（控制科学与工程专业论文）起重机交流串级调速系统仿真研究.pdf

独创性声明 渊啾 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，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 含为获得武汉理工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。 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位 论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认 可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会 公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：君建孚导师( 签名) ： 日期扪j 岁 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 我国普遍存在着能耗高，能源浪费严重的现象。对于起重机而言，采用高 效先进的调速手段正是行之有效的解决途径。对于异步电动机而言，常见的调 速有改变磁极对数的变极调速、变频调速、改变定子电压的交流调压调速、转 子回路串电阻调速和串级调速。 传统的串级调速是将普通的绕组型感应电机的转差功率从电机转子引出， 并通过变流系统的变换后，再经逆变变压器和高压操作柜送回电网。在串级调 速基础上，本文设计出双闭环斩波式串级调速系统，并进行了m a t l a b 仿真。 首先阐述了课题研究的背景和意义以及研究内容和工作。从调速和成本角 度出发，选择串级调速。 然后阐述了传统串级调速的原理、效率、功率因数、起动方式、基本类型 和串级调速装置的选择。重点介绍了串级调速的功率因数和效率问题。 其次阐述了斩波式串级调速的基本原理、基本方式和设计，同时针对本系 统的要求，设计了电流环和转速环的双闭环斩波式串级调速系统。为了更大程 度地提高系统功率因数，采用斩波式串级调速。根据系统的要求，斩波部分采 用s e p i c 斩波电路。为了提高静态调速特性以及获得较好的动态调速性能，采 用了双闭环斩波式串级调速。 再次介绍了m a t l a b 。利用计算功能强大的m a t l a b 仿真软件对双闭环斩 波式串级调速系统进行建模。对低速、中速和高速三种给定速度下系统进行了 仿真，并对仿真结果进行分析和说明。仿真结果从理论上验证了双闭环斩波式 串级调速系统的有效性和可行性，对双闭环斩波式串级调速进一步研究有一定 的指导意义。 最后，对本论文进行了总结和展望。 关键词：起重机，斩波，串级调速，仿真 a b s t r a c t t h e r ei st h ep h e n o m e n o no fh i g he n e r g yc o n s u m p t i o na n de n e r g yw a s t e di n c h i n a f o rt h ec r a n e h i g hs p e e db ym e a n so fa d v a n c e ds o l u t i o ni s e f f e c t i v e f o rt h e i n d u c t i o nm o t o r , t h es p e e dh a sc h a n g e dt h e c o m m o np o l e so ft h en u m b e ro f p o l e c h a n g i n gs p e e d ，f r e q u e n c yc o n t r o l ，c h a n g e t h es t a t o rv o l t a g eo ft h ea cv o l t a g e c o n t r o l ，r o t o rs p e e da n d t h ec i r c u i ts e r i e sr e s i s t a n c eo fc a s c a d ec o n t r o l 1 r a d i t i o n a lc a s c a d ec o n t r o li sc o m m o nw i n d i n g i n d u c t i o nm o t o rs l i pp o w e rl e a d s f r o mt h er o t o r , a n dt h et r a n s f o r m a t i o nt h r o u g ht h ec o n v e r t e rs y s t e m ，a n dt h e nb y t h e i n v e r t e rt r a n s f o r m e r sa n dh i g hv o l t a g eo p e r a t i o no fc a b i n e tb a c kt ot h e 卯d i n c a s c a d ec o n t r o l ，t h ep a p e rd e s i g no fad u a ll o o pc h o p p i n gc a s c a d es p e e dc o n t r o l s y s t e m ，a n dc o n d u c t e dm a t l a b s i m u l a t i o n f i r s t t h et h e f t cd e s c r i b e st h eb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo f t h er e s e a r c ha n dt h e i e s e a r c ha n dw o r k f r o mt h ep e r s p e c t i v eo fs p e e da n dc o s t ，s e l e c tt h ec a s c a d e c o n t r o l t h e nt h et h e t i cd e s c r i b e st h ep r i n c i p l e so ft r a d i t i o n a lc a s c a d ec o n t r o l ，e f f i c i e n c y , p o w e rf a c t o r , s t a r t i n gm o d e ，t h eb a s i ct y p ea n dc a s c a d es p e e dr e g u l a t i o ns y s t e mo f c h o i c e h i g h l i g h t st h ec a s c a d ec o n t r o lo ft h ep o w e r f a c t o ra n de f f i c i e n c y s e c o n dt h et h e t i cd e s c r i b e st h ec h o p p i n gc a s c a d eg o v e r n o r sb a s i cp r i n c i p l e s , b a s i ca p p r o a c ha n dd e s i g n ，w h i l et h er e q u i r e m e n t sf o rt h es y s t e m ，t h ed e s i g no f c u r r e n tl o o pa n ds p e e dl o o pd o u b l el o o pc 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 m t oa g r e a t e re x t e n ti m p r o v et h es y s t e mp o w e rf a c t o r , t h eu s eo fc h o p p i n g c a s c a d et r a n s f e r s p e e d a c c o r d i n gt os y s t e mr e q u i r e m e n t s ，c h o p p e rp a r t l ss c p l cc h o p p e r - t oi m p r o v e t h es p e e dc h a r a c t e r i s t i c so fs t a t i ca n dd y n a m i cs p e e dc o n t r o l t oo b t a i nb e t t e r p e r f o r m a n c e ，u s i n gad o u b l e - l o o pc a s c a d es p e e dc h o p p e r a g a i nt h e t h e t i ci n t r o d u c em a t l a b c o m p u t a t i o n a lp o w e r f u ld u a l - l o o p s i 枷【u l a t i o ns o f t w a r em a t l a bc 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 mm o d e l i n g l o w s p e e d m e d i u ms p e e da n dh i g h - s p e e dt h r e es p e e d 百v e i ls y s t e mi ss i m u l a t e d ，a n d t h ea n a l y s i sa n di n t e r p r e t a t i o no fs i m u l a t i o nr e s u l t s t h es i m u l a t i o nr e s u l t sv e r i f yt h e t h e o r yo fd o u b l el o o pc 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 me f f e c t i v e n e s sa n d f e a s i b i l i t yo fd o u b l e - l o o pc a s c a d es p e e dc h o p p e r h a ss o m ef u r t h e rg u i d a n c e f i n a l l y , t h et h e t i ch a sc a r r i e do nt h es u m m a r y a n dt h ef o r e c a s tt ot h ep r e s e n tt h e t i c k e yw o r d s ：c r a n e ，c h o p p e r , c a s c a d ed r i v e ，s i m u l a t i o n i l 武汉理工大学硕士学位论文 目录 第l 章绪论1 1 1 课题研究的背景与意义一1 1 2 课题研究内容和工作2 第2 章绕线式异步电动机的串级调速系统。3 2 1 串级调速的原理3 2 1 1 串电阻调速的原理3 2 1 2 串级调速的原理3 2 2 附加电动势的实现6 2 3 串级调速系统的技术经济指标6 2 3 1 串级调速系统的效率6 2 3 2 串级调速系统的功率因数8 2 3 3 串级调速装置的选择9 2 4 串级调速系统的起动方式1 1 2 4 1 间接起动1 l 2 4 2 直接起动1 2 2 5 串级调速系统的基本类型一1 3 第3 章斩波式串级调速系统的设计1 5 3 1 斩波式串级调速的基本原理及设计1 5 3 1 1 串级调速的基本方式1 5 3 1 2 斩波式串级调速的设计1 6 3 2 双闭环控制系统的设计1 9 3 2 1 电流环的设计2 0 3 2 2 转速环的设计2 2 第4 章斩波式串级调速系统的仿真及分析2 4 4 1m a t l a b 软件简介2 4 4 1 1m a t l a b 的介绍2 4 i i i 武汉理工大学硕士学位论文 4 1 2 系统仿真( s i m u l i n k ) 环境2 4 4 1 3s i m u l i n k 模块库简介一2 5 4 1 4s i m u l i n k 的仿真步骤2 6 4 2 系统的m a t l a b 仿真建模2 7 4 2 1 主电路的建模和参数设置2 9 4 2 2 控制电路的建模和参数设置3 8 4 2 3 系统的仿真参数设置4 0 4 3 仿真结果分析4 0 第5 章总结和展望5 0 5 1 总结5 0 5 2 展望5 0 致谢5 2 参考文献5 3 攻读硕士学位期间公开发表的论文5 6 i v 武汉理t 大学硕+ 学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景与意义 我国普遍存在着工业生产能耗高， 类是应用最广、耗电量大的生产机械， 费，节能是亟待解决的问题。 能源浪费严重的现象，其中风机、水泵 用阀门、档板调节流量造成电能严重浪 起重机械作为能源消耗的主体，也备受社会关注。由于起重机械负载变化 频繁、波动大，因此其发动机通常处于低速、低转矩等工作效率较低的区域， 使得燃料利用不充分，排放质量差。另外，起重机械在下放重物或制动时会产 生大量的再生能量，传统起重机械通常采用制动电阻将这部分能量以热能的形 式消耗掉，这不仅使得能量利用率降低，而且造成热污染。这些缺点与严格的 环境保护政策格格不入，这使得起重机械行业绿色节能产品的应用迫在眉睫。 目前，起重机多采用绕线式异步电动机。在异步电动机启动时，其启动性 能的基本要求是：具有足够大的启动转矩，以保证生产机械能够正常地启动； 在保证足够大的启动转矩的前提下，电动机的启动电流越小越好，以减少对电 网的冲击；启动设备力求结喉简单、运行可靠、操作方便。鼠笼型异步电动机 直接启动时，启动电流大，启动转矩不大；减压启动时，虽然减小了启动电流， 但启动转矩也随着电压的平方关系减小，因此鼠笼型电动机只能用于空载或轻 载启动。绕线式异步电动机启动时，转子电路串入适当的电阻，既能限制启动 电流，又能增大启动转矩，同时克服了笼型异步电动机启动电流大、启动转矩 不大的缺点，非常适用于中、大容量异步电动机重载启动。根据实际需要，起 重机往往采用绕线式异步电动机来满足启动转矩大，带重载启动等等。 对于绕线式异步电动机来说，采用高效先进的调速手段正是行之有效的解 决途径。传统的串级调速是将普通的绕组型感应电机的转差功率从电机转子引 出，并通过变流系统的变换后，再经逆变变压器和高压操作柜送回电刚1 1 。由于 逆变变压器是集中绕组，对谐波的抑制能力不如内反馈串级调速电机的调节绕 组( 其短距和分布作用对空间谐波有很强的抑制能力) ，因此其谐波污染大；由 于没有内补偿系统，功率因数低瞳1 。 传统串级调速存在功率因数低的问题，即使在高速时，系统的功率因数也 武汉理工大学硕士学位论文 仅为0 6 口1 。目前，转子斩波串级调速是其中最有效的方法之一，它可以更大程 度地提高系统功率因数。与传统串级调速相比，斩波式串级调速将逆变器的逆 变角固定在最小逆变角，调节斩波器的占空比，改变串入转子回路的等效反电 势，改变异步电动机的转子电流和转差率，从而达到调节异步电动机转速的目 的4 | 。 本文以起重机为研究对象，对绕线式异步电动机进行斩波式串级调速。其 目的和意义有：一拖多，降低系统成本。对多台电机调速时，可以共用一个 串级调速装置，调速的工作交给斩波器完成就可以了。控制逆变角为最小逆 变化角，提高功率因数，减小谐波。完善斩波器性能，使电机在电动和制动 过程中，增加功率因数，减小谐波。 1 2 课题研究内容和工作 根据本课题相关的背景和要求，对于绕线式异步电动机而言，本课题采用 斩波式串级调速方案。设计出交流双闭环斩波式串级调速系统主电路和控制电 路，并对系统进行m a t l a b 仿真。主要完成的研究内容和工作如下： ( 1 ) 分析传统串级调速的原理和特点，应用场合和转子斩波串级技术现状； ( 2 ) 根据实际需要和成本上的考虑，设计交流双闭环斩波式串级调速系统； ( 3 ) 系统的具体设计方案，包括系统主电路的设计，控制电路的设计； ( 4 ) 用m a t l a b s i m u l i n k 对所设计的系统进行仿真试验，包括主电路仿真 和系统仿真，优化控制性能。 2 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章绕线式异步电动机的串级调速系统 2 1 串级调速的原理 2 1 1 串电阻调速的原理 众所周知，绕线式异步电动机在转子回路中串接附加电阻可实现调速，其 原理如下： 从转子电流表达式： a f 厶= 1 兰丝一 ( 2 1 ) ( 耳+ 尺，) 2 + ( k ) 2 从上式可以看出，当转子回路中串入电阻尺，后，转子电流厶瞬时会降低， 电动机的电磁转矩z 随转子电流厶值的减小而相应降低，出现电磁转矩小于负 载转矩的状态，电动机稳定运行条件被破坏，电动机减速。随着电动机转速的 降低，s 值增大，转子电流回升，电磁转矩也会相应地回升，当电磁转矩与负载 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。此时转速已降 低，实现了电动机调速畸1 。 从上面可以看出，串电阻调速方法虽简单方便，但无论从调速的性能还是 从节能的角度来看，这种调速方法的性能都是低效和低劣的。串电阻调速的优 点是：转子串接的电阻还可以兼作起动电阻和制动电阻的作用。它多用于对调 速性能要求不高且断续工作状态下的生产机械，例如桥式起重机、通风机和轧 钢辅助机械等等。 2 1 2 串级调速的原理 与串电阻调速方法相比，串级调速完全克服了前者的缺点，并且还具有高 效率、无极平滑调速、较硬的低速机械特性等许多优点。 串级调速的原理如下：当电动机转子侧串入的附加电动势t 相位与转子感 应电动势蛾的相位相差1 8 0 。时，电动机在额定转速值以下调速，称为次同步调 速。 武汉理下大学硕士学位论文 异步电动机的电磁转矩z 可以由式( 2 2 ) 表示： 互= k 叫c o s 仍 ( 2 2 ) 式中，k 为异步电动机结构确定的转矩系数；c o s 仍为异步电动机转子功率因 数；正为折算到定子侧的转子相电流；为每极气隙磁通。 异步电动机转子功率因数c o s 伤可以用下式计算： t c 0 s 炉再高 弋) 式中，s 为转差率；巧为转子折算到定子侧的每相电阻；墨。为j = 1 的时候 转子折算到定子侧的每相漏抗。 n n sg l d 、， 钐 墨。，所以可以近似认为： 矗 c o s 仍= t 亏坚l ( 2 4 ) 搀2 + ( 砌2 电源频率z 、定子相电压u 和每极气隙磁通之间的关系可用式( 2 5 ) 表 示： u e l = 4 4 4 f n l k l 由 ( 2 5 ) 式中，巨为定子相电动势；i 为定子每相绕相的匝数；k 为定子的绕组系 数。 从式( 2 5 ) 可以看出：当电源频率z 、定子相电压u 不变时，每极气隙磁 通基本不变。 当电机稳定运行时有： z = 五 ( 2 6 ) 式中，z 为负载转矩。 折算到定子侧的转子相电流e 与电动机的转子相电流，成正比，即： 芘厶 ( 2 7 ) 从以上的分析可以得出以下的结论：当电源的频率彳、定子相电压u 以及 负载转矩正都不变的情况下，电动机的转子相电流厶近似为常数，即： 4 武汉理工大学硕士学位论文 厶= 盟一 巨。 历丽一万霖 常数 ( 2 8 ) 式中，鹕。为转子旋转的时候转子绕组每相的漏抗，置。为s = 1 的时候转子 绕组每相的漏抗，e 。为转子开路时相电动势。 此时，如果在转子电路中引入一个附加电势乞甜，它的频率和转子相电动势 幔。的频率相同，而相位相同或者相反，那么转子相电流将取决于电路中电势的 代数和，即为： f e 撕d 扣持2 赢s 嫦数 ( 2 _ 9 ) 考虑到电动机在正常运行的时候，s 都很小，所以眨 鸡。，啦。可以忽略， 则式( 2 - 9 ) 可以变为： 哆o 常数 ( 2 1 0 ) 因为巨= 耳。，耳。为折算到定子侧的转子开路相电动势，而e 。和最。成正 比。因为u 巨，所以当电源相电压u 不变化时，巨。是常数。 由于最。是取决于电动机参数的一个常数，所以改变附加电势疋甜就可以改 变转差率s 。由于电源频率石不变，则同步转速啊不变( ：竺盟，p 为电机极 p 对数) ，因而改变附加电势乞耐就可以改变电动机的转速，从而实现串级调速。 具体来说可以分成下面两种情况： 1 ) 当附加电势相位与转子相电动势马。的相位相反时，此时式( 2 1 0 ) 取负号，即： 吗。一常数 ( 2 1 1 ) 当附加电动势e 甜增加时，转差率s 也将随之增加，电动机转速降低。反之， 当附加电动势e 村减小时，s 也将减小，从而使电动机转速上升。当e 榭= 0 时， 电动机转速为最高，即为固有机械特性所确定的转速。由此可见，此时如果巨柑 在数值上从零逐渐增加，那么电动机转速也将从固有特性所对应的速度逐渐下 降，即得到低于同步转速n 的速度，故称为同步转速以下的调速方法。 2 ) 当附加电势瓦村相位与转子相电动势巨。的相位相同时，此时式( 2 1 0 ) 取正号，即： 5 武汉理- t 大学硕士学位论文 墨易o + 五乙常数 ( 2 1 2 ) 当附加电动势增加时，转差率s 将随之减小，电动机转速上升。当 增加到某一个数值时，s 将等于零，即电动机的转速达到同步转速惕。如果e a 甜 再增加，s 便开始变为负数，因为，l = ( 1 - s ) n , ，所以此时电动机的转速刀将超过 同步转速，故称为同步转速以上的调速方法。 2 2 附加电动势的实现 产生附加电动势e 棚的装置是串级调速的中心环节，因为异步电动机转子中 感应电动势e 的频率是随着电动机转速变化而变化的。这就要求附加电动势 e 棚的频率随着感应电动势e 的频率变化而变化的。 因此，对于附加的电动势e 榭而言，既要求其电压可变，又要求其频率可调， 同时还要求其能够可逆地传递功率。为了达到这些要求，只要在转子侧引入变 频器才可实现。具体来说，在实际控制系统中，把转子交流电动势变换为直流 电动势后，与另外一个直流附加电动势进行比较，控制这个直流电动势，就可 达到调节电动机转速的目的。这样就把可变频率的交流问题转换为与频率无关 的直流问题，便于控制，使主电路和控制电路大为简化畸1 。 2 3 串级调速系统的技术经济指标 串级调速系统的技术经济指标主要包括效率、功率因数及调速方法所引起 的附加装置容量等。 2 3 1 串级调速系统的效率 系统的功率传递如图2 1 所示。当异步电动机正常运行时，定子输入的有 功功率为片，减去定子的铜损功率最。和定子的铁损功率咒后传送到电动机转 子的功率为只，即为电磁功率。在转子中，电磁功率可以分成两个部分：一是机 械功率己棚，只耐= ( 1 一s ) 只；二是转差功率，只= 蛾。当转子回路短接或者 串电阻调速时，只将会全部消耗在转子回路中。当串级调速时，只并没有全部 消耗掉，在扣除转子的铜损、杂散的损耗只和附加串级调速装置的损耗 后通过转子整流器和逆变器返回到交流电网，实现有源逆变。被返回到电网的 功率称为回馈功率只。所以它的净有功功率应为最= 层一p ，。系统的功率流程 图见图2 2 所示。 6 武汉理工大学硕士学位论文 图2 一l 系统的功率传递 只。，+ 只。 己甜 图2 2 系统的功率流程图 串级调速系统总效率7 ( 下标s c h 是电气串级调速鼬啪f 淞系统的缩写) 是指电动机轴上的输出功率最与交流电网向串级调速系统提供的净有功功率圪 之比，可用式( 3 、2 - 1 3 ) 表示： r l c h2 每x 1 0 0 - 等等圳 ： 堡! ! 二兰! 二地 1 0 0 0 p m + p c 。+ p f e 、) 一t p s p c ，一p s p 弧) ： 墨! ! 二1 2 二幽x 1 0 0 x ( 2 1 3 ) ：- - = i - - 一：一i 1j p m q s 、) + p e 。+ pp c + p c ，+ p s 七p 鼬 ：翌型= 1 0 0 艺( 1 一j ) 一+ 艺p + p 啪 上式中罗p 为异步电动机转子和定子损耗的总功率。 7 武汉理工人学硕士学位论文 从上式可以看出，当转速降低时，如果电动机的负载转矩保持不变，p 和 都保持不变，式( 2 1 3 ) 中的巴( 卜s ) 项会随转差率s 的增大而减小，对总 效率来说影响不是很大。总效率基本i - $ 随s ( 即转速) 的变化而变化。 大容量串级调速系统总效率可以达到9 0 呲a _ l ：，有明显的节能效果。 当电动机采用转子回路串电阻调速时，调速系统的效率是： 2 鲁t o o 2 丽p 百m ( 1 - 丽s ) - p m e c h 川。( 2 - 1 4 ) 其中，只( 1 - s ) 项随着s 的变化和串级调速时一样，但所串电阻越大时越 大，p 也越大，效率越低，几乎随转速的降低而成比例地减小。因而，串 电阻调速时，系统的效率要比串级调速系统差得多，转速越低，效率越低。 2 3 2 串级调速系统的功率因数 有功功率与视在功率之比称为功率因数。串级调速系统的异步电动机、不 可控整流器和逆变器等三个部分都会影响它的功率因数。异步电动机的负载减 轻会导致它的功率因数下降，同时无功功率会因转子整流器换相重叠和强迫延 迟而增加，所以电动机的功率因数会比转子回路短接时降低大约1 0 。 此外，由于逆变器相控作用，电动机的电流和电压不同相要消耗无功功率。 所以在串级调速系统中，电动机吸收的有功功率与逆变器回馈至交流电网的有 功功率之差就是总有功功率，然而总无功功率却是电动机吸收的无功功率与逆 变器吸收的无功功率之和，电动机低速时随着回馈功率p ，增加，功率因数还要 降低。串级调速系统总功率因数可用式( 2 1 5 ) 表示： p r n ” c o s 2 詈2 丽雨1 丽- - r f 1 趵 式中s 为系统总的视在功率； q 为电动机从交流电网吸收的无功功率； q ，为逆变变压器从交流电网吸收的无功功率。 在高速运行时，串级调速系统的功率因数一般为0 6 - - 0 6 5 ，比转子回路短 接时电动机的功率因数减少大约0 1 ；在在低速运行时，串级调速系统的功率因 数一般为0 4 0 5 。 当串级调速系统工作时，转子整流器存在较大的换相重叠角y ，所以转子电 武汉理工大学硕士学位论文 流波形呈梯形波，同时与其电压波形相比较，转子基波电流滞后y 2 。负载较大 会引起转子整流器强迫延迟导通，这样整流器就会从交流电网吸收换相无功功 率，这进一步导致串级调速时电动机的功率因数降低。 由于串级调速系统功率因数变差，因此大容量的串级调速系统都需要采取 改善电网功率因数的措施，改善串级调速系统功率因数的措施有以下几种方法： 1 ) 采用接入电力电容器的补偿方法。其原理是利用电容器产生相位超前的 电流来进行电流相位补偿。这种方法简单易行，用得较多。电容器容量的大小 可根据需要补偿的无功功率的大小来确定。这种方法的缺点是电容器对电网谐 波敏感，容易发热。由于电动机是感性负载，有时还会出现自激振荡现象，对 电网产生不利影响。为此，要从串级调速系统本身来寻找解决功率因数低的办 法。接入电容器的方式有三种：接在进线电网位置；接在逆变变压器的一 次侧；接在逆变变压器的二次侧。 接入电容器后，就可以改善串级调速装置功率因数，但在异步电动机和电 容器之间会引起使电动机端子电压升高的自激现象陋1 。 2 ) 采用强迫换相的电源侧逆变器。其原理是产生超前无功功率。利用g t o 、 g t r 、i g b t 等全控型器件构成逆变线路，可产生反向延迟角并提高开关的频率， 实现p w m 控制，从而为改善串级调速系统的功率因数提供了更加广阔的空间。 3 ) 采用斩波控制的功率变换单元。在转子整流器和逆变器之间并联一个直 流斩波器。斩波器工作在开关状态，当它接通时，转子整流器电路被短接，电 动机工作在转子短接状态；当它断开时，电动机工作在串级状态。一方面，将 逆变器的逆变角保持在最小值不变，以减少从电网吸收的无功功率；另一方面， 通过改变斩波器的占空比( 即改变逆变电压) 来调节电动机的转速。这种方法 不但提高了功率因数，减小了逆变器的容量，而且结构也简单可靠，是一种较 好的调速方案m 1 。 对于宽调速的串级调速系统而言，随着转差率的不断增大，串级调速系统 的功率因数还要下降，这是决定串级调速能否被推广应用的关键问题。目前人 们研究了多种改善功率因数的方法，比较常用的方法是增加静止无功补偿装置。 2 - 3 3 串级调速装置的选择 除异步电动机外，为实现串级调速而额外附加的功率部件，包括转子整流 器、逆变器和逆变变压器等，这些装置称为串级调速装置口1 。 串级调速装置的选择包括串级调速装置的电压、容量的选择和开环装置还 9 武汉理工大学硕士学位论文 是闭环装置的选择。串级调速装置的选择标准是，根据生产工艺对串级调速系 统提出的技术性能指标要求和绕线式异步电动机的技术数据。 1 ) 选择串级调速装置的电压和容量 从经济角度出发，为了提高系统的性价比，必须正确合理地选择串级调速 装置的电压和容量。 转子整流器的电压和容量选择由其电流和电压的定额决定，逆变器的电压 和容量选择也一样。电动机转子的额定电流“和所拖动的负载决定电流定额； 电动机转子的额定相电压( 即转子开路电动势) 巨。和系统的调速范围d 决定电 压定额。 在串级调速的电动机运行时，异步电动机的最高转速等于同步转速编，有 d ：旦( 2 1 6 ) n m i “ 上式中刀。；。为串级调速系统的最低转速，它对应着最大理想空载转差率 s 一，于是可以得出： n m i 。= n l ( 1 一s 。) 所以， s 一= 1 一石1 ( 2 - 1 7 ) ( 2 1 8 ) 由此可见，当调速范围d 越大，最大理想空载转差率s 一也就越大，那么转 子整流器与逆变器选择的最大电压也就越耐3 7 1 。 在直流电动机的调速系统中，整流变压器二次电压只要能满足电动机额定 电压的要求即可。但在串级调速系统中，逆变变压器容量与系统的调速范围无 关，而与电动机的额定电压和额定电流有关。逆变变压器的设置有两个原因： 其一是能取得与转子相匹配的逆变电压，其二是能把逆变器与电网相隔离，抑 制交流电网的谐波对系统的影响3 。 逆变变压器的二次侧相电压以，和异步电动机转子电压之间的关系为： u ，： (219)t s m a x e r o 。c o s 氏n 通常选择几。= 3 0 0 ，则 2 = 导争l 1 5 s e , 。 ( 2 2 0 ) u u 5 n 根据式( 2 - 1 8 ) 得： 1 坼2 。1 1 5 巨。( 1 一吉) ( 2 - 2 1 ) l o 武汉理工大学硕士学位论文 根据式( 2 2 1 ) 可以得出，坼，与转子的开路电动势成正比关系。如果不 用逆变变压器，那么坼：是交流电网电压，就很难保证j 一和风。= 3 0 0 同时成立。 逆变变压器的容量为： w t 3 u r 2 2 ( 2 2 2 ) 根据式( 2 - 2 1 ) ，可以得出 1 孵= 3 4 5 e r o i t 2 ( 1 一亡) ( 2 2 3 ) 从式( 2 - 2 3 ) 可以看出，逆变变压器的容量孵和串级调速装置的容量随着 系统调速范围的增大而增大阳1 。随着串级调速系统调速范围的不断增大，通过串 级调速装置回馈到交流电网的转差功率也随之增大，这样就要求有大容量的串 级调速装置来传递和变换这些转差功率。所以，串级调速系统通常被应用于 调速范围不大( 例如d = 1 5 2 0 ) 的系统，而很少应用于从0 到额定转速整个 范围调速的系统乜制。 2 ) 选择开环装置或者闭环装置 对于技术性能指标有较高要求的生产机械设备，例如轧钢辅助机械和矿井 提升机等，应该选择转速和电流组成的双闭环串级调速装置。原因有两个方面： 一方面，双闭坏串级调速系统具有较硬的机械特性；另一方面，双闭环串级调 速系统动态响应速度快，抗干扰性好，容易实现过流保护n 引。 对于技术性能指标要求不高的生产机械设备，例如只要求有一定的调速范 围，而无其他静态和动态性能指标的风机和泵类生产机械，为了它们简单可靠 地运行，往往选择开环控制的串级调速装置乜引。 当然，如果对调速范围和静差率都有一定的要求，同时也要求动态加减速 时电流的冲击小，此时可选择具有电压反馈及电流负反馈的串级调速装置n 。 2 4 串级调速系统的起动方式 根据串级调速系统起动方式的不同，分为间接起动和直接起动两种方式n2 j 。 2 4 1 间接起动 间接起动方式是先将电动机转子接入电阻或者频敏变阻器，待转速升高到 串级调速系统设计的最低转速时，投入串级调速，并切除起动设备n 8 i 。 武汉理工大学硕士学位论文 大部分采用串级调速的设备是不需要从零到额定转速作全范围调速的，其 调速范围本来就不大，串级调速装置的容量可以选择比电动机小得多。为了使 串级调速装置不受过电压损坏，需采用间接起动方式n 3 。 图2 3 所示是间接起动控制原理图。间接起动按以下的顺序操作：首先合 上装置电源总开关s ，使逆变器在凤i 。下等待工作。然后依次接通接触器k ， 接入起动电阻r ，再接通k ，使电动机定子回路与交流电网接通，它就以串电 阻的方式起动。等到电动机的转速达到所设计的n ( s 。，) 时接通墨，使电动机m i n 转子接到串级调速装置，同时要断开开关k ，切断起动电阻尺，电动机就以串 级调速的方式继续升高到所需要的转速运行。在转速还没有达到设计最低转速 时，不要把电动机转子回路和串级调速装置接通，否则会造成转子电压超过整 流器件的电压定额而使其损坏，所以转速检测或起动时间计算必须准确无误n 利。 停车时，由于没有制动作用，应先接通k ，然后断开墨，使电动机转子回路与 串级调速装置脱离，再断开k ，这样做是为了防止在k 断开后，转子侧产生断 闸高电压，造成对系统的整流器和与逆变器的损坏啪1 。 2 4 2 直接起动 图2 - 3 间接起动控制原理图 7 7 直接起动又称串级调速方式起动，用于可在全范围调速的串级调速系统。 直接起动方式的原理是：利用串级调速装置本身直接起动电动机，不再另外接 起动设备的起动方式u 引。 在直接起动时，逆变器应先接通交流电网，电动机后接通交流电网，然后 使电动机的定子与交流电网接通，此时转子呈开路状态，可防止因电动机起动 时的合闸过电压通过转子回路而损坏整流装置，最后使转子回路与整流器接通。 在图2 3 中，接触器的工作顺序为s k 一置，此时不需要起动电阻。当转 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 子回路接通时，由于转子整流电压小于逆变电压，直流回路无电流，电动机尚 不能起动。待发出给定信号后，随着的增大，逆变电压降低，产生直流电流， 电动机才逐渐加速，直至达到给定的转速1 i 。 2 5 串级调速系统的基本类型 串级调速系统可分为超同步串级调速系统和次同步串级调速系统口0 。超同 步串级调速系统的主电路和控制电路复杂，调速装置成本高。与超同步串级调 速系统相比，次同步串级调速系统则不一样n 引。 次同步串级调速系统是先将转子电动势蛾整流为直流电动势，再与串入的 直流附加电动势e ，叠加，通过改变直流附加电动势e ，的大小，达到低于同步转 速的调速运行。由于转子整流器是不可控的，故转差功率p 只能单方向从转子 流出，无法实现转差功率尸从转子流入，所以既不能实现高于同步转速的电动 运行，又不能实现低于同步转速的回馈制动运行n 7 1 。 采用附加直流电动势e ，的原因是因为在工程上，很难获得与转子感应电动 势蛾反相位同频率且频率随转子频率变化的交流变频电源的，所以在次同步串 级调速系统中采用整流器将转子电动势s 既整流为直流电动势，再与转子回路中 串入的附加直流电动势e ，进行比较。而可调直流附加电动势在工程上是比较容 易实现n 引。 按产生直流附加电动势的方式的不同，次同步串级调速系统可分为电气串 级调速系统和机械串级调速系统两种口。 1 电气串级调速系统 在晶闸管电气串级调速系统中，直流附加电动势是由晶闸管有源逆变器u i 产生的，改变逆变角就改变了逆变电动势，相当于改变了直流附加电动势，可实 现串级调速啪1 。在不考虑损耗的情况下，这种调速系统电机轴输出机械功率为 昂= ( 1 - s ) p 2 ，角速度缈= ( 1 一s ) 哆，则电机输出转矩为： z ：一p m ： 生堕：墨：常数 ( 2 2 4 ) 缈 ( 1 一s ) c o ,q 从上式可以看出，电气串级调速系统具有恒转矩调速特性乜2 j 。 2 机械串级调速系统 机械串级调速系统( 恒功率电动机型串级调速系统) 中，直流附加电动势 由直流电动机产生，通过改变直流电动机的励磁电流大小可改变电枢感应电动 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 势，相当于改变直流附加电动势的值，实现串级调速。在不考虑损耗的情况下， 这种调速系统轴输出机械功率为： ( 1 一s ) 只+ 只= 只= 常数 ( 2 2 5 ) 从上式可以看出，机械串级调速系统具有恒功率调速特性。 在次同步串级调速系统中，晶闸管串级调速系统由于具有效率高、技术成 熟和成本低等优点，所以应用广泛。机械串级调速系统由于调速范围越大时， 所需直流电动机容量也越大。所以，只适用于大容量、调速范围小的恒功率生 产机械引。 本章小结 本章主要介绍了串级调速的原理、 率、功率因数、串级调速装置的选择、 统的基本类型。 附加电动势的实现、串级调速系统的效 串级调速系统的起动方式和串级调速系 1 4 武汉理工大学硕+ 学位论文 第3 章斩波式串级调速系统的设计 3 1 斩波式串级调速的基本原理及设计 3 1 1 串级调速的基本方式 目前，针对普通串级调速系统无功损耗大的缺点，为了提高串级调速系统 的功率因数，国内外许多专家和学者提出了多种方案。可以将它们分为如下几 种基本方式m 1 ： 1 ) 三相四线制双晶闸管串级调速 三相四线制双晶闸管串级调速的原理图如图3 - 1 所示。工作原理是：在异 步电动机转子回路串入4 线式变流器，辅助的晶闸管就为无功功率提供了通路， 从而提高了系统的功率因数。它的控制方法是：控制主晶闸管和辅助晶闸管轮 流导通，这样逆变器的直流侧电压就在相电压和线电压之间来回跳变，就可以 提高功率因数h 。 图3 1 三相四线制双晶闸管串级调速的原理图 2 ) 新型g t o 串级调速 新型g t o 串级调速的工作原理是：在逆变器的直流侧并联一个门极可关断 晶闸管( g t o ) ，利用p w m 来控制g t o 的导通和关断，就可以改变直流回路的 逆变电压，达到调节电动机转速的目的。在新型g t o 串级调速中，p w m 的控 制方式可分为将逆变器的逆变角固定在正角和负角两种方式，这两种方式都 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 可以提高装置功率因数。新型g t o 串级调速的原理图如图3 - 2 所示。 abc 图3 - 9 新型g t o 串级调速的原理图 3 ) 三相四线制双i g b t 串级调速 三相四线制双i g b t 串级调速的工作原理是：在逆变器的直流侧并联两个绝 缘栅双极晶体管( i g b t ) ，它们的中点和逆变变压器中性点相连。按照某种控制 方式，将逆变器的逆变角固定在一个较小的角度，一般取= 尾；。= 3 0 0 。控制 晶闸管和2 个i g b t 的导通和关断时间，改变逆变器的逆变电压，就可以实现电 动机的调速，提高系统的功率因数四1 。它的原理图如图3 3 所示。 图3 - 3 三相四线制双i g b t 串级调速的