（电力电子与电力传动专业论文）大功率异步机转子变频调速系统及其控制策略研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , ar o t o r - s i d ev a r i a b l ef r e q u e n c yd r i v ei sp r o p o s e d , i tc a l lb eu s e d t or e g u l a t et h er o t a t i n gv e l o c i t yo fh i g i ip o w e rf a na n dp u m p s i m u l a t i o n sa n d e x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h i sm e t h o di sf e a t u r e db ys i m p l em a i nc i r c u i t , r e a c t o r - l e s s ， l l i g hp o w e rf a c t o r ，l o wh a r m o n i c s ，e a s yt os t a r ta n db y - p 嬲so p e r a t i o n i fi ti sa p p l i e d t oe n e r g y - s a v i n g ，l a r g eb e n e f t t sc a l lb ea c h i e v e d t i l i sp a p e ri n c l u d e s ： 口w i t hs t u d y i n ga l lk i n d so ft h ec a s c a d es p e e da d j u s t m e n ts y s t e m s ，w ep m p o s e da r o t o r _ s i d ev a r i a b l ef r e q u e n c yd r i v ew i t hi g b tc h o p p e ra n dv e c t o rc o n t r o l i g b tv o l t a g es o u r c ei n v e r t e rf v s l ) m a i nc i r c u i ta n d o p e r a t i o nt h e o r yi si n d u c e d uw e p r o p o s e dan e wp e a kc u r r e n tt w o p o i n tc o n t r o lm p c t c ) ，w h i c hc a ns o l v e e f f e c t i v e l y t h ep r o b l e mo fn o n l i n e a r s t a b i l i t y i nt h ec o n v e n t i o n a lc u r r e n t t w o - p o i n tc o n t r 0 1 t h i sm e t h o dw a sa p p l i e dt ot h eb o t hs p e e da n dc u r r e n t c l o s e d l o o pc o n t r o li nr o t o r - s i d ev a r i a b l ef r e q u e n c yd r i v e l | 1 1 1 ep o w e rf a c t o ra n dh a r m o n i c si nr o t o r - s i d ev a r i a b l ef r e q u e n c yd r i v es y s t e mi s a n a l y z e di nd e t a i l s t h el o wh a r m o n i c si ss o l v e du s i n ga c t i v ef i l t e rb a s e do nt h e i n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e rt h e o r y 1 1 l es c h e m ew a sv e r i f i e du s i n ge x t e n s i v e s i m u l a t i o n s n er e s u l t ss h o wt h es y s t e mp e r f o r m a n c ei si m p r o v e de f f i c i e m l y l jb a s e d o n t h e d e t a i l e ds t u d yo f 3 一p h a s ep o w e r f a c t o rc o r r e c t i o n ( p f c ) a n e w 3 - - p h a s e p f c t o p o l o g yw i t i lo n e - c y c l ec o n t r o li si n t r o d u c e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a tu n i t yp o w e rf a c t o rc a l lb er e a l i z e d i fa p p l i e dt ot h er o t o r - s i d ev a r i a b l ef r e q u e n c y d r i v es y s t e m , t h el i n e - s i d el o wh a r m o n i c sc a l lb er e d u c e d a n dp o w e rf a c t o rc a l lb ei n c r e a s e d k e y w o r d s ：h i g hv o l t a g ed r i v e ，r o t o r - s i d ev a r i a b l ef r e q u e n c yd r i v e an e wp e a kc u r r e n t t w o - p o i n tc o n t r o l ，a c t i v ef i l t e r ，3 - p h a s ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ( p f c ) 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，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，也不包含为获得鑫鲞盘茎或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我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： 王春意签字日期： 伽r 年月端日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：上春童， 签字日期：p r 年月瑶日 导师签名： 写扣乏。 签字日期： o f m 多月勿日 第一章绪论 1 1 交流电机调速的发展 第一章绪论 在2 0 世纪的大部分年代里，由于直流传动具有优越的调速性能，调速传动 都采用直流电动机，但是鉴于交流电机本身结构简单、成本低廉、工作可靠、效 率高，在总容量上始终占据着统治地位。直到2 0 世纪7 0 年代以后，随着电力电 子技术，特别是电力电子器件的发展，微电子技术，以及矢量控制、直接转矩控 制等相关技术的飞速发展，使得交流调速系统逐渐成为市场的主流， 现代交流电机调速仍然处于快速发展期，这主要依赖于各种相关技术的蓬 勃发展，为交流电机调速注入了强大的生命力，主要包括： 1 1 1 电力电子器件是现代交流调速的物质基础 交流电机调速的历史也是电力电子器件发展的历史，两者往往既相互促进 又相互制约，但电力电子器件的技术发展始终是交流电机调速最重要的物质基础 之_ _ 1 9 8 1 1 9 9 i 。 一般认为始于2 0 世纪5 0 年代的反向阻断型可控硅s c r ( 后称晶闸管) 标 志着电力电子技术的真正开始。一方面是由于其功率变换能力的突破，另一方面 实现了弱电对以晶闸管为核心的强电变换电路的控制，使电子技术步入功率领域 眇j 。在随后的数年里，先后派生出了一系列的晶闸管，大大促进了包括交流调 速在内的各种电力变换装置的应用，但也存在一系列的问题： 由于是半控器件，要关断这些器件需要复杂的强迫换相电路，使得体积 增大，线路复杂、可靠性降低； 开关速度比较低，大大限制了它的应用范围； 相控运行方式不但使电路功率因数低，还造成相当严重的谐波问题，对 电网产生“公害”。 由于市场的迫切需求，各种高速、全控型的器件先后问世，如电力晶体管 ( b j t ) 、可关断晶闸管( g 1 d ) 、功率场效应晶体管( m 0 s f e t ) 、绝缘栅双极 晶体管i g b t 、集成门极换流晶闸管( i g c t ) 、注入增强栅晶体管( i e g t ) 等。 这些新型器件相对于传统晶闸管普遍具备了开关频率高、全控等优点，已经广泛 应用于各种场合。例如i g b t 是集m o s f e t 的电压控制与双极型大功率晶体管 第一章绪论 的大电流、低导通电阻的特点与一体的新型器件，且具有输入阻抗高、开关速度 快、驱动电路简单、输出电流密度大、通态压降低、电压耐量高等突出优点。事 实上由于i g b t 的综合优良性能【l 1 ，已逐渐取代功率b j t ，成为中小功率逆变 器、变频器的主流器件，是最具发展前景的电力电子器件之一。 目前电力电子器件仍然不断向前发展，主要趋势有： 高频化：即提高器件的开关速度； 全控型：由半控器件到全控型器件是电力电子器件在功能上的一大突 破，避免了半控器件必须的强迫换相电路，使电路结构大大简化，并提 高换流可靠性； 集成化：将驱动、保护、检测、控制等功能与电力电子器件集成，使装 置简化，提高系统可靠性。例如近年来推出的智能功率模块( i p m ) 已 经被许多用户接受，除了具有上述功能外，还内含逻辑、传感、自诊断、 等功能。特别是在小功率应用场合，极具发展潜力； 大容量：即高电压、大电流，始终是限制电力电子器件应用领域的一个 瓶颈，因此也是重要的发展方向之一。 1 1 2 高性能微处理器的大量应用是发展方向之一 微处理器技术的飞速发展一直是推动交流电机调速应用的重要力量之一。 最初的交流电机控制系统采用分立元件的模拟电路，体积大、成本高、可 靠性差。当采用微处理器和相关计算机技术实现数字控制后，大大提高了系统的 可靠性，降低了成本，使得众多性能优良的控制方案得以实施。 早期的交流电机控制多采用单片机控制，但是由于其计算速度慢、精度低、 处理能力有限，特别是高速性能往往满足不了现场应用的实时性要求，因而目前 高性能的系统多采用数字信号处理器( d s p ) 作为控制器。 与单片机相比，d s p 器件具有更高的集成度、运算速度快、存储器容量大。 d s p 为精简指令系统，大部分指令在一个周期内完成，采用并行处理技术，一个 指令周期可以完成多条指令。它具有独立的程序和数据空问，程序总线和数据总 线分离，同时可以对程序和数据进行操作，其内置高速硬件乘法器，取址、译码、 操作采用多级流水线，因而d s p 器件具有强大的高速运算能力。 近年来包括t i 、m o t o r o l a 、a d 等国际知名公司都相继推出了电机控制 类专用d s p 芯片，t m s 2 4 0 x 系列、d s p 5 6 f 8 0 x 系列等。这类芯片都以d s p 处 理器为核心，片内集成了包括a d ，p w m 等接口电路，简化系统硬件结构，提 高了系统的可靠性。 2 第一章绪论 此外现场可编程门阵列( f p g a ) 近年来也越来越多地应用于交流电机控制 系统中。f p g a 集成了数以万计的等效门，可以实现复杂的逻辑运算，从而替代 多块集成电路和分立元件组成的电路。使用f p g a 可以方便地进行多次修改，大 大简化了设计硬件电路的周期，降低了设计成本和风险。 1 1 3 不断完善的交流调速控制理论 2 0 世纪7 0 年代德国西门子公司的f b l a s c h k e 等提出的“感应电机磁场定 向的控制原理”和美国p c c u s t m a n 和a a c l a r k 申请的专利“感应电机定子 电压的坐标变换控制”，标志着交流电机矢量控制理论的形成。其核心思想是通 过坐标变换的方式将交流电机模拟成直流电动机，分别控制励磁电流分量和转矩 电流分量，从而获得同直流电机控制同样优良的控制性能。目前，这种控制方式 已在实践中不断成熟，并占据了高性能交流调速的统治地位。 1 9 8 5 年，德国d e p e n b r o l k 提出了直接转矩控制方法1 7 ”。该方法将转子磁通 定向更换为定子磁通定向，对电机参数的变化不敏感：转矩和磁链都采用直接反 馈的双位式b a n g - b a n g 控制，从而避开了定子电流分解成转矩和励磁分量，省去 复杂的旋转坐标变换，简化了控制其结构。存在的问题主要是低速时转矩波动较 大，离产品化还有一些距离。 由于交流电动机的数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统， 仅仅依靠精确数学模型解决问题的传统控制理论有其局限性，因此近年来多种智 能控制理论被用于交流电机调速，并取得了一定的成效。包括： 1 模糊控制 模糊控制理论的基本概念最早由美国加利福尼亚大学的z a d e n 教授提出， 并于1 9 7 4 年英国的m a m d a n e e h 成功地将模糊控制应用于锅炉和蒸汽机的控 制【_ 7 2 】。从广义上讲，模糊控制是基于模糊推理，模仿人的思维方式，对难以建 立精确数学模型的对象实施的一种控制方法。由于其不依赖于受控系统的数学模 型，所以特别适合于非线性、强耦合、多变量的控制对象，在交流电机调速控制 中具有较强的优势，并且在与其它控制理论的结合方面有许多成功的应用。 2 神经网络控制 神经网络计算是将计算函数嵌入物理网络中，对计算过程的每一个基本操 作都存在与之对应的连接，在处理信息内容时，修改其自身的结构及其运行规则。 神经网络具备快速并行计算能力，对参数变化的影响小，容错能力强，处理非线 性系统模型有独特的优点。应用于交流调速时可以克服系统中非线性因数的影 响，提高系统性能，但目前的应用仍处于起步阶段。 3 其它智能控制 第一章绪论 包括滑模变结构控制、自适应控制、专家控制等j 在交流调速控制中都有 探索性的应用，但由于控制理论本身的复杂性等问题，一直没有得到较好的实现。 不过综合各种现代控制理论的优缺点，扬长避短，相互结合应用是有效的手段之 1 1 4 计算机辅助技术 现代计算机的功能日益强大，应用领域也越加广泛，同时也更专业。在电 力传动系统的辅助设计工具中，p r o t e l 、p s p i e e 、m a t h e m a t i e a 等软件已得到了广 泛的应用，充分利用这些工具，可以从容面对复杂的电路设计等难题。 在进行交流电机调速系统的设计前，对系统的控制方法进行仿真可以显著 缩短开发周期，降低开发费用，已成为一项重要的工作。这其中m a t l a b 仿真工 具最为常用，同时也是最有效的仿真手段之一。它除了传统的编程方式外，还提 供丰富可靠的矩阵运算、图形绘制、数据处理、图像处理等工具，并针对不同的 应用领域开发了相应的实用工具箱，如自动控制、图像处理、信号分析、系统建 模等。计算机辅助技术在今天的作用越来越重要。 1 2 课题研究背景及意义 我国是一个电力资源非常短缺的国家，节电作为一项重要的技术政策，对 国民经济的发展具有深远的影响。风机和水泵在国民经济各部门中应用的数量众 多，分布面极广，耗电量巨大。据有关部门2 0 0 0 年左右统计，全国风机、水泵 电动机装机总容量约3 5 0 0 0 m w ，耗电量约占全国电力消耗总量的4 0 以上，其 中绝大多数要求变负荷运行。而实际上，多数风机和水泵仅仅依靠调节风门或阀 门来改变流量，存在严重的节流损耗。 仅以火力发电厂为例，风机和水泵是其主要的耗电设备，由于这些设备长 期运行于低负荷或变负荷运行状态，其节能潜力极大。据统计，全国火力发电厂 八种风机和水泵( 送风机、引风机、一次风机、排粉风机、锅炉给水泵、循环水 泵、凝结水泵、灰浆泵) 的总容量占到全国火力发电量的5 8 ，这些电机是否 经济运行直接关系到企业的经营成本和经济效益。目前，我国大多数火电机组都 处于低效工作状态，主要因为： 1 由于历史的原因，早先设计的电机余量取的很大，有时高达3 0 以上， 造成严重的大马拉小车现象； 4 第一章绪论 2 电网负荷结构的变化造成峰谷差加大，其值一般达到电网最高负荷的 3 0 左右，而电网又缺少专门调峰用的机组( 如坝库式水电机组、抽水 蓄能机组等) ，所以调峰都要求火电机组来承担，不得不经常作变负荷 运行； 3 尽管目前电力持续紧张，各火力电厂都处于满负荷工作状态，但因为盲 目建设、经济周期等缘故，在可预见的未来几年内，电力将相对过剩， 不得不压低负荷运行。 在这种情况下，如果用高效可调速的电机驱动系统代替一般的定速驱动系 统，无疑可以节约大量的节流损耗。 现在许多中小功率( 0 9 5 ) ； d ) 电压型变频，中间直流储能元件是电容器，效率高； e ) 主电路结构简单，器件数少。 三电平变频器的问题【5 】： a ) 使用高压开关器件，输出波形d v d t 高，必须使用变频专用电机或 加接正弦波滤波器，体积大，增加损耗； b ) 输出电压达不到6 k v 或1 0k v 。s i e m e n s 公司用3 3 0 0 vi g b t 器件， 在器件不串条件下，最大输出电压2 3 0 0 v ，若每个开关为两器件串 联，最大输出电压4 1 6 0 v 。a b b 公司用4 5 0 0 vi g c t 器件，在不串 条件下输出3 0 0 0 v 。我国中山明阳电器公司用4 5 0 0 vi g c t 两串， 输出6 k v ，仍达不到1 0 k v 。 第二章大中功率交流电动机的调速传动 2 1 。2 电压型h 桥级联变频器 电压型h 桥级联变频器采用h 桥级联型逆变器，其作为多电平逆变器是出 现得最早的一种1 6 】。1 9 7 5 年p h a m m o n d 提出了多个h 桥采用隔离的直流电源作 输入，输出端串联的结构，并申请了美国专利【”。 h 桥级联多电平变频器主电路拓扑结构如图2 - 2 ( a ) 所示，每相由多个h 桥 低压功率单元串联而成，每个h 桥( 图2 2 b ) 输入为三相不控整流，接一组变压 器副边，输出为4 个1 7 0 0 v 低压i g b t 接成的单相桥。通过“波形连续变换方法”将 所有功率单元输出电压叠加在一起，得到频率和大小均可连续调节的输出电压。 这种拓扑结构的变频器输出电压的电平数为m = 2 s + l ，其中s 为每相分离直 流电源的个数。因此每相3 单元叠加就可产生出7 种输出电平( 3 ，2 ，l ，o ) 。 ( a ) 主电路 图2 - 2h 桥级联变频器 ( b ) h 桥( c e l l ) h 桥级联的特点： 乱使用低压i g b t ，h 桥级联，输出电压波形电平数多( 每h 桥三电平) ， 波形好，d v d t 小，可以工作在较低的开关频率下，具有较低的开关 损耗，降低了对开关器件的要求，使中等功率的开关器件可用于高 电压场合； b 较低的电磁辐射和输入电流谐波，可以满足高标准的e m i 指标，不 用专用电机或滤波器； c 级联数越多，输出电压越高，r o b i e o n 公司用5 6 个桥级联输出6 k v ，我国一些公司用9 l o 个串联，输出1 0k v ( 国外公司认为在 此容量范围内使用1 0k v 不合理，都不生产1 0k v 变频器) ： d 变压器副边多，通过移相2 0 。使网侧电流谐波小，功率因数高( o 9 5 ) ： e 具有相互独立的直流电源，无需考虑器件的均压问题； f 主电路结构是松散的串联形式，并且各功率单元具有相同的结构和 参数，易于实现模块化和冗余设计，即使在个别单元故障时也可通 1 2 第二章大中功率交流电动机的调速传动 过单元旁路功能将该单元短路，系统仍能正常或降额运行【3 1 ，是其它 多电平逆变器所不具有的特性； g 电压型变频，电容储能效率高。 h 桥级联的缺点： a 使用的功率单元和功率器件太多，6 k v 系统使用1 5 0 只功率器件( 9 0 只二极管，6 0 只i g b t ) ，体积大，重量大，安装不易，且线路复杂， 影响可靠性； b 若使用高压i g b t 或i c r c t 组成功率单元，减少单元数，则波形变差， 需要加装输出滤波器； c 变压器副边绕组数太多，制造接线复杂； d h 桥太多，提供制动转矩困难。现开发了谐波注入制动方法，制动 力矩仅1 0 左右，且制动能量消耗在电机中，导致发热增加。 美国罗宾康( r o b i c o n ) 公司生产的完美无谐波( p e r f e c th a r m o n y ) 变频器 属于h 桥级联变频器，具有低谐波的输出波形，无需外加滤波器即可满足供电部 门对谐波的严格要求，其输入功率因数可达0 9 5 以上。 2 1 3 电流型p w m 变频器 r o c k w e l l 公司生产的电流型p w m 变频器p o w e rf l e x7 0 0 0 系列，主电路示 于图2 3 。它的输入侧是1 8 脉动( 也可1 2 脉动) 晶闸管可控整流，通过移相控 制直流电流，输出侧是由直接串联的s g c t 串( s g c t - 一正反阻断电压一样的 i g c t ，称对称i g c t ) 组成的三柏桥，控制输出电流、频率和相位，输出电压 6 5 0 0 v 。 c j_k ， ! 3 毪 ；3；3 fji 】f】r3；j ；阳f 】 c f 蟹 ii ， l、 fj】 c p 一 fj2 ： !55 5 r ； l ， !；! r t 簟i j；j ， 2j 、 “ 图2 - 3 电流型p w m 变频器 第二章大中功率交流电动机的调速传动 电流型p w m 变频器的特点是： 乱直流储能元件是电感，不怕逆变桥直通( 桥直通是电压型逆变器的 问题) ；但电抗器体积，重量，损耗大，是低效储能元件； b 输入侧1 8 脉动整流，网侧谐波小； c 输出端接有电容，输出电压接近正弦，不需专用电机或加滤波，但 输出电容是1 0 0 0h z 的交流电容，体积大，价高； d 电流型逆变器实现制动能量回馈电网容易，不用另加环节。 电流型p w m 变频器的缺点是： a 电流型变频器输入端采用晶闸管可控整流器件整流，虽然便于实现 能量回馈和四象限运行，但移相控制导致功率因数降低，若采用双 p w m 型式，功率因数提高，但价格昂贵； b 比电压型价格高。 定子侧直接变频类调速装置的核心是6k v 或1 0k v 高压变频器，它的输 入侧经主电源变压器接高压电网，输出侧接高压电动机。该方案共有优点是：调 速范围宽，能在0 1 0 0 额定转速范围内平滑调节，调速性能好；可适用于各 种交流电机( 同步机、永磁机、鼠笼和绕线异步机等) ；电压型变频器网侧输入 功率因数高( o 9 5 ，异步机的无功不会通过交直一交变频器的中间直流环节 流到输入整流侧) ，效率高( o 9 5 含变频器和变压器) 。它们的不足是：电压高， 在2 0 0 2 0 0 0 k w 范围内电流小( 1 0 0 0 k w i o k v 电机额定电流仅6 0 a 左右) ， 需要用许多小电流器件( 器件电流己达2 0 0 0 3 0 0 0 a 或更大) 串联( 桥串或器 件串) ，线路复杂，可靠性受影响；为安全隔离及减小网侧谐波，输入侧需要一 台多副边移相变压器，体积重量大，接线复杂；由于电机定子全部功率流过变频 器，变频器及变压器的容量按1 0 0 功率选取，容量大，价贵。对于风机和泵这 类调速范围不宽，性能要求不高，经济性要求高的负载，直接变频的长处没得到 发挥，而短处却很明显1 1 。 变频调速电机多为笼型异步机，变频器接电机定予绕组，计及电机功率因 数和效率，变频器容量一般为电机功率1 2 0 。我国异步电机的价格约为1 2 0 1 6 0 元w ，变频调速专用电机价1 5 0 2 0 0 元依w 。2 0 0 k w 以下的低压( 3 8 0 v ) 变频器价为6 0 0 8 0 0 元w ，用户尚能勉强接受。按我国现行电机电压等级标 准，功率大于2 0 0 k w 后电压就增至6 k v 和1 0 k v ( 6 k v 还在淘汰中) ，没有中 间等级。电机电压高，电流小，给变频器出了个难题，电压高要求电力电子器件 串联数多，电流小造成器件电流能力得不到充分利用，使得变频器价格猛升至 1 4 第二章大中功率交流电动机的调速传动 1 0 0 0 2 0 0 0 元k w ，很难接受。以1 0 k v1 0 0 0 k w 变频器为例，若器件选用1 7 0 0 v i g b t ，1 台变频器需2 0 0 4i g b t1 2 0 支( 现1 7 0 0 v1 g b t 电流能力己达2 4 0 0 a ) 。 线路复杂还导致可靠性降低。 2 2 转子侧串级调速 转子侧串级调速适用于绕线异步机，定子接高压电网，转子接调速装置， 通过改变转子绕组中串入的外接电动势实现调速。有两种调速方法：只从同步速 下调的系统通常称串调；在同步速两侧都调节的系统称双馈。绝大多数大功率风 机和泵只需要下调，故本研究仅限于串调系统。 2 2 1 风机和泵类负载特性 风机和泵负载一般称二次型负载，转矩与转速二次方成比例，功率与转速 三次方成比例，参见表2 - 1 ，表中各量均为相对值： m = n n o 转速， m ：里型_ 稍差， m = m m 转矩，p = p ，b = 删l 电机输出功率， i ，= ，转子电流，由于电机定子接电网，磁链恒定及转子功率因数 角不大，t “m 。 “，= u ，u ，0 = 国转子电压，u ，o 转子开路电压。 一p ，- e , 目2 器= a o i r * a 硎一籽绷祧糙嘞釉 p n 4 3 u m l “。 从表2 - 1 中看出； a 当 0 6 ( n p o 4 ) 时，负载转矩和功率已很小，再往下调速已无意义， 因此调速范围一般限制到4 0 。 b 在上述范围内，转子电压最大u r m c a = o 4 ，为安全按u r m a x - = - o 5 选设备电 压。 c 转子输出在小时，f ，大，蚱小，肼不大；在大时，蜥大，小，p ， 第二章大中功率交流电动机的调速传动 也不大。转子输出容量最大出现在a c o = 1 3 ( c o = 2 3 ) 处，p r 一= o 1 4 8 。 风机和泵的类型和流体介质不同，负载变化规律也不同，不严格按二次 型规律变化，在计算调速设备容量时宜留裕量，在本文后面计算中按裕 量1 3 考虑( 只一= o 2 0 3 ) 。 对于调速性能，风机和泵只要求能平滑调速，对动态指标无要求。 表2 - 1风机和泵负载特性及电机转子输出 n 0 50 60 6 6 70 70 80 91 0 a c o0 50 4 0 3 3 30 30 20 10 0 2 50 3 60 4 4 40 4 90 6 40 8 1 1 0 ， 0 1 2 5 0 2 1 60 2 9 60 3 4 30 5 1 20 7 2 91 0 00 2 50 3 60 4 4 40 4 90 6 40 8 1 1 0 u r0 50 40 3 3 30 30 20 10 曲 0 1 2 50 1 4 40 1 4 80 1 4 7 0 1 2 80 0 8 10 2 2 2 串调系统在大功率风机和泵应用中的特点 串调系统有许多非常适合大功率风机和泵应用的特点： 乱用低压设备控制高压电机 绕线异步机的转子是低压 u , = s u , o ( 2 - 1 ) 式中；j = ( 伽一行) 疗厂一滑差，( r 一转子不转时( s = 1 ) 的转子电 压，通常u , o 1 0 0 0 v 。风机和泵要求4 0 调速范围，0 4 ，u s 4 0 0 v 。可以用低压4 0 0 v 调速装置控制6 k v 或1 0 k v 电机转速。 b 调速装置容量小 仅为电机额定容量的2 0 3 0 。 c 旁路和起动容易 旁路指在变频故障时，去掉变频器，直接将电机接天电网恒速工作，高 压变频器旁路需用高压断路器，操作不当会引起电流冲击。跳闸。另外 大功率电机直接起动也较困难。串调系统在旁路时不必操作高压断路 器，只需将电机转子输出端短路就行。起动时可通过转子回路中串频敏 变阻器限制起动电流，起动平稳。 1 6 第二章大中功率交流电动机的调速传动 2 2 3 目前应用中的串调系统 目前应用中的转子串调系统主要有三种： a 传统串调 传统串调主回路示于图2 4 ： 6 k v t 0 k v 图2 - 4 传统串凋 电机转子输出功率经二极管d r 整流，平波电抗器l 滤波，晶闸管逆变器 n 逆变，变压器k 返回电网，通过晶闸管移相控制改变直流母线电压来调节电 机转速。 影响传统串调推广应用的主要障碍是： a 设备多，且庞大 尽管p ，。只有0 1 4 8 ，但d r 和t i 都必须按最大电压和最大电流之积 ( 以一厶一) 来选取，留1 0 电压裕量后为5 0 n ，相应变压器丁0 的 容量约为6 0 p u 。电抗器l 的体积，重量和价格取决于它的储能能力 w l = 妄露。本线路l 中流过全部经整流的转子电流值，很大，电感量l 二 与电感上电压频率成反比，该线路中为3 0 0 h z ，不高，l 不小，所以电抗 器也很大。 b 功率因数低，谐波较大 串调的无功由4 部分组成： + 电机的励磁容量q 。这部分无功与电机运行状态基本无关，可视为固 定量，约为0 3 p r o 电机漏感使d r 整流时出现较大换相重叠角巩，导致转子电流滞后于 电势产生无功q 。在额定转矩时产生大约为3 0 p n 无功； 第二章大中功率交流电动机的调速传动 谐波引起的无功。这部分较小，粗略计算可以忽略； + 逆变器1 r i 移相控制产生的无功q 打； 电机转速越高，j 越小，越小，移相角d 越接近9 0 。，g 切越大。 在额定速附近o t 接近9 0 0 ，全部逆变电流都是无功，而这时转子电流 又最大，q l t r a g r z6 0 n ，致使整个串调在额定工作点的功率因数降 至0 6 0 6 5 左右。 串调的谐波由两部分组成： + d r 产生的谐波。由于换相重叠角巩较大，这部分谐波量较小，但也 会通过气隙影响定子电流，产生低频谐波； t t i 产生的谐波，由于1 1 的容量较大，故谐波量仍较大。 c 流过l 和t 删中的电流大，损耗较大。 d 存在电网电压过低时，晶闸管逆变颠覆问题。 b 内反馈电机+ 传统串调+ 静补 内反馈电机就是在电机定子绕组中加套辅助电源绕组，由它向逆变器提 供电源，接受由转子返回来的能量，把电机和变压器合为一体，从而去掉庞大的 变压器，简化串调主电路，参见图2 5 。 6 k v 1 0 k v 图2 - 5 内反馈电机+ 传统串调+ 静补 传统串调的变压器容量大，难做在电机定子中，在逆变器输入端加一套静 止无功补偿装置( 静补) s c 既可减小辅助电源绕组的容量又可提高功率因数和 吸收部分t i 产生的谐波。如果让s c 的补偿量等于或略小于电机励磁容量( 约 3 0 p t e ) ，则电源绕组的容量约可减一半，在额定点的功率因数从o 6 o 6 5 升至 0 7 0 7 5 左右。 本方案中的d r 、t i 和l 的容量与图2 - 4 方案一样，较大，静补s c 的体积 1 8 第二章大中功率交流电动机的谓速传动 也大，占一个柜子。考虑旁路工况，电机定转子绕组容量不变。 c 内反馈电机+ 斩波式串调 所谓斩波式串调【1 s 】【1 0 2 1 就是在传统串调基础上，在直流回路中加入升压式 ( b o o s t ) 斩波器b c ，参见图2 - 6 。 6 1 0 1 0 k v 图2 - 6 内反馈电机+ 晶闸管斩波串调 b c 由斩波开关器件c s ，二极管s d ，储能电感【咭及电容c 。( c ，是直流电 容，体积较小) 组成。当开关器件c s 导通时，a b 两端短路，f o r 增加，k 增加 储能；当c s 断时，k 放出刚才增加的储能，d r 经s d 向电容c 。充电。直流母 线电压： u 豫= ( 1 一d ) u p 式中驴c s 导通占空比，0 d u o r 。 工作时，t i 的移相角固定在最小逆变角p = 3 0 0 ，【，d 为固定值。若d 大， u n r 小，电机转子电压低，滑差小，转速高；反之若d 小，大，电机转速低， 通过改变d 调速。 与传统串调相比，加入斩波后有如下好处： 乱无论转速高低，t i 都工作在卢- - - - - 3 0 0 ，u o 维持最大逆变电压不变，逆变器 的容量勋和电机辅助绕组容量5 ：，都按转子最大输出功率只。来算， s t = ( o 2 0 3 ) 晶0 = ( o 2 4 0 3 6 ) p n 大大小于传统串调。这样小的品，可以在电机尺寸不作大改变的情况下 将辅助绕组装入定子( 斩波串调中的整流d r ，电抗器l 。，斩波开关c s ， 仍按最大电压和最大电流选) ； b 由于1 1 容量减小及工作时口角小，它产生的无功远小于传统串调，高速 时，j 小，p ，和q ”小，这时串调总无功略低于电机本身产生的无功，功 1 9 第二章大中功率交流电动帆的调速传动 率因数应在0 8 左右； c 由于s 竹比传统串调小2 3 倍，逆变器产生的谐波也减小相应倍数； d 由于勋小，相应电抗器l 的体积，重量和价格也减小，但增加了一台斩 波电抗k 。 斩波串调的不足是： a 有两台电抗器，体积、重量和损耗大； b 功率因数偏低，特别是在s = 0 2 o 3 范围内( 调速风机和泵经常工作的 区域) 功率因数下降很快，仅0 6 左右； c 在定子电流中仍存在t i 产生的5 、7 次谐波及d r 产生的低频谐波。 d 仍存在电网电压降低过多时逆变颠覆问题。 基于以上分析，本文提出一种新技术转子变频调速1 9 1 ，它把变频技术和 传统串调结合起来，在保留串调转予侧变流优点的同时，又利用先进的p w m 电 压型逆变器的优点，去除串调设备多，功率因数差和存在逆变颠覆问题的缺点。 文中详细分析了主电路及其相关控制技术，并对功率因数和谐波等问题作了重点 讨论，提出了一些崭新的观点。 2 0 第三章转子变频调速系统主电路与控制策略 第三章转子变频调速系统主电路与控制策略 3 1 转子变频调速系统原理 3 1 1 主电路结构及其特点 a 主电路结构 转予变频调速主电路示于图3 1 。 电机定子绕组直接接6 k v 或1 0 k v 高压电网。电机转子电压u 是低压， u r _ s u , o ( r 滑差，u 旷一转子不转时的u d ，电机u ，o 1 0 0 0 v ，风机和泵要 求调速范围3 0 4 0 ( s = o 3 0 4 ) ，所以u ,