而同步转速取决于供电电 源 频率和电机极数。 对于确定的电 机，其极数是确定的，则同步转速只取决于电 源频 率。 在拖动额定负载时，电机转子的额定转速也便取决于电源频率。 变频调速技术是在电机供电电源与电 机定子间加入一个可改变电机供电电 源 频率的变流装置，将通常 50hz工频交流电 源变为频率可调的交流电源 ( 要同时调 压) ，如图 3 一 5 所示: 变 频 器 电源 图3 一 5变频调速原理 这样，变频技术的关键点在于控制电机供电电 源的频率和电压。由于是改变电 机供电电源的频率，理论上讲，它可以使电机从零转速一直到任意转速 ( 达超同步 速) ，当然在实际应用中是达不到的。但它同时带来严重的技术困难和相对较大的 自 身功耗 ( 影响节电率) 。这是因为作为变频器这种变流过程 ( 包括串级调速装置) 都是由半导体电力电子器件进行整流及逆变而实现的，而变流过程需要电力电子器 华北电力大学硕士学 位论文 件能 承受相应工作电压 ( 这是电力电 子器件最重要的) 。同时，在变流过程中将产 生功率损耗，功率损耗与通过变流装置的电能功率成正比。 如上所述， 对于电厂或其它工业用高压大容量电机，变频器中的半导体开关器 件要承受6 千伏或10千伏高压。目 前单个半导体开关承受不了这么高的电压，因 而在变频器中采用各种降压再升压， 或电力半导体器件串、 并联及复杂的整流逆变， 矢量控制技术来解决承受高压的问题。 另外，通过变频器的功率( 或叫变频器控制的功率) ，是供给电机的全部功率， 这就带来以下几个方面的问题: 1 、自身装置庞大、复杂。 2 、产生谐波大( 因变流功率大) ，所以需要加入各种抑制谐波的装置。 3 、虽变频调速还可以使用鼠笼电机，但一般鼠 笼电机要考虑因转速下降使冷 却通风量降低及谐波造成的电机发热，绝缘老化等问题，因而对大容量电机，最好 改用特制的变频电机。 4 、造价及维护费用很高。 5 、在高压大容量电机使用领域，技术尚 欠稳定可靠. 6 、自 身功耗大 ( 一般为电机额定功率的3 %6 %)，节电率受到影响。 7 、运行条件苛刻。 因自 身功耗大需要加装防尘及大容量制冷散热空调， 进一 步增加了电耗和运行维护量。 二、串级调速 串级调速是十分经典的电机调速方法。它的根本点不是去控制电机的供电电源 频率和电压，而是控制转子电流，从而改变电机的转差率进行调速。电 机定子供给 转子的功率 ( 电磁功率)分为两部分:大部分变成机械功率拖动负载，一小部分成 为因转速差而产生的转子回路的转差功率. 从串级调速的原理可见，串级调速变流装置工作在转子回路，这就带来以下两 方面固有的技术优势: 变 流 装 置 承 受的电 压低， 变流 功率 小. 这是因 为 调 速中 转子回 路的电 压为跟， ， 5 为 转差率，凡 ， 为 转子额定电 压， 在几百至2 0 00伏之间。 对于 风机、 水泵而言， 调速下限一般不会低于额定转速的50%，转差率最大值不会超过0. 5 ，因而转子回 路工作电压，即变流装置承受的电压多为几百伏。 对于不同类型的负载，转子输入功率、轴机械功率、转差功率如表于2 所示: 一一一一一一一一一一一一竺丝 为 木 学 硕 士 学 位 论 文 表3- 2不同 类 型 负 载 的 电 机 各 功 率 与 转 差 率 的 关 系( 凡 为 机械 负 载 额 定 功 率) 负载性质 转子输入功率 只 轴机械功率 凡 转差功率 尺 最大转差功率瑞 恒转矩 几( 1 一 5 ) 几 双1 几 ( 当5 = 1 时) 线性转矩 ( 1 一 5 ) 几( 1 一 5 ) ， 几( 1 一 5 ) spz0 2 5 几 ( 当5 二 0 . 5 时) 平方转矩 ( 1 一 5 ) ， 凡( 1 一 5 ) ， 几( 1 一 5 ) ， 姚 0 1 4 8 1 5 几( 当 5 = 0 . 3 3时) 对泵、风机类负载，由 于转子回路因调速而产生的最大转差功率仅为电 机额定 功率的14. 815 %， 转子回路感应电压仅为几百伏，因而在转子回路加入串级调速装 置 ( 变流装置)，通过控制转子回路反电势大小来调速带来如下突出的技术优势: 1 、串级调速装置中的电力半导体器件承受电压仅为几百伏，最高不超过1 . 5 千伏， 比6 千伏低得多，单只半导体开关足可安全承受。 2 、变流装置控制功率仅为电机额定功率的14 815 %，这便带来诸多好处: ( 1) 自 身功耗不到电机额定功率的1 %，节电率比 变频调速高出2 %5 %。 ( 2 )自身因变流产生的谐波小，一般不需要加装滤波装置。 ( 3 )系统结构简单，控制容易。 ( 4) 装置尺寸小，对环境要求低， 一般厂房自 然环境即可，可靠性高。 ( 5 )造价低，维护简单，费用少。 因而，串级调速技术很适合用于拖动泵与风机类负载的调速电机，对于高压大 容量电 机更有技术容易实现和经济性好的优势。 当 然，原使用鼠笼电 机的场合，在使用串 级调速时需要更换为绕线式电 机。绕 线式电机有滑环、碳刷的维护工作， 但相比变频调速装置的维护量要小的多。如加 上更换电机的费用，整个串级调速系统的费用还要低于变频器本身的价格 ( 如更换 为变频电机，则变频调速系统装置价格更高)。一般在有一定调速深度的场合，投 资回收期在 1 至2 年。串级调速的维修费用比 变频调速也要低的多， 维修容易。加 之节电率比变频高出2 %至5 %，串级调速综合技术、经济比较，要比变频有明显 的优势。表3 一 3 中对比了斩波串级调速系统和变频调速系