（电力电子与电力传动专业论文）内反馈斩波双闭环串级调速系统的研究.pdf

a b s t r a c t a sw ek n o w , t h eb e s tm e t h o dt os a v ee n e r g yf o rf a n sa n dp u m p sd r i v ei s a d j u s t i n gt h e i rs p e e d a tp r e s e n t i ti sp o p u l a rt oa d o p tt h em e t h o do fv a r i n g f r e q u e n c yo rc a s c a d es p e e dr e g u l a t i o no fw o u n di n d u c t i o nm o t o r c o n s i d e r i n gt h e c o s t ，t h ec a s c a d es p e e dr e g u l a t i o ni st h eb e t t e rs o l u s i o nf o rt h es p e c i a lo b j e c ta f t e r c o m p a r e a tf i r s tt h ep r i n c i p l eo ft h ec o n v e n t i o n a lc a s c a d ea d j u s t a b l es p e e ds y s t e mi s a n a l i z e d t h e nt h ea d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo fi ta r es h o w ni nt h i sp a p e r ，t h a ti s h i g h e re f f i c i e n c ya n dl o wp o w e rf a c t o r a ts a m et i m et h er e a s o n sa r eg i v e n ，s oi n t h i sd e s i g nw ea d a p tt h en e wm e t h o d i n t e r - f e e d i n gc h o p p e rd o u b l ec l o s e d - l o o p c a s c a d es p e e dc o n t r o ls y s t e m t or e d u c et h es y s t e m sc u b a g ea n dr a i s et h eq u a i l t ya n d p o w e rf a c t o ro f t h es y s t e m i nt h ep a p e rt h ep r i n c i p l eo ft h en e ws y s t e mi sa n a l i z e di nd e t a i l ，t h e t r a n s i e n tf r a m eo ft h er o t o r sd cc i r c u i ti sa n a l i z e db yd i f f e r e n tm e t h o d si no r d e rt o g e tt h ea p p r o x i m a t em o d e lo ft h ec h o p p e r t h em o d e lo f f e rt h eb a s i st od e s i g n e dt h e a s ra n d a c r t h et i sd s pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7i su s e dt od e s i g nt h eh a r d w a r ep c bo ft h e c o n t r o ls y s t e m b a s e do nt h eh a r d w a r e ，t h em e t h o do ff u n c t i o nb l o c ka n dt h ei d e ao f l i n kv a l u ea r eu s e dt od e s i g na n dc r e a t et h es o f t w a r eo ft h es y s t e m t h ed e s i g no f p o w e rc i r c u i ti np o w e re l e c t r o n i c se q u i p m e n ti sv e r yi m p o r t a n t i nl a r g ep o w e ra p p l i c a t i o n t h ep o w e rc i r c u i ti sd e s i g n e db yp o w e rl i n es t r u c t u r e w h a t sm o r e ，s o m ep a r a m e t e r so f m a i nc i r c u i ta l ec a l c u l a t e di nt h i sp a p e r i m e r - f e e d i n gc h o p p e rd o u b l ec l o s e d - l o o pc a s c a d es p e e dc o n t r o ls y s t e mi s d e b u g g e da n dal o to fe x p e r i m e n t sa r ep e r f o r m e di nt h el a b ，s p e e dr e g u l a t i o ni s c o m p l e t e d ，a tt h es a m et i m ew ed e s i g ne x p e r i m e n te q u i p m e n tt od ol a r g ec u r r e n t a n dh i g hv o l t a g ee x p e r i m e n t si no r d e rt oi m i t a t et h er e a lc o n d i t i o n s a tl a s t ，t h es y s t e mi sa p p l i e di nt h ei n d u s t r yf i e l d n o wt h es y s t e mi sw o r k i n g 】：塑查兰塑生堂些笙苎 s u c c e s s f u l l y t h er e s u l ts h o w st h a tt h es y s t e mh a sa d v a n t a g eo fs a v i n ge n e r g ya n d s p e e dr e g u l a t i o nq u a l i t y k e y w o r d ：f a n s ，i n t e r f e e d i n gm o t o r ，c h o p p e rc a s c a d es p e e dc o n t r o l s y s t e m ，p o w e rf a c t o r ，d o u b l ec l o s e d l o o ps p e e dr e g u l a t i o n 海人学硕士学位论文 愿创性声明 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。 除r 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发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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。 签名：旌兰至日期! 竺：主：生 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：弦导师签名：监嗍 ! 塑叁兰堕主兰垒笙兰 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 随着电力电子学与电子技术的发展，尤其是7 0 年代以来，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，为交流电力拖动创造了有 利条件。特别是交流调速技术对能源节约的作用引起人们的高度重视。究其原因： 一方面，交流拖动负荷在各国的总用电量中都占有很大比重，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。 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。风机、水泵应用在国民经济各部门的数量众多，分布面 极广，耗电量巨大。加上这些设备都是长期连续运行和常常处于低负荷及变负荷 运行状态，采用定速驱动时，风机靠风门调节风量，水泵则靠阀门开度来调节流 量，除产生大量的节流损耗外，反应速度也很慢1 3 8 。如果采用调速驱动后，其 节能潜力巨大，而且改善了机组的运行状况。除此之外，由于可调速驱动系统具 有软启动功能，可使风机、水泵实现软启动，避免了由于电动机直接启动引起的 电网冲击和机械冲击，从而可以防止与此有关的一系列事故的发生。例如电动机 转子笼条的疲劳断裂，定子端部绕组绝缘损坏击穿等重大事故，提高了电机运行 的可靠性。因此，风机和泵类的调速节能运行势在必行。 目前，对风机和泵类的交流调速方案很多，通常可分为采用变频调速和改变 转予转差功率调速这两种调速方案。串级调速属于改变转子转差功率调速，它是 一种结构简单、难度较小的系统。因为对大容量的风机和泵类负载调速范围小， 系统容量小，成本低。而且串级调速系统装置具有安全、可靠性高的优点。即使 出现故障，异步电机可以完全脱离调速装置进入全速运行状态。 目前还有不少风机不进行调速，调速的系统很多也是传统的串级调速系统， 转子电势经不控三相全桥二极管整流，再经过晶闸管相控逆变，把转差功率反馈 电网。所以传统的串级调速系统效率高。但其功率因数却很低，通常在0 4 附近。 因此有人提出了斩波式串级调速的设想，目前已形成系列化产品。国内这方面的 ：海大学硕士学位论文 起步较早，但是至今在技术实现和控制方法上，仍然存在一些问题。本文就是在 此情况下，对原有调速系统进行改造。即在保证效率的同时，实现较高的功率因 数，减小电网污染。这种系统平均节电率达4 0 ，当低速运行时，其最大节电率 高达7 0 ，一般1 2 年即可通过节电效益收回全部设备投资。 综上所述，对风机、泵类的节能最有效的就是调速。而在节电率相同的情况 下，电动机的功率越大其节能效率也就越大。因此高压大功率电动机驱动的风机、 泵类采用调速传动，其节能效果将更加明显。因此高压大功率风机、泵类负载的 节能调速应大力推广。利用调速技术将恒速运行的异步机改造成可调速的传动系 统可取得巨大的经济和社会效益。 1 2 风机、水泵调速节能原理和方法 风机、水泵属于二次方递减转矩的负载性质，轴功率与转速的立方成正比， 其节能原理就是用调节电动机的转速来代替档风板或节流阀控制风流量以达到 节能的目的。下面以风机为例，对其节能原理进行分析。 风机排风量特性曲线如图1 1 所示，相应的量化关系如式( 卜1 ) 。根据风机 和水泵的相似定理，风机的风量、转速与功率有下式成立； 姿：堕n 2 ：1 堡： 牌 ：州丝) 3 ( 1 _ 1 ) q lm埔肌、j l ”2 “”n l 7 式中：q 1 一风机调节前的排风量，m 3 1 1 ； q 2 一风机调节后的排风量，m 3 h ： h l 一风机调节前的压头，p a ；h 2 一风机调节后的压头，p a ； n l 一风机调节前的转速，r r a i n ； n 2 一风机调节猴年的转速，d m i n ： n 】一风机调节前的轴功率，k w ； n 1 一风机调节后的轴功率，k w ； 当风机以额定转速运行时，风机的排风量和风压按特性曲线1 变化，并与风 门全开时的阻力曲线2 相交于额定工况点n ，风机的排风量为q n 、压头为h 。； 设风量由q 。减小为q 。，若采用关小风门来实现，管阻特性将变为曲线3 ，但扬 程特性仍为曲线1 ，故工况点由n 移至e ，此时流量减小，扬程从h 。增加到h 。， r 海火学硕：l 学位论文 图1 1 风机特性曲线 轴功率与面积o d e j 成正比。若保持风门开度不变，通过改变风机的转速来调节 风量，则当风机的转速改变时，扬程特性随之变化，管阻特性曲线仍为2 ，工作 点移至c ，轴功率与面积o d c f 成正比。面积f c e j 包含面积表征降低转速比关 小风门调节相同风量时节约的电量，可见节电效果十分显著。 理论和实测都证明用人为增加通风阻力的方法调节风量会造成电能的浪费， 是不可取的。采用改变风机转速的方法调节风量不但节能效果显著，而且还有减 少机械磨损、延长机械使用寿命的效果。 对于风机、泵类负载的控制，主要是用来控制其风量或流量，而风量或流量 与转速有直接关系。因为一般对风量或流量的控制要求不高，所以对这类负载的 调速也要求不高，即调速范围、调速精度都不高。 6 0 厂 根据异步电机的转速公式m = 二尘( 1 一s ) ，可从下列三个方面进行调速：( 1 ) p 改变定子绕组的极对数p ，( 2 ) 改变电源频率，( 3 ) 改变电动机的转差率s i 5 ) 【3 1 】 4 2 1 。 变极调速一般应用于笼型电动机，对绕线式电机很不方便，而且不能实现无 级调速。 变频调速可以实现无级调速，调速性能好【2 6 】。普通异步机变频调速可以用 于风机、泵类的调速控制，但存在着两个问题：由于普通异步机变频调速系统中 变频器的容量必须大于或等于所拖动异步机的容量，这样一次性投资很大，尤其 是大容量的异步机都是高压电机，而高压变频器的价格更高：谐波对电网的污 上海人学坝士学位论文 染【5 1 。 改变转差率调速一般有改变定予电压调速即调压调速、转子串电阻调速、串 级调速。由于本系统控制对象是大容量的异步电机，定子侧是高压，控制不便。 转予串电阻则消耗大量转差功率，不利于节能。而串级调速实现无级调速的同时 还可把转差功率反馈给电网，实现节能。综上所述，目前较适宜的办法就是采用 串级调速的方式。 1 3 课题所做的工作 本文就是对原有传统串级调速系统的改进，即采用新的拓扑结构、新的控制 策略和控制方法，对风机、泵类大功率负载实现调速，以实现调速节能的目的， 提高系统的功率因数。为此本文主要做了以下工作： 1 查阅大量文献，对比各种交流调速方案，确定适宜大功率风机调速节能 的调速方案：串级调速。 2 从传统串级调速系统的原理入手，通过分析传统串级调速的基本原理， 详细分析了传统串级调速系统的优缺点，如效率较高、功率因数低，并分析了造 成其优缺点的原因，同时为了满足用户的需要本文采用了内反馈斩波串级调速。 3 详细分析了内反馈斩波串级调速的原理和性能，并从不同的角度分析了 直流回路动态结构，对斩波器的模型做了近似的处理，构成了内反馈斩波串级调 速系统的数学模型，为设计速度调节器和电流调节器提供了依据。 4 选用t i 公司的d s p 控制芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ，设计和制作了内反馈斩波 串级调速系统的硬件电路控制板。基于该硬件，采用功能块的编程方法和连接值 的思想，设计并编制了内反馈斩波串级调速系统的控制软件。 5 内反馈斩波串级调速系统在实验室进行了调试和大量的实验，实现了调 速的功能。设计了特定的实验平台，解决了大电流和高电压的试验，为系统的工 业现场应用打下了基础。 6 在工业现场调试，系统正常运行。整合实验结果，对结果进行分析，并 得出结论。 j ：海大学硼卜学位论立 第二章内反馈斩波串级调速系统 由1 2 节知道，对于风机类负载节能的较适宜的方法就是串级调速。但传统 串级调速系统存致命问题，因此本章着重分析这种系统的原理、优缺点及其改进。 从而得到一个更好的方法来解决其致命问题，即内反馈斩波串级调速系统。 2 1串级调速原理 串级调速就是在绕线转子异步电机转子回路中串入附加电动势e ，以改变转 差功率的调速方法f ”。在基速以f 调节时，有 胪丽s 丽e 2 0 - e t t z 一， 式中 e ：。s = l 时转子开路相电动势、转子额定电压。 2 。s = l 时转子绕组每相漏抗。 百，附加电动势，r ，转子电阻。 当e ，减小时，则1 2 增大，由于气隙磁通保持小变，所以电动机的电磁转矩 t = c ”九1 2 c o s 9 随着，：的增大而增大，那么电磁转矩大于负载转矩，电动机加 速，转速升高使s e 。减小，：反过来减小，电磁转矩随之减小，直至与负载转 矩达到一个新的平衡，而这个平衡状态是在新的高转速下的平衡。反之e ，增大， z 减小，电磁转矩减小，电动机减速转速下降使s e ：。增大，又开始增加， 电磁转矩随之增大，直至与负载平衡，同样这个平衡状态是在新的低转速下的平 衡。 因为转子电势的频率是随转速变化的，要求附加电势的频率也必须是同步变 化的，就必须有变频器才能实现，而变频控制较复杂。实际中，传统串级调速系 统5 1 利用直流回路来处理，就是在转子侧把三相转子电势经三相全桥二极管整流 电路转化为直流电势。利用晶闸管组成的相控有源逆变器引入一个直流附加反电 电路转化为直流电势。利用晶闸管组成的相控有源逆变器引入一个直流附加反电 ! 塑叁堂塑主兰些堡苎 一 第二章内反馈斩波串级调速系统 由1 2 节知道，对于风机类负载节能的较适宜的方法就是串级调速。但传统 串级调速系统存致命问题，因此本章着重分析这种系统的原理、优缺点及其改进。 从而得到一个更好的方法来解决其致命问题，即内反馈斩波串级调速系统。 2 1串级调速原理 串级调速就是在绕线转子异步电机转子回路中串入附加电动势e ，以改变转 差功率的调速方法5 1 。在基速以下调节时，有 ”! 墅三丝( 2 一1 ) 。22 ( r a ) 2 + ( s x 2 0 ) 2 。一1 式中 e ：。s = 1 时转子开路相电动势、转子额定电压。 ：。s = l 时转子绕组每相漏抗。 e ，附加电动势，r 2 转子电阻。 当e i 减小时，则1 2 增大，由于气隙磁通保持不变，所以电动机的电磁转矩 t = c m “1 2 c o s f o 随着，：的增大而增大，那么电磁转矩大于负载特矩，电动机加 速，转速升高使s e ，。减小，：反过来减小，电磁转矩随之减小，直至与负载转 矩达到一个新的平衡，而这个平衡状态是在新的高转速下的平衡。反之西增大， ，：减小，电磁转矩减小，电动机减速，转速下降使s ：。增大，：又开始增加， 电磁转矩随之增大，直至与负载平衡，同样这个平衡状态是在新的低转速下的平 衡。 因为转子电势的频率是随转速变化的，要求附加电势的频率也必须是同步变 化的，就必须有变频器才能实现，而变频控制较复杂。实际中，传统串级调速系 统【5 1 利用直流回路来处理，就是在转予侧把三相转子电势经三相全桥二极管整流 电路转化为直流电势。利用晶闸管组成的相控有源逆变器引入一个直流附加反电 确人学硕t 学位论文 势，加到转子直流电势上。改变逆变角，就可方便的改变附加反电势，达到调 速的目的。同时通过有源逆变器把转差功率回馈给电网。传统串级调速系统主电 路原理如图2 1 所示。 图2 1传统串级调速系统主电路原图 图中，m 为三相绕线转子异步电动机，其转子相电动势经三相全桥二极管整 流装置u r 整流，输出直流电势u d 。工作在逆变状态的有源逆变器u i 除提供可 调的直流反电势外，还可异步电动机的转差功率回馈给电网。图中t i 为逆变变 压器，其作用是：一、把有源逆变器u i 和交流电网隔离，以抑制电网的浪涌对 晶闸管的影响：二、取得与被控异步电动机工作相配的逆变电压。l 为平波电抗 器。 2 2串级调速的优缺点 1 串级调速的主要优点是在这个系统中利用变流装置加以控制的只是电机的 转差功率。若电机调速范围不大，最大转差率不高，则所用的变流装置的容量比 较小。例如通风机、水泵的调速范围在4 0 左右，若采用亚同步串级调速，其变 流装置的容量只有电机容量的4 0 9 6 左右，若采用超同步调速，其调速范围甚至有 可能限在2 0 以内，则变流装置的容量可以减少到电机容量的2 0 左右，比较经 济【2 】1 5 ，但是它同时限制了串级调速系统的运行速度范围，不允许超过规定值， 否则将导致变流装置过载，使元件损坏。 2 力能指标是衡量调速系统技术经济指标的的重要方面。异步电动机串级 调速由于转子上的转差功率大部分得到回收，所以这种调节转差的方法具有系统 总效率较高的特点【2 】。其能量流图如图2 2 所示 6 p 1 一r 一 i 一p j 舢 pcu、pf：pn 6 1 c a l 调速效率为 p 3 们2 i 2 p 3 - p k - p c u 3 1 0 0 p 3 ( 2 2 ) 由于p 女和p c , u 3 都很小，所以印1 很高。 3 晶闸管亚同步串级调速的致命缺点是整个调速装置的功率因数很低，通 常只有0 3 o 5 t 5 l 【2 】。即使在高速满载运行时，其功率因数也往往达不到0 7 ， 串调系统的功率因数可用下式表示： c o s 舻：! ：；鱼三丝 ( 2 3 ) 印可2 而i 镝憎。3 式中p 系统从电网吸收的总有功功率 s 系统总的视在功率 p ，电机从电网吸收的有功功率 p ，通过逆变器回馈到电网的有功功率 q 1 电机从电网吸收的无功功率 q ，逆变变压器侧从电网吸收的无功功率 造成串调系统功率因数低的原因有： ：海人学硕学位论文 ( 1 )系统从电网吸收的无功功率增大 串调系统的电动机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，逆变桥触发角口在0 0 9 0 。之间，但为防止逆变失败有个最小角 的限制，一般取3 0 。，相位滞后吼调速是通过改变附加电动势u 口，而改变u 口 是通过改变逆变角口来实现的。而这种调速方法只能在基速以下调节，所以调速 时口在最小逆变角以上变化。速度越低，逆变角越大，从电网吸收的有功功率越 少、无功功率越大，因此低速时功率因数很低。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，所以串调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。即使在高速时功率因数一般也只是在0 6 0 6 5 之间。 ( 2 ) 换流重叠现象引起电流相位滞后【5 】 串级调速系统中，转子侧把三相转子电势经三相全桥二极管整流电路u r 进 行不控整流。因此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，转予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相无功功率，导致串级调速时电动机的功率 因数比正常接线时降低。 ( 3 ) 波形畸变引起畸变功率5 】 串调系统中电动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 量引起无功的畸变功率，也会使系统的功率因数下降 怕】。 2 3 串级调速系统功率因数改善途径 串级调速系统功率因数与系统所用的异步电动机、不控整流器和逆变器三大 部分有关【5 】。异步电动机本身的功率因数就会随着负载的减轻而下降，而转子 整流器的换相重叠和强迫延时导通等作用都会通过电机从电网吸收换相无功功 率r 所以在串级调速时电动机的功率因数要比正常接线时降低l o 以上。另外逆 变器的相控作用使其电流与电压不同相，也要消耗无功功率。 对于宽调速的串级调速系统，随着转差率的增大，系统的功率因数还要下降， 这是串级调速系统能否被推广应用的关键问题之一。为此人们研究了多种改善功 j 海大学硕士学位论文 率因数的方法，通常有以下几种： 1 逆变器的不对称控制1 5 】0 这是利用两组可控整流器组成逆变器纵续连接 并进行不对称控制。这种方法适用于大功率系统。 2 ，采用具有强迫换相功能的逆变器，在逆变器工作时晶闸管在自然换流点 之后换相，这时逆变器的输入电流呈容性，可以补偿异步电动机从电网吸收的电 感性无功电流，从而使系统功率因数大大提高【5 】o 但这种方法电路较复杂，价格 也昂贵。 3 在电动机转子直流回路中加斩波控制，即斩波串级调速。采用这种方法 可以把逆变器的逆变角口固定在某一最小角，这样就可把逆变器从电网吸收的无 功功率减j , 至u 最低，从而提高系统的功率因数。但这种方法还有一个最小角的限 制，不可能使等于零，因此功率因数不可能达到l 。 4 斩波加p w m 整流。众所周知，相控有源逆变器总存在最小控制角的问题， 相控不可能使电流和电压保持同相位。功率因数提高有限，而且相控有源逆变有 逆变颠覆的缺点。由于新的电力电子器件i g b t 的出现，有了新的逆变器。因此 一种新的方法就是将晶闸管组成的相控有源逆变器换成p w m 整流器。p w m 整流器 可实现电流和电压保持同相位。根据p w m 整流原理可知直流电压必须高于逆 变输出电压。而当转速高时，转予电压将较小，使p w m 逆变失去条件b o l 。因此 必须使转子电压升高，而b o o s t 斩波电路就具有这种功能，且结构简单、控制方 便。因此在不控接流和p w m 逆变加上了b o o s t 斩波电路。 综上所述，第四种方法是比较完善的方法，但由于现场的原因，本系统采 用了第三种方法。虽然这种方法的功率因数不是很高，但比原系统要高的多，现 场也是可以接受的。 2 4 内反馈调速电机及其调速原理 由于在传统串级调速系统中绕线电机转子的附加电势的提供是通过逆变变 压器和逆变装置把电网的交流电转换成直流电，经整流装置馈入电机转子的。同 时，逆变变压器将转子的转差功率反馈给电网。这种系统的缺点就是系统结构复 杂庞大，另外更重要的是，转差功率在电机定子绕组、转子绕组、整流装置、逆 变变压器和电网间进行循环，而转差功率在上述的循环中，必然产生一定的损耗， r 海大学硕士学位论文 造成系统效率降低，电机温升较高。而且用户都希望系统装置越小越好，节省空 间。在传统的串级调速系统中能减小占地空间的也只能是把逆变变压器去掉，即 用内反馈电机代替原来的普通异步电动机。这种将转差功率通过整流逆变装置反 馈给电机内部( 而不是电网) 的电动机，我们称之为内反馈调速电机”1 。在本系统 中就采用了一种用于串级调速系统的内反馈调速电机。内馈电机与普通异步电机 基本相似，它结构上不同于普通的异步电机，有其自身特点。 在串级调速系统中需要给绕线异步电动机转子提供附加电势，由于普通异步 电动机是按恒速运行设计的，没有考虑调速需要，因此普通异步电动机是无法提 供附加电源的m j 。如果采用普通异步电动机则附加电动势需要由外附的电源设备 产生。内反馈电机是利用电机绕组多重化技术，在异步电机的定子铁芯上增设 套绕组，该绕组主要是用来接收从转子反馈回来的能量以实现电机调速。因此称 之为调节绕组，原来的定子绕组称为主绕组【2 1 3 】。当电机接通电源时，通过旋转 磁场的感应作用，调节绕组产生感应电势，其数值为： e 3 = 4 4 4 f l n 3 k n 3 。 ( 2 - 4 ) 式中，电源频率 ，调节绕组的串联匝数 k 。，调节绕组的绕组系数 。电机主磁通 这是一个恒频恒压源。 对于异步电机，由于随着转差率的变化，电机转子频率也将改变。为使电机 获得调速，必须使b 反映转子绕组的附加电势与转子电势保持同频率，并且大 小可以调节，因此在调节绕组和转子之间需要串接整流逆变装置。调节绕组在为 转子提供附加电势的同时，吸收转子的转差功率，然后通过电磁感应的方式，将 这部分功率传输给定子绕组【m 1 。 由此可见内反馈电机是一种能够自身产生附加电势源的特种异步电机。其调 速原理是：将电机的转子绕组通过整流逆变装置与定子上的调节绕组相连，使之 能够产生功率交换。如果整流装置采用不可控电子器件，则功率只能从转子传递 l 二海大学硕士学位论文 给调节绕组，即电机只能完成低同步调速。由于风机泵类负载一般调速都从额定 转速往下调，所以在调速中采用不可控整流器件即能满足系统的要求。内反馈调 速电机在调速过程中，除机械功率和基本铜耗以外，转差功率在电机内部传输平 衡，因此是一种封闭保守的电磁系统1 8 】。 2 5 内反馈斩波串级调速系统的组成 内反馈斩波串级调速系统主电路如图2 3 所示。图中u r 是由二极管组成的 三相桥式不可控整流电路，u i 为由可控硅组成的有源逆变器，中间直流回路通 过i g b t 斩波器c h 相连。三相异步电动机采用绕线式内反馈调速电动机。通过改 变i g b t 斩波器的占空比d ，来改变斩波器的输出平均电压，即改变串入转子的 附加电势来改变电机的转速，实现对电机调速。其中电抗器l 起滤波和储能作用。 二极管d 起隔离作用，电容c 和二极管d 一起组成斩波器的缓冲网络，电容c 起能量缓冲作用。 abc 图2 3 内反馈斩波串级调速系统主电路 2 6 内反馈斩波串级调速系统的调速原理 斩波器c h 工作在开关状态。当它导通时附加电动势被短接，当它关断时 附加电动势为u i 。设斩波器的开关周期为t ，开关导通时间为r ，则逆变器经斩 h 海大学硕 + 学位论文 波器送出的附加平均电动势为三阶，改变占空比土就可调节附加电动势波器送出的附加平均电动势为二 阶，改变占空比二 就可调节附加电动势 的大小，从而调节电动机的转速【1 5 。当转子回路整流器和逆变器都是桥式电路 时，可得理想空载的电压平衡方程式： 2 3 4 邸e 2 。= ( 三善) u ( 2 5 ) 所以 酽哪加_ ( 1 一争兰 盯= 去 ( 2 - 6 ) 式中 h 。不同占空比时的理想空载转速： n s y n 异步电动机的同步转速； e ：。s = 1 时转子开路相电动势、转予额定电压； u i 缓冲电容两端的电压。 等式左边抖5 阳、e 2 0 、u 、t 都是常值，只有f 是变量，所以n o 随t 的 变化而变化。令d = 圭( d 为开关管触发脉冲的占空比) ，那么改变占空比d 就可进行调速。 2 7 内反馈斩波串级调速系统的性能 2 7 1 系统功率因数 由2 3 节可知，传统的串级调速系统的功率因数很低，是因为它采用了晶闸 管构成的有源相控逆变器，其功率因数可近似为： c o s i p2 r c o s ， 式中y 系统总畸变系数 c o s 系统逆变器功率因数 传统的串级调速系统调速是通过改变逆变角多来实现，因此转速越低功率因数越 低。而本系统是通过斩波调速，即改变斩波器的占空比，而不再是改变逆变角口， 逆变角卢此时固定在最小角3 0 。而且系统的畸变系数也变的更小，因此系统整 卜淘夫学硕士学位论文 个调速范围内的功率因数可以做的较高【2 3 】。 2 7 2 系统机械特性 在串级调速系统中，由于电机的旋转磁场转速不变，其同步转速也是恒定 的，但其理想空载转速是可调的。由式( 2 - 6 ) 可知，系统调速时，是通过改变 占空比d 来实现。而占空比的改变是改变了系统的理想空载转速，也就是改变了 异步电机的机械特性曲线。从而使异步电机的机械特性曲线近似地进行上下平 移，而不是从同步转速曲线上调速，所以此时系统获得较硬的调速机械特性。在 串级调速工作时，异步电机虽然不需串入调速用电阻，但由于转子回路中接入了 整流器、电抗器、斩波器、逆变器等，再计及线路电阻后，实际上相当于在转子 回路接入了一定数值的等效电阻和电抗。由于转子回路电阻的影响，使异步电机 在串级调速运行时的机械特性要比电机的固有机械特性为软，使电机在额定负载 下难以达到其额定转速“。由图2 1 可得整流后的转子直流回路简化电压平衡方 程式： 甲一， u d = ( 二= ) 明+ ，d r ( 2 7 ) 或 k 1 s e 2 。= 置2 ( ! ) u r 2 + 厶r ( 2 8 ) 式中 u ，：调节绕组的相电压 震转子直流囤路总电阻 其调速机械特性曲线如图2 4 所示。 图2 4 调速机械特性曲线 2 4 6 8 o s o n n n n l l 海大学硕士学位论文 2 8 双闭环控制的串级调速系统 由于串级调速系统机械特性的静差率较大，所以开环控制系统只能用于对调 速精度要求不高的场合。为了提高静态调速精度以及获得较好的动态特性，可以 采用反馈控制。与直流调速系统一样，通常采用具有电流反馈内环和转速反馈外 环的双闭环控制方式1 2 7 】 4 3 1 。由于在串级调速系统中转子整流器是不可控的，所 以系统不能产生电气制动作用。而所谓动态性能的改善，一般是指起动和加速过 程性能的改善，而减速过程只能靠负载作用自由降速。 2 8 1 双闭环控制系统的组成 双闭环控制的串级调速系统原理图如图2 5 所示。图中转速反馈信号是通过 码盘测速脉冲计算得到。电流信号通过霍尔变换器取自转子直流回路。如图所示 系统的工作和直流不可逆双闭环调速系统一样，具有静态稳速与动态恒流的作 用。所不同的是它的控制作用都是通过异步电机转子回路实现的。 abc 牛厂厂 厂 h p 脶r 伊撇h 么p u f 1 f 一一 图2 5 闭环调速系统电路原理图 4 h 海大学硕士学位论文 2 8 2 串级调速系统的动态数学模型 系统的动态数学模型的建立是系统调节器设计的基础，设计控制系统前必须 建立好系统的动态数学模型。在图2 5 所示的系统中整流装置、调节器、反馈 环节以及逆变器均与直流调速系统中相同”，只是异步电动机转子直流回路中， 不少物理量都与转差率有关，所以要单独处理。 2 8 2 1 斩波式串调直流回路的传递函数 根据串级调速系统主电路接线图得到相应的斩波式串调主回路的等效电路 图，如图2 , 6 所示。而斩波器的电压波形如图2 7 所示。由于斩波器的存在，使 得数学模型里有开关函数，导致系统动态分析时较为困难。因此第一种分析的方 法就是考虑开关状态，分不同的情况进行考虑。但从整体看时，斩波器的输出电 压虽然是脉冲式的，但其平均电压是基本稳定的，就像没有斩波器时的传统串级 调速系统一样。这就是第二种分析方法。下面分别用以上两种方法进行讨论。 2 r d 二r d己3 x 7 摩2 足 图2 6 斩波式串级调速主回路的等效电路 图2 7 斩波器电压波形 r 海人学硕士学位论文 ( i ) 开关函数分析法 在这种分析方法下，开通或关断都是一种状态，可假设转子电压不变。转 子漏感和电抗器合成为一个理想电感，回路总电阻合为r 。电容电压是个常 值。此时直流回路的简化等效电路如图2 8 所示。由于斩波器的存在，开通和关 断时，直流回路电压平衡方程不同。 设开关函数s = 1开关开通 s = o 开关关断 当s = 1 时直流回路电压平衡方程为： 旷三掣吲帅。 协。， 当s = o 时直流回路电压平衡方程为： u 。叱= 三掣+ i m ( 2 - 1 0 ) 因为s = l 时的时间为d t ，s = o 时的时间为( 1 一d ) t ，所以以上两式按加权 系数相加，即( 2 - 9 ) d + ( 2 1 0 ) ( 1 一d ) 得： 三掣+ i 溉= 删- d ) 玑 经过拉氏变换得： l s ，( s ) + ，( j ) r d = u d - ( 1 一d ) u 。 l ( s ) ( l s + r a ) = u d 一( 1 一d ) u 。 m ) ：堕掣 l 5 + 尺d 即m 产警1 + 等1兰s +三5 + r dr “ 这里只有d 是变量，所以电流和占空比之间的关系为 ! 盟：型! 塑! d 三s + 1 ( 2 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) f 2 一t 3 ) f 2 1 4 ) f 2 一1 5 、 ( 2 1 6 ) l 海大学硕l 学位论文 生- r _ 图2 8直漉回路的简化等效电路 所以从以上推导，电流环的控制对象斩波器看以近似看作一个惯性环节。令 直流回路的时闯常数为丁。放大系数为k 。则有： f“=_l(2-i7) f “2 7 ) r d k 。= 警 ( 2 - 1 8 ) r d 、 ( i i ) 平均模型法 由于斩波器的存在，使得数学模型里有开关函数，导致系统动态分析时较为 困难。但当系统稳定在某一工作点时，斩波器之后的部分可以看作是个稳压源。 在这种情况下，就可把问题简单化，也不失去实际意义。这样最后简化后的等效 电路如下图2 9 所示。 三凡d 图2 9 简化后的等效电路 根据图3 7 可得到斩波式串级调速系统的转子直流回路的电压平衡方程式 s u j o - - u , = l 堕+ 批( 2 - 1 9 ) d t 叽。一= nu 。u ，一_ - a 了i , + 矗r 。 ( 2 2 。) 儿0 f ! 塑奎兰鏊主兰竺笙兰 式中u 。当s = l 是转子整流器输出的空载电压。 u ，稳定时平均反电动势。u ，= d u 。，( d 为占空比) l 直流回路总电感 r 矗转差率为s 时直流回路等效电阻。 将上式两边取拉氏变换，可求得转子直流回路的传递函数 鼍2 羔 ( 2 - 2 ” a d o - - 垃”( s ) 一u 。7 n 5 + 1 式中足，转子直流回路的放大系数，彪t ，2 去 r “转子直流回路的时间常数，k n 2 瓦l 以上两种分析方法的结果，基本一致，只是放大系数和时间常数有点区别， 那是因为研究的对象，即输入输出的量不同，因此实质上是一致的。 从方便考虑，可用第二种方法得到转子直流回路的动态结构框图，如图2 1 0 所示。 图2 1 0转子直流回路的动态结构框图 2 8 2 2 异步电动机的传递函数 由文献【i 】得到异步电动机的电磁转矩 n ：上( u d o - - 3 x g q ，d ) 厶：c m “( 2 - 2 2 ) q o 刀 式中理想空载机械角速度，叫s ，q 。= 絮乎 c 。串级调速系统的转矩系数，c 。：上( u 。一三墅。) q o 万 f 一海大学硕l 。学位论文 众所周知，电力拖动系统的运动方程式为 驴胪鬻害 或写成 c 。( i , ，- i l ) = 丽g d 2 石d n ( 2 - 2 3 ) f 2 2 4 ) 式中，。负载转矩r 。所对应的等效直流电流。 由此可得异步电动机在串级调速时的传递函数为 斋2互rcf2而rdi 仔2 5 ， ，d ( j ) 一( 5 )g d 2 r d 。c 库丁 5 、。 3 7 5 c c m 其中r ”2 j 3 7 型5 c 堕e c 。为机电时间常数，r ”与c ”、c r 、m 都有关系，所以也不 是常数，而是，。和，z 的函数。 2 8 2 3 斩波串级调速系统的动态结构框图 由于斩波器环节可看作一个惯性环节，电流环对外环速度环也相当于一个小 惯性环节。同时把异步电动机和转子直流回路都画成传递函数框图，再考虑给定 滤波环节和反馈滤波环节就可直接画出双闭环控制斩波串级调速系统的动态结 构框图，如图2 1 1 所示。 f 一1 等卜一 s ) 十h 击h 廿h 土t , s + i 产业i1 羔卜 l - 一t 。l s + l l 一 _ 图2 1l 双闭环控制斩波串级调速系统的动态结构框图 9 巾+ 王唑 一 h 1 巫 冉 ：海大学碗士学位论文 2 8 - 3 内环电流环的实现 1 电流调节器的设计 由图2 1 1 中可知，在电流环中，反电动势和电流反馈相互交叉，这将给设 计工作带来麻烦( 1 】。实际上，反电动势与转速成正比，它代表转速对电流环的影 响。在一般情况下，系统的电磁时间常数远小于电机时间常数，因此，转速的变 化往往比电流变化缓慢得多，对电流环来说，反电动势是个变化较慢的扰动， 在电流的瞬变过程中，可以认为反电动势基本不变q 因此，在按动态性能设计 电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态影响，既可以暂且把反电动势的作 用去掉。这样就可得到单独电流环的近似结构图如图2 1 2 a 所示。可以证明，忽 略反电动势对电流环作用的近似条件是 0 。, k 3 j 志 z e ， 式中 国。电流环开环频率特性的截止频率。 但这样还不好确定电流调节器的结构，由于给定和反馈的滤波时间常数是一 致的，所以可以把滤波环节等效地移到环内，同时把电流给定信号改为扰( j ) ， 则电流环便等效成单位负反馈系统。又由于丁。和丁，一般都比丁。小得多，可以 当作小惯性从而近似地看作是一个惯性环节，其时间常数为 丁2 r o 。+ t 。 ( 2 - 2 7 ) 这样电流环结构框图可最终简化成图2 1 2 b 所示。简化的近似条件是 绒；j 赤 z s ， a r 海大学硕k - 学位论文 b 图2 1 2电流环的动态结构框图及其简化 a 忽略反电动势的动态影响 b 最终简化的结构框图 2 电流调节器结构的选择 电流调节器结构的选择主要依据系统稳定性和动态性要求。由于本系统是应 用在风机上，系统稳定性上要求电流无静差，动态性上要求具有快速的跟随性。 因此电流环选择典型i 型系统【2 。 根据图2 1 2 b 可知要把电流环校正成典型i 型系统，应采用p i 型的电流调 节器，其传递函数可写成 矽删= 兰学 ( 2 z 。) 式中 乜电流调节器的比例系数 f ，电流调节器的超前时间常数 为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，则应取 口2 r n( 2 3 0 ) 则电流环的动态结构图便成为图2 1 3 所示。 其中 足广 $ k ：kl r k ， ( 2 3 1 ) 海大学硕士学位论文 图2 1 3电流环的动态结构图 2 8 4 外环速度环的实现 1 电流环的等效闭环传递函数 电流环经简化后，可看作速度环的一个环节，为此需要求出电流环的闭环传 递函数矿。( j ) ，由图2 1 3 可知 矽f