（控制理论与控制工程专业论文）斩波式串级调速系统功率因数的研究与仿真分析.pdf

华北电力人学硕十学位论文摘要 摘要 本文首先详述了传统串级调速系统的工作原理，分析了传统串级调速系统功率 因数低的原因，并利用m a t l a b s i m u l i n k 搭建了传统串级调速系统的仿真模型， 得到系统功率因数随触发角变化的曲线；其次，介绍了斩波式串级调速系统的工作 原理，提出斩波式串级调速系统功率因数分析计算的基本方法，并且利用 m a t l a b s i m u u n k 搭建的斩波式串级调速系统仿真模型对该计算方法的计算结 果进行了验证；然后分析了影响斩波式串级调速系统功率因数的因素；最后，用并 联电容器的方式对斩波式串级调速系统进行无功功率补偿。仿真结果表明，利用无 功补偿方法能有效提高斩波式串级调速系统的功率因数。 关键词：串级调速系统，功率因数，斩波控制，仿真 a b s t r a c t f i r s t l y ，t h ep r i n c i p l eo ft r a d i t i o n a lc a s c a d es p e e dc o n t r o ls y s t e mi sp r e s e n t e di nt h e p a p e r a n dp o w e rf a c t o ro ft h es y s t e ma r ea n a l y z e d t b es j m u l a t i o nc i r c u i to ft f a d i t i o n a l c a s c a d es p e e dc o n t r o ls y s t e mi sb u i l tu p b yu s i n gm a t l a b s i m u l i n ka n dt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e np o w e r f a c t o ra n dt h ef i r ea n g l ei so b t a i n e d a n dt h e nt h ep r i n c i p l e o fc h o p p e rc a s c a d es p e e dc o n t r o ls y s t e mi si n t r o d u c e d t h eb a s i cc a l c u l a t i o nm e t h o d s0 f p o w e rf a c t o r f b rc h o p p e rc a s c a d es p e e dc o n t r o ls y s t e ma r ee s t a b l i s h e d ，a n du s i n g s i m u l a t i o nc i r c u i to fc h o p p e rc a s c a d es p e e dc o n t r o ls y s t e mv a l i d a t e st h er e s u l to f c a l c u l a t i o n t h e nt h ef a c t o r sw h i c ha f f e c tt h ep o w e rf a c t o ro fc h o p p e rc a s c a d es p e e d c o n t r o ls y s t e ma r ea n a l y z e d l a s t l y t h es y s t e mi s c o m p e n s a t e db yu s i n gp a r a i l e l c o n n e c t i o nc a p a c i t a n c e ， a n ds i m u l a t i n gr e s u l ts h o w st h a tt h ep o w e rf a c t o rc a nb e i m p r o v e db yu s i n gt h em e t h o do fc o m p e n s a t i o nr e a c t i v ep o w e r z h e ny a ( c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f 、v a n gb i n g s h u k e yw o r d s ：c a s c a d es p e e dc o n t r o ls y s t e m ，p o w e r f a c t o r ，c h o p p i n gc o n t r o i ， s i m u l a t i o n 华北电力人学硕十学位论文摘要 摘要 本文首先详述了传统串级调速系统的工作原理，分析了传统串级调速系统功率 因数低的原因，并利用m a t l a b s i m u l i n k 搭建了传统串级调速系统的仿真模型， 得到系统功率因数随触发角变化的曲线；其次，介绍了斩波式串级调速系统的工作 原理，提出斩波式串级调速系统功率因数分析计算的基本方法，并且利用 m a t l a b s i m u u n k 搭建的斩波式串级调速系统仿真模型对该计算方法的计算结 果进行了验证；然后分析了影响斩波式串级调速系统功率因数的因素；最后，用并 联电容器的方式对斩波式串级调速系统进行无功功率补偿。仿真结果表明，利用无 功补偿方法能有效提高斩波式串级调速系统的功率因数。 关键词：串级调速系统，功率因数，斩波控制，仿真 a b s t r a c t f i r s t l y ，t h ep r i n c i p l eo ft r a d i t i o n a lc a s c a d es p e e dc o n t r o ls y s t e mi sp r e s e n t e di nt h e p a p e r a n dp o w e rf a c t o ro ft h es y s t e ma r ea n a l y z e d t b es j m u l a t i o nc i r c u i to ft f a d i t i o n a l c a s c a d es p e e dc o n t r o ls y s t e mi sb u i l tu p b yu s i n gm a t l a b s i m u l i n ka n dt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e np o w e r f a c t o ra n dt h ef i r ea n g l ei so b t a i n e d a n dt h e nt h ep r i n c i p l e o fc h o p p e rc a s c a d es p e e dc o n t r o ls y s t e mi si n t r o d u c e d t h eb a s i cc a l c u l a t i o nm e t h o d s0 f p o w e rf a c t o r f b rc h o p p e rc a s c a d es p e e dc o n t r o ls y s t e ma r ee s t a b l i s h e d ，a n du s i n g s i m u l a t i o nc i r c u i to fc h o p p e rc a s c a d es p e e dc o n t r o ls y s t e mv a l i d a t e st h er e s u l to f c a l c u l a t i o n t h e nt h ef a c t o r sw h i c ha f f e c tt h ep o w e rf a c t o ro fc h o p p e rc a s c a d es p e e d c o n t r o ls y s t e ma r ea n a l y z e d l a s t l y t h es y s t e mi s c o m p e n s a t e db yu s i n gp a r a i l e l c o n n e c t i o nc a p a c i t a n c e ， a n ds i m u l a t i n gr e s u l ts h o w st h a tt h ep o w e rf a c t o rc a nb e i m p r o v e db yu s i n gt h em e t h o do fc o m p e n s a t i o nr e a c t i v ep o w e r z h e ny a ( c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f 、v a n gb i n g s h u k e yw o r d s ：c a s c a d es p e e dc o n t r o ls y s t e m ，p o w e r f a c t o r ，c h o p p i n gc o n t r o i ， s i m u l a t i o n 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文斩波式串级调速系统功率因数的 研究与仿真分析，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期问，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 的任何贡献均已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：塑至 日期： 垫! 呈：堡三：乡 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) 作者签名：亟查 日 期： 垫! 壁! 鲤：矽 导师签名： 日期： 华北电力人学硕十学位论文 第一章 引言弟一早jli 1 1 电气传动的发展与现状 电气传动是现代最主要的机电能量变换形式之一，其广泛地应用于电力、水利、 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，并随着控 制技术和控制理论的不断进展而非常迅速地发展着。电气传动技术包含直流和交流 传动两种方式，早在十九世纪三十年代就出现了以蓄电池为能源的直流传动技术； 后来又发展成为直流发电机供电形式。直到十九世纪八十年代，直流传动一直是唯 一的电气传动方式。十九世纪末随着交流异步电动机的产生，出现了交流传动，并 在工业方面得到了广泛应用，从而开辟了电气传动的新时代。 虽然交流电动机结构简单、可靠、造价低廉，但调速性能( 调速范围、稳定性 或静差度、平滑性等) 却无法与直流调速系统相媲美，所以在调速领域中，直流传 动一直占据着统治地位。但是，由于直流电动机存在着“换向”这一理论和技术方 面的实际困难，使得直流电动机的最高电压只能达到1 0 0 0 多伏，而交流电动机则 很容易做成6 k v 、1 0 k v 或更高；另外直流电动机的制造和维护也比交流电动机复 杂，特别是随着科学技术的发展，直流电动机的单机容量、电压等级、转速和体积 往往不能满足实际需要。例如，目前直流电动机的单机容量只能达到1 2 0 0 0 k w 和 1 4 0 0 0 k w ，分别制成三电枢和双电枢的形式，而交流同步电动机和异步电动机的单 机容量都可以远远高于此值；在转速方面直流电动机的最高转速只能达到3 0 0 0 转 分左右，而交流电动机转速则可高达每分钟数万或更高，这些都是直流传动的薄弱 环节。 为了克服上述缺点，很多国家一直在致力于发展交流传动技术。起初，由于交 流调速的发展受其物质基础静止式变流器件以及相应的电子逆变技术的限制， 交流调速装置未能得到推广应用，有的甚至未能走出实验室。2 0 世纪六十年代以后， 随着电力电子学与电子技术的发展，交流调速发展出现了一个飞跃；尤其是2 0 世 纪七十年代，大规模集成电路和计算机控制技术的发展，以及现代控制理论的应用， 为交流电力拖动的开发进一步创造了有利条件。诸如交流电动机的串级调速、各类 型的变频调速、无换向电动机调速，特别是矢量控制技术的应用，使得交流调速逐 步具备了宽调速范围、高稳速精度、快动态响应以及在四象限作可逆运行等良好的 技术性能。原来的交直流拖动分工格局被逐步扣破，在各工业部门用可调速交流拖 动取代直流拖动的形式已指同可待。 特别指出的是，交流调速拖动系统在能源方碡i 的作用。在世界能源紧张、能源 华北电力人学硕十学位论文 费用高涨的今天，交流调速技术作为节约能源的一个重要手段，引起了人们的高度 重视。究其原因：一方面，交流拖动负荷在各国电量中都占有很大的比重( 工业发 达国家，大都占一半以上) ，对这类负荷实现节能，可以获得十分可观的节电效益； 另一方面，交流拖动本身又存在着很大的可以挖掘的节电能力。在许多交流拖动装 置中，交流电机及其所拖动的机械在选用时往往郜留有一定的裕量，而且也不总是 在最大负荷情况下运行。在轻载时，如果利用电力电子技术降低电机的外电压，或 通过对电机速度控制来改变某些工作机械的工况，就可以达到节电的目的。以工业 上大量使用的风机、水泵、压缩机为例，这类机械都是采用交流电机拖动，其用电 量约占工业用电量的5 0 ，过去都是靠调节风门、闸阀来改变流量，则消耗在挡板 阀门上的功率就可以节省下来，每台可节能2 0 以上，总起来的节能效果是很可观 的。 交流调速技术具有优良的调速性能，还可带来节约能源、减少维修费用，节省 占地面积等优点，尤其在大容量或工作于恶劣环境时更为直流电机拖动所不及。所 以，交流调技术的应用有着广阔的前景。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。最新电力电子器件和控制技术在 串级调速中的应用，使得串级调速系统性能产生巨大的进步，展现出光明前景1 2 j 。 1 2 斩波式串级调速系统的发展现状 串级调速源于英语“c a s c a d ec 0 n t r o l ”，意为“级联控制 ，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3 0 4 0 年代。二十世纪7 0 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广泛的应用。 传统串级调速系统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。 传统串级调速技术因当时技术状况的限制而存在凋速范幽窄，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斩波 式串级调速技术大大改善了传统串级凋速系统的性能，已经可以完全满足工业生产 2 华北电力人学硕十学伉论文 的需要。 斩波式串级调速系统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山斩波器来完成。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 w m 调制脉宽) ，束改变串入 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 应用，斩波式串级调速系统亦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，斩波式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，能够有效控制电机启动电流，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。 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 3 1 。 虽然采用i g b t 斩波控制技术可以提高串级调速系统的功率因数，但是并没有 改变晶闸管逆变桥通过电网电压换流的本质，依然有相位滞后，还是需要从电网吸 收大量的无功功率，功率因数想再次提高很难【钔。 1 3 本课题研究的意义 风机、水泵是国民经济中量大面广的生产用设备，其耗电量占发电总量的4 0 以上。目前，大多数风机、水泵都采用阀门或档风板来调节流量以满足负荷变化的 要求，严重浪费电能，因此急需调速节能装置。在调速节能装置中，特别是在低电 压小容量电机系统中，变频调速装置得到了较为广泛的应用和认同，而在高压大容 量调速系统中，变频调速器的成本很高，体积较大，在大容量电机应用上存在诸多 问题。目自订比较常见的是内反馈式和外反馈式斩波串级凋速系统，该系统是在传统 串级调速理论基础卜而发展研制的，并得到了广泛的应用。 但是，串级调速方案存在着一个突出的缺点，就是系统上力率因数较低。功率因 1 华北l 乜力人学硕十学位论文 数低就会产生下面的问题，在平均功率p 和供电电压u 定的情况下，由于 尸：讲c o s 9 ，所以c o s 妒越低，所需的供电电流就越大。这样，势必使输出线路上的 压降和损耗增加，影响供电质量和浪费能量。从交流电源的角度讲，如果输出电压 和电流均为额定值，那么功率因数越低，供给的有功功率就越小，无功功率相应的 越大。使供电设备的容量不能得到充分利用。 一般串级调速系统在高速运行时的功率因数为0 6 0 6 5 ，比正常接线时电机的 功率因数减小0 1 左右，在低速时系统功率因数更差，可降到0 4 o 5 ( 对调速范 围为2 ：1 的系统) 【6 1 。现代应用的斩波式串级调速系统在高速运行时，功率因数 有所改善，但是运行在低速时，其功率因数还是较低。因此，从节约能源的角度来 说，需要研究斩波式串级调速系统的功率因数，并寻找方法来提高斩波式串级调速 系统的功率因数，改善其节电效率。 1 4 本文所作的工作 本课题主要进行了以下几方面工作： 1 对串级调速技术的发展现状作了深入的分析，介绍了传统串级调速系统的 原理，对传统串级调速系统的功率因数进行了分析，并用m 棚a b s l m u u n k 工 具箱搭建了传统串级调速系统的仿真模型，利用仿真模型对系统的功率进行了分 析。 2 介绍了斩波式串级调速系统的工作原理，推导了斩波式串级调速系统功率 因数的计算公式，并将计算结果与仿真结果进行了比较，证实了其可行性。 3 将斩波式串级调速系统的功率因数与传统串级调速系统的功率因数进行了 比较，并分析了斩波式串级调速系统功率因数比传统串级调速系统功率因数提高的 原因。 、 4 分析了转速对斩波式串级调速系统功率因数的影响。 5 分析了斩波式串级调速系统在不同逆变角下系统的功率因数的变化情况。 6 分析了调速范围对斩波式串级调速系统功率因数的影响。 7 分析了斩波式串级调速系统带不同性质负载时系统功率因数的变化情况。 8 针对斩波式串级调速系统在低速时系统功率因数低的缺点，对斩波式串级 调速系统进行了无功就地补偿。 4 华北电力人学硕+ 学位论文 第二章传统串级调速系统功率因数分析 2 1 传统串级调速系统的原理睁8 1 绕线式异步电动机转子回路串电阻调速是一种效率相对很低的调速方法，串联 在转子回路的电阻，如图2 1 所示，会在转子回路产生转差功率损耗，即吃= 5 厶， 并且转速越低，转差率就越大，即转差功率损耗就越大，而且转差功率完全消耗在 转子回路的电阻上，所以此时系统的效率就会很低。另外，传统的转子串电阻调速 是一种有级调速的方法，并且会使电机的机械特性变软。 图2 1 绕线式异步电机转子串电阻调速原理 串级调速的提出继承了传统异步电机转子串电阻的调速原理，但它很大程度上 利用了转差功率，使之不是消耗在转子回路电阻中，而是在回馈电网或以其他方式 加以利用，从而提高了效率。同样，在异步电动机的转子侧引入控制量，即在绕线 式异步电动机的转子回路中串入一个与转子回路频率相同、相数相同的交流附加电 势，如图2 2 所示。通过改变这个附加电势的幅值或相位来实现调速。这样，电动 机在低速运转时，转子中的转差功率s 匕只是小部分在转子绕组本身的r 2 上消耗掉， 而转差功率的大部分则被串入的附加电势历所吸收，再利用产生附加电势e 的装 置设法把所吸收的这部分转差功率回馈入电网( 或再送回电动机轴上输出) ，就能 使电动机在低速运转时具有较高的效率。 图2 2 绕线式异步电动机转了串电势调速原理 下面分析异步电动机串级调速系统是如何通过改变幺相位来调节电机转速的。 异步电动机处在自然机械特性上运转，就相当于图2 2 中岛= o 的状态，这时电动 机转速处在接近额定值稳定运转，假定电动机拖动恒转矩负载，则转子每相电流，： 华北电力人学硕十学位论文 为 ，；1 竺坠 ( 2 1 ) ，2 。+ ( 蹦2 ) 2 式中：o 电动机转子开路相电势； s 转差率； ，转子绕组每相电阻； z ，s 一1 时转子绕组每相漏抗； 由于定子电压恒定，所以气隙磁通保持不变，而电动机的电磁转矩为 丁t c 肼九，2 c o s 驴2 ( 2 - 2 ) 式中c 材转矩常数；九气隙主磁通；驴2 转子电流相位角 当电动机转子串入电势岛的相位与转子感应电势锺加的相位角差妒 9 0 。时， 电动机自额定转速值向下调速。因为附加电势或的串入，转子回路中的合成电势将 由原来的锺变为s 加一岛，从而引起转子电流j ：的变化，电磁转矩r 随之变化。 当相位角相差9 ；1 8 0 。时，转子电流，：的大小为 ，；璺生坠 ( 2 3 ) + 做2 ) 2 ，值的减小使电动机出现电磁转矩小于负载转矩值的状态，稳定运转条件被破 坏，迫使电动机降速。随着转速的降低，转差率s 增大，由式( 2 3 ) 可知，转子电 流的大小j ，回升，转矩丁亦相应增大，直到电动机转速降低至某值，j ：回升到使得 电动机的电磁转矩与负载阻转矩又相等时，减速过程结束，电动机就在此转速下稳 定运转，此即为电动机向低于同步速方向调速的原理。串入与话加相位相反的附加 电势e d 幅值愈大，电动机的稳定转速就愈低。同理可知，当电动机转子串以同相的 附加电动势e 。，可使电机的转速增大。所以，在绕线转子异步电动机的转子侧引入 一个可控的附加电动势时，就可对电机的转速进行调节。引入不同数值的附加电动 势，可使电机获得不同的稳定转速。这就是串级调速的基本思想。 但是实际上，由于电动机转子回路感应电动势e ，的频率随转差率而变化，所以 附加电动势的频率亦必须能跟随电机转速的变化。也就是说，串级调速方法就相当 于在转子侧加入可变频、变幅电压的调速方法，即电机定子在恒压恒频供电下的转 予变频调速方法，具体在工程上有多种实现方案。最常用的实际系统是把转子交流 电动势整流成直流电动势，然后与一直流附加电动势进行比较，控制直流附加电动 势的幅值，便可调节电机的转速。这种串级调速系统的t 电路图如图2 3 所示。图 6 华北电力人学硕十学位论文 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嗽整流， 输出直流电压u d 。三相有源逆变器除提供可调的直流电压u 占以作为调速所需的 附加直流电动势外，还可将经凇整流后输出的异步电机转差功率逆变成交流，并 同馈到电网。图中丁为逆变变压器，d 为平波电抗器。 图2 3 传统串级调速系统原理图 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 u d ；u8 + id r k l 。距2 d k 2 u 2 矗c o s 卢+ ，d 尺 ( 2 - 4 ) 式中k 。、k ，为獬与明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 k = k ，一2 3 4 u 口逆变器输出电压； u ：口逆变变压器的二次相电压； 晶闸管逆变角； 尺转子直流回路的电阻； s 转差率； e ：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。 当异步电动机拖动恒转矩负载在稳念运行时，可以近似认为，。为恒值。控制卢 使之增大，则逆变电压u 。( 相当于附加电动势) 立即减少，但因存在着机械惯性 电动机转速尚未变化，所以u 。仍维持原值。根据式( 2 4 ) 使转子直流回路电流，d 增 大，相应转子电流，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，d 减小，直伞u d 与【，占依式( 2 4 ) 取得新的平衡，电机进入新的稳定状念 7 华北电力人学硕 ：学位论文 以较高的转速运行。同理，减小卢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 速系统由于侈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 - 4 所示。 图2 4 串级调速系统的调速过程 2 2 传统串级调速系统的功率因数 传统串级调速系统最大的优点是充分利用转子侧的功率，因而具有很高的效 率，但其最大的缺点就是系统的功率因数低。 2 2 1 功率因数的定义1 在正弦电路中，电路的有功功率就是其平均功率，用p 表示，即 p ；三f ”“耐( 研) ；叫c 。s 伊 ( 2 5 ) 劢j o 、7 其中u 、，分别为电压、电流有效值，妒为电流滞后电压的相位差，定义视在 功率为 s = 明( 2 6 ) 无功功牢为 华j 匕电力人学硕十学位论文 q = 们s i n 妒 ( 2 - 7 ) 功率因数为 a = p s = c o s 妒 ( 2 8 ) 在非i f 弦电路中，有功功率、无功功率、视在功率和功率因数的定义同上。通 常电网中电压畸变很小，而电流的畸变可能很大，在不考虑电网电压畸变而只考虑 电流畸变的情况下，只有电流的基波分量与电压同频，这时的有功功率为 p = lc o s 红 ( 2 - 9 ) 其中，。为电流基波分量有效值，仍为电流基波分量落后电压的相位差。功率因 数为 a = ；一兰! l 萨一争c 。s 妒。 c2 - 1 0 ) = 一i 一= 一c u s 阢 二上u ， su il 一 定义电流的基波因数为 ，；卫( 2 1 1 ) ， j 电流的位移因数为 则功率因数可以表示为 f c o s 吼 ( 2 - 1 2 ) a 一 ( 2 1 3 ) 故对于非正弦电路，系统的功率因数不仅与电压电流相位差有关，而且与电流 畸变程度有关。本文在研究串级调速系统功率因数时，没有考虑电流的畸变因素。 2 2 2 传统串级调速系统功率因数分析 传统串级调速系统的主要缺点是整个调速装置的总功率因数低。高速运行时总 功率因数为o 6 0 6 5 ；低速时总功率因数更低。下面分析传统串级调速系统功率因 数的确定方法和功率因数低的原因。 1 传统串级调速系统电流向量图1 1 7 l 功率因数就是有功功率p 和视在功率s 之比。对电压和电流均为正弦波的装置， 功率因数也就是电压与电流相位差的余弦。 在传统串级调速系统中，由电网吸收的电压为f 弦波，但是因为转子凹路接有 9 华北电力人学硕十学何论文 整流器和有源逆变器，使转子电流和逆变变压器二次侧电流波形发生畸变，导致定 子电流也为非f 弦波，这样只能用求傅旱叶级数的方法，将电流分为基波分量和谐 波分量，取其基波分量，画出异步电动机串级调速装置电流相量图，再根掘相量图 确定其功率凶数。 昵 o q ， 一d 爪7 一 坼 图2 - 5 串级调速系统电流相量图 假设负载转矩是恒定的，所以当转速变化时，可以认为异步电动机的定子电流 ，“基本不变，其相位滞后于定子电压u p 一个吼角( 电动机的功率因数角) 。从电网 输入的总电流l 等于定子电流l 和逆变变压器原边电流，r 的向量和。 在调速时，改变矽角的大小，即改变了，r 的相位，其端点轨迹在弧a b 上。由 于，r 相位的改变，改变了总电流l 的相位，( l 相量端点轨迹在弧c d 上) ，从而改 变了串级调速系统的功率因数，各电流间的相位关系如图2 5 所示。从图上看出， 即使p 。9 0 。，逆变电压为零时，串级调速系统的功率因数也低于电动机的功率因数。 而且转速越低，系统的功率因数c o s 认越低。 2 传统串级调速系统的功率因数 功率因数低是传统串级调速系统的主要缺点，也是被人们关注的问题。下面分 析传统串级调速系统功率因数低的原因。 ( 1 ) 逆变器从电网吸收滞后的无功电流，即吸收无功功率。 从图2 6 所示的串级调速系统功率流向可知，当逆变变压器和电动机接在同一 l o 华北电力人学硕十学位论文 个电网上时，串级调速系统从电网吸收的总有功功率为p = 只一只； q = q 。+ q ，由此串级调速系统的总功率因数c o s 致为 c o s 织2 志2 丽褊 而总无功功率 ( 2 1 4 ) 而电动机自然接线的功率因数c o s 妒为 c o 叩2 赢 心。1 5 d 对比式( 2 1 4 ) 和式( 2 1 5 ) 可见，由于有功功率减少，而无功功率增加，所 以传统串级调速系统的总功率因数降低很多，而且转速越低c o s 织也越低。 图2 6 串级调速系统功率传递简图 ( 2 ) 传统串级调速系统中电动机本身的功率因数低【1 3 1 。 串级调速系统中，转子整流电路存在严重的换流重叠现象，使定子和转子电流 都不是正弦波。在不考虑重叠角时，转子电流是幅值为，d ，宽为1 2 0 。电度角的方波。 应用傅里叶级数对转子电流进行分解，可得到畸变后转子相电流表达式为 铲萼以咖溉r 临蚶辛帆”扣1 b 吣川1 6 ) 由式( 2 1 6 ) 可知，转子电流不存在偶次谐波和3 的倍数次谐波，只存在5 、7 、 1 1 等次谐波。由基波和各次谐波的有效值可求出转子电流的有效值为，：= 0 8 1 6 ，d ， 其中基波电流有效值，：( 1 ) = 0 7 8 ，d 。冈为只有基波分量与电爪同相位，j 产生有功功 率，所以，：f 1 ) 与转子电流有效值，：之比为电流的畸变系数，也称为电动机的利用系 1 l 华北电力人学硕十学位论文 数，其值为0 9 5 5 由此可知，在不考虑重叠角时，串级调速系统中，电动机的功率 因数c o s 妒d 为电动机自然接线时功率因数c o s 9 的0 9 5 5 倍，即c o s 妒d = o 9 5 5 c o s 妒， 一般可以认为此时c o s 妒d c o s 够。 当考虑换流重叠角的影响时，转子电流的基波分量要滞后于相应电压的角度 为2 ，则电动机的利用系数变为o 9 5 5 c o s ( 等) ，这样在串级调速系统中，电动机的 二 功率因数c o s 驴d 为 c o s 妒d o 9 5 5 c o s ( 等) c o s 妒 ( 2 1 7 ) 二 可以看出，在串级调速系统中，电动机本身的功率因数降低了。同时还可以看 出，在串级调速系统中，电动机的功率因数只与负载大小有关，在拖动恒转矩负载 时，不论逆变角如何变化，电动机的功率因数是不变的，即c 0 s 妒d 与转速无关。 ( 3 ) 在传统串级凋速系统中，电动机和逆变变压器的波形发生畸变，其电流 的高次谐波分量引起无功的畸变，也使串级调速系统的功率因数下降。 以上三个因素中，第一个因素是引起系统功率因数低的主要方面，因为随着转 速增大，逆变器吸收的无功急剧增大，由式( 2 1 4 ) 可知此时系统的功率因数将会 降低；第二个属于电机本身引起的，除变频调速外，其他类型的异步机调速系统也 是如此；第三个因数的影响相对较低，往往可以忽略【1 0 1 。 2 2 3 传统串级调速系统功率因数的仿真分析 利用m a t l a b s i m u l i n k 工具箱搭建的传统串级调速系统的仿真模型对系统 功率因数进行仿真研究，仿真参数如表2 1 所示。 表2 1 仿真参数 华北电力人学硕十学位论文 首先利用电力系统工具箱中的三相功率测量模块，分别测量系统的有功功率p 和无功功率q ，系统的功率因数可以通过定义束计算，即 兄：! ：兰( 2 1j ) s j p 2 + q 2 在m a t l a b s i m u l i n k 中，功率因数计算模块如图2 7 所示， t ow o 括p a c e 3 图2 7m a t l a b 功率因数测量模块 图2 8 逆变器功率冈数及有功无功功率变化情况 华北电力人学硕十学位论文 图2 8 为控制角口从1 6 0 0 递减到1 2 0 0 ( 即逆变角从2 0 0 递增到6 0 0 ) 电机转速 及逆变器的功率因数和有功功率、无功功率的变化情况，由图2 8 可见随着控制角 口的减小( 即逆变角增大) ，电机的转速增加，逆变器的功率因数降低，逆变器 吸收的无功功率随着转速的增大而增大。这是因为理想情况下，逆变器的功率因数 为c o s ，随着的增大，转速升高，但逆变角越大逆变器的功率因数会越小。因 此，逆变角的变化影响着电机转速的变化和逆变器功率因数的变化。 图2 9 为控制角口从1 6 0 0 递减到1 2 0 0 ( 即逆变角从2 0 0 递增到6 0 0 ) 电机和调 速装置整个系统的功率因数和有功功率、无功功率的变化情况，从图2 9 中可以看 出在低转速时系统所吸收的无功功率较少，系统的无功功率主要来自两大部分，一 是，电机激磁所需要的无功功率，另一个是逆变器吸收的无功功率，虽然低速阶段 系统吸收的无功功率减小了，但所吸收的有功功率也减小很多，因此，整个系统的 功率因数在低速阶段降低的很厉害。而在高速段，由于逆变器吸收的无功功率较大， 系统的功率因数要比电机工作在自然转速下要低。从图2 9 可见整个系统的功率因 数最大为o 6 1 ，这相比较于电机的额定功率因数o 8 8 要低得多。 图2 9 系统的功率冈数及有功、无功功率变化情况 1 4 华北电力人学硕十学位论文 2 3 本章小结 本章分析了传统串级调速系统的工作原理。传统串级凋速系统是通过改变控制 角口( 逆变角卢) 米调节电机转速的。串级调速系统可以回收转差功率，随着转速 的降低回馈的转差功率越多，串级调速系统具有较高转换的效率，能有效的节约能 源。但功率因数低是传统串级调速系统的一大缺点。本章也详述了传统串级调速系 统功率因数低的原因，并且通过仿真试验测得的在不同逆变角下其功率因数及有功 功率、无功功率变化的曲线图。通过仿真分析可以得出，传统串级调速系统的功率 因数低与逆变器的逆变角变大有很大关系。 1 5 华北【乜力人学硕十学位论文 第三章斩波式串级调速系统功率因数分析 3 1斩波式串级调速系统工作原理 由于传统串级调速是通过调整逆变器的逆变角( 移相触发) 来实现对等效电势 的调节。这种相移触发的方法存在着功率因数低及可靠性差等缺点。斩波式串级调 速系统是在传统串级调速系统理论基础上发展起来的，斩波式串级调速系统是把逆 变器的逆变角固定在最小值，它在转子直流回路中加入直流斩波器，通过调节斩波 器导通时间与斩波周期的比例( 即占空比) ，来改变串入转子回路等效电势的大小， 从而改变转子电流，达到调节电机转速的目的。这样逆变器的输出电流可以最小程 度滞后于相电压。斩波式串级调速系统原理图如图3 1 所示。 i 魄+ - i 口 图3 1 斩波式串级调速系统原理图 异步电动机转子输出电压接至三相桥式不可控整流器，通过l g b t 直流斩波器 与电源换相的三相桥式可控硅逆变器相连。逆变器是普通可控硅组成的桥式变流 器，为了提高功率因数，降低无功分量，把它控制在最大触发角，即最小逆变角卢响 处。设l g b t 斩波开关工作周期为丁，在f 的时间里，斩波开关闭合，转子直流被 短路而不流过逆变器，而在丁一r 的时间里，斩波开关断开转子电流被迫流入逆变器。 整流桥的输出电压为： 【，d = 2 3 4 s e 2 0 ( 3 - 1 ) 式中5 异步电机的转差率 e 加绕线转子异步电机在转子不动时的相电动势，或称转子丌路电动势， 它就是转子额定电压的相电压值 逆变器的输出电压为 1 6 华北电力人学硕十学位论文 【，f = 2 3 训7 _ 2c o s 卢。i n ( 3 2 ) 经斩波器输至整流桥的电压为三产【，j ，它应与整流桥输出电压相平衡，则有 卟竿u ， ( 3 - 3 ) 由电机理论可知转差率s 为： s 。鱼兰( 3 4 ) ，l o 其中以n 为电机的同步转速 由式( 3 1 ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) 可以得到转速公式如下： 。 1 _ ( 1 一；) 琶c o s 氏。】 5 ， 由上式可见，改变斩波器开关闭合时间f 的大小就可以改变电机转速厅的大小。 从而转子转速便可以在设计的最低转速和额定转速间平滑的变化，达到平滑无级调 速的目的。 上述斩波式串级调速系统除了实现平滑无级调速外，另一方面，当转速由额定 转速向下调整时，转子回路的感应电功率，又称转差功率会按一定规律变得数量较 大。该电功率被转化为直流电功率，经斩波电路将其贮存在斩波器电容中，同时又 经有源逆变器逆变为5 0 h z 工频电功率，经逆变变压器回馈电网节省下来，从而实 现高效节能的调速。 3 2 斩波式串级调速系统功率因数计算 斩波式串级调速调速系统与传统的串级调速系统相比虽然功率因数有所提高， 但是随着负载的变化和速度的调节，系统功率因数变化范围很大，并且在低速时其 功率因数仍然较低。因此，在选用斩波式串级调速系统时准确分析计算系统的功率 因数，对确定系统的品质或选择改进的手段都是十分必要的。 由斩波式串级调速系统原理图3 1 可以看出，电机定子绕组接于电网吸收电流 j 。，称为定子电路。绕线式转予绕组经三相桥式整流电路通过斩波器与晶闸管三相 桥式有源逆变电路连接，经逆变变压器接于电网，通过逆变电流，。将转子滑差能回 馈至屯网，此部分称为转子逆变电路。定、转子电路接了二同电网，又通过电机气 隙磁场感应祸合。系统从电网吸收的i 乜流，加山，月和，一合成。由此可见斩波式串级 华北电力人学硕十学位论文 调速系统功率因数应在分别计算定子电路和转子逆变电路后合成求得1 1 1 1 。 3 2 1 定子电路的计算 电机等效电路图及矢量图如图3 2 所示，其中u ，和u 。分别位定、转子相电压 的有效值；j v 月、。、应刎、庄。和t 、，。分别表示定、转子绕组的有效匝数、相绕 组电势和电流；、乙分别为定、转子绕组每相功率，己为轴上输出机械功率； x 。和r 是电机绕组短路阻抗；x 。和尺。是激磁电抗和铁耗电阻。 即 l ：i 珐， ( a ) 等效电路( b ) 矢量图 图3 2 电机等效电路及矢量图 由图3 - 2 ( b ) 电压的矢量图可以得出电源相电压u p 的精确值为 、 u ，= 【( j e ，“+ ，：。r ) 2 + ( ，：，x 。) 2 】1 7 2 ( 3 6 ) 式中l 。为定子侧感应的负载电流基波分量。 相电磁功率也可表示为 l 一，* 三等r 耐，：l = 2 0 9 4 ( 厂l p ) 丁 联解式( 3 6 ) 、( 3 7 ) 可得到定子负载电流，j 。与转矩的关系 ，( u ；地r 丁) 一扣丽矛丽 一2 z k 1 8 ( 3 - 7 ) ( 3 8 ) 华北电力人学硕十学何论文 式中，七为常数，足= 2 0 9 4 厂l p ；z 。为电机的短路阻抗，z 。= ( 尺；+ x ；) “2 。 电流j ：。滞后相电压的相位角驴：为 拍i n - 1 等 ” 电机的磁化电流，p 和铁耗电流，。分别是 p 笔 = 鼍 磁化电流，。滞后相电压9 0 。，铁耗电流，。与电压同相位，当电网电压不变时，p 、 ，。为常值。 为： 考虑电机激磁电流影响，定子电流基波分量l 。= ，：。+ j p + j 。故，_ 。及其相位吼 l ，一厄知可可丁丽5 丽 ( 3 - 1 1 ) 吼叫筹糟】 ( 3 1 2 ) 以上讨论的是瞬时换向的理想情况，实际电路中由于电机绕组漏抗使转子二极 管整流电路换向不能瞬时完成，产生换向重叠角) ，d 。绕组电流不再是理想矩形方波， 其基波分量将后移角，使功率因数降低。换向重叠角可表示为 护c o s 。1 ( 1 一警刳 式中，谜：为电机转子侧漏抗。 因换向引起负载电流基波分量，：。向后相移驴d 角。可以近似认为= 去y d 。换 向重叠角的存在对电流波形基波相位产生影响，但对电流的基波分量值，：影响很 小，可以不考虑。定子电流基波分量和功率因数角的计算式( 3 1 1 ) 和式( 3 1