（电力系统及其自动化专业论文）斩波内馈串级调速系统的基础研究.pdf

华北电力人学硕十学何论文摘要 摘要 本文分析了用集成门极晶闸管i g c t 作为斩波器的斩波内馈串级调速系统的工作原 理和系统特性，对系统中主回路的参数进行了详细的分析计算，给出了具体计算公式， 并用软件实现串级调速系统的参数计算；控制系统采用电流内馈，转速外馈的双闭环控 制系统，对所开发的系统用m a t l a b 软件进行了仿真；由于晶闸管逆变器存在逆变颠 覆等固有缺点，提出了用i g b t 功率晶体管构成的有源逆变器来加以克服，并进行了仿 真分析；应用现场实例进行了详细的测试和分析，证明该调速系统达到了预期的效果。 这就使得该调速系统在大功率风机、泵类负载的调速节能方面具有广阔的应用前景。 关键词：串级调速系统，i o c t 斩波控制，有源逆变器，仿真 a bs t r a c t t h ew o r k i n gp r i n c i p l ea j l ds y s t e mc h a r a c t 甜s t i co ft i l es p e e dr e g u l a t i o ns y s t e ml l s i n g c 嬲c a d ec o n t l o lm e t h o dw i mm 州s t o ra r es t u d i e di nm ep a p e r ，砌t l l ep a r 锄e t e r so fm em a i n l o o pa r ea n a l y z e da n dc a l c u l a t e di nd e t a i l ，m e nm ef o 咖u l 勰u s e di i lc o m p u t a t i o na r e 百v e n ， 锄dm ep 觚瓶e t e rc a l c u l a t i o ni sa c m e v e dt h r o u g l ls o f t w a r e ；t l l ec o 蛐r o ls y s t 锄a d o p t sd u a l c l o s el o 叩，n 锄e l yi m e rc u m m tf e e d1 0 0 p 锄do u t e rr o t a t i o n a ls p e e df e e dl o o p ，c o n t i - o l s y s t 锄，a i l dt 1 1 es y s t 锄d e v e l o p e dw 勰咖d i e di ns i m u l a t i o nu s i i l g 盯l a b ；a g a i 璐tt l l e i i l l l e r e i l ts h o r t c o m i n g so fi n v e n e rw i mm 妒s t o r s u c h 嬲i n v e r t e rf a i l u r e ，t h ea c t i v ei n v e n e r c o n 叩n s i n gi g b tp o w c r 劬1 1 s i s t o ri sa d o p t e da n ds i m u l a t i o ns t u d yi sc a 币e do u t ；m e6 e l dt e s t 肌da n a l y s i sd 锄o n s t r a t et l l a t l es p e e d a d j u s t i n gs y s t e mh a sa c l l i e v e dt h ep r o p o s e de 腩c t w l l i c hp r o i i l i s eab r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c to ft h es p e e da 由u s t i n gs y s t 锄i na r e a ss u c h 嬲 s p e e dr e g u l a t i o na n dp o w e rs a v i n g i n1 1 i 曲p o w e rw i n dt l l r b i n e ，p 眦l pl o a d s s u nj i n s h u i ( p o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o l i ug u a n q i ，、v a nj u n k e y w o r d s ：s p e e dr e g u l a t i o ns y s t e mc a s c a d ec o n t r o l ，c h o p p i l l gc o n t r o lw i t hi g c t ， a c t i v ei l l v e n t e r ，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内馈串级调速系统的基础研 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：刭鱼；出日期： 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：趔丝 日期：碑型 导师签名：办j 缎豌 日期：幽二生3 p 华北电力人学硕士学位论文 1 1引言 第一章绪论弟一早三；百 了匕 近来，加快建设节约型社会已经成为全社会关注的问题。而风机、水泵是国民 经济中应用广泛的生产用设备，特别是大型风机和水泵拖动用高压大容量异步电动 机( 一般指3 k v 6 k v 1 0 k v 一2 0 0 k w 以上) ，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，耗电量很大。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，或使用 低效调速方法，浪费电能严重。在火力发电厂中，风机和水泵的拖动电机是最主要 的耗电设备，直接关系厂用电率的高低。 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i ij 。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交流调速技术的发展现状 交流电动机在1 8 8 5 年出现后，虽然结构简单、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转或更高，这些都是直 流传动的薄弱环节【2 3 “】。 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。本世纪六十年代以后， 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；尤其是七十年 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 华北电力大学硕士学位论文 交流调速的发展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渐打破，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日可待。特别指出的是，交流调速拖动系统在能源方面的作用。 在世界能源紧张、能源费用高涨的今天，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的总用电量 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【量& 7 1 。 总之，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。所以交流调速技术的应用有着广阔的前景。 从节能角度，交流异步电动机调速方法可按下图分类。 常用调速方法 轴联机械调速手段 f 电磁滑差( 低效) i 液里耦合( 低效) 电机调速手段 高效节能型 定子侧 蓁：兰 转子侧辟级调速 f 定子侧 调电压调速 低消耗能型 i 转子侧冲电阻调速 图1 1 调速方法汇总 1 3变频调速与串级调速的技术经济性能比较 变频技术控制电机的定子侧供电电源，变流装置要承受6 k v 或l o k v 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低电压，控 制很小的转子转差功率【引。就节电率而言，串级调速技术是最高的，就在泵与风机 类负载应用上，串级调速技术又是最为适合的。兹就变频技术与串级调速在技术实 现方法及各自的特点上作如下简要分析和比较： 2 华北电力人学硕士学位论文 一变频调速【8 t9 - 1 0 】 三相异步电机定子旋转磁场的速度称为同步转速，电机转子及其拖动的泵、风 机在额定负载下的转速，既额定转速，略低于同步转速( 称为异步) 。而旋转磁场 转速( 以下称同步转速) 取决于供电电源频率和电机极数，由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。在额定负载下，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5 0 h z 工频交流电源变为频率可调的交流电源( 要同时调 压) ，如下图所示： 6k v 电源 50hz 少们 ， fi 一 1 电机定子 电机转子 变频器 图1 2 变频装置简图 这样，变频技术的根本点在于控制电机定子的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o 转速一直到任意转速( 达 到同步速) ，当然实际上达不到。但它同样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。 对于电厂或其它工业用高压大电机，变频器中的半导体开关器件要承受6 k v 或 1 0 k v 高压。目前单个半导体开关承受不了，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困 难。 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， 这就带来几个方面的问题： 1 自身装置庞大、复杂。 2 产生的对电网的谐波及对电机的谐波大( 因变流功率大) ，所以需要加入各 种抑制谐波的装置。 3 虽一般说来变频调速还可直接用原鼠笼电机，但一般鼠笼电机要考虑因转 速下降而冷却通风量降低及谐波造成的电机发热，绝缘老化等问题，因而对大型电 机，最好改用特制的变频电机。 3 华j el h 力人学硕十学位论文 4 由于装置本身复杂、庞大，所以造价高，维护费用很高。 5 在高压大容量电机的使用领域，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 ) ，节电率受影响。 7 运行条件苛刻，因自身功耗大须加防尘及大容量制冷散热空碉，这就进一 步增加了电耗和运行维护量。 二串级调速 串级调速源于英语“c a s c a d ec o n 咖l ”，意为“级联控制”，当时系指异步机转子 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。 串级凋速是十分经典的电机调速方法【“l 。它的根本点不是去控制电机的供电电 源频率和电压，转而控制转子电流，从而改变电机的转差率进行谓速。串级调速的 原理如f 图所示： “# f m e 绕组 t i b 自& 镕绕m = r f 洲_ 目 1 ； 章l 自级调建掉材装if 图1 3 串级调速结构原理图 电机定予供给转于的功率( 电磁功率) 分为两部分：大部分变成机械功率拖动 泵与风机负载，一小部分成为园转速差( 比同步转速低) 而产生的转子回路的转差 电功率。通过在转子回路串入串级调速装置加入一个可调反电势来控制转子电流， 从而调节电机的转速( 改变了机械功率输出) ，由于转速差( 转子转速与同步转速的 差) 而产生的转子的转差功率义经串级调速装冠反馈回电网或内馈电机的定子反馈 绕组而回收，从而达到谰速和高效节能的目的。调速范围为额定转速以下均可，一 般最低到4 5 额定转速足已。由于转子回路因调速而产生的墁大转差功率仅为电机 额定功率的1 48 i5 ( 对泵、风机类负载) ，转予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 柬如下突出的技术优势： 华北电力大学硕士学位论文 1 变流装置( 串级调速装置) 中的电力半导体器件承压仅为几百伏，最高不 超过1 5 k v ，比6 k v 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1 4 8 1 5 ，这便带来诸多好处： ( 1 ) 自身功耗不到电机额定功率的1 ；节电率比变频高出2 5 个百分点。 ( 2 ) 自身因变流产生的谐波小( 因变流的功率小) ，一般无须加滤波装置。 ( 3 ) 系统结构简单，控制容易。 ( 4 ) 装置尺寸小，对环境要求低，一般厂房自然环境既可，可靠性高。 ( 5 ) 本身造价低，维护简单，费用少。 因而，串级调速具有以控制低电压进而控制高压电机，以控制小功率进而控制 大功率电机且系统结构简单，节电率高的特点，对于大多数泵、风机类需要低同步 转速调速( 由额定转速下调) 的应用特别适合。特别对高压大容量电机更有技术实 现容易和经济性好的优势。 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，但相比变频器的空调防尘及装置等的维护量要小的多。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( 如也更换 为变频电机，则变频系统价格更高) 。一般在有一定调速深度的场合，投资回收期在l 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 5 个百分点，串级调速综合技术经济比较，要比变频有明显的优势。 1 4 本课题研究的意义和主要完成的工作 1 4 1 本课题研究的意义 在我国电力、石化、矿山、冶金及给排水等领域，风机和泵类负载是应用最广 泛、耗电量最大的一类生产机械。据统计，泵和风机的耗电量占到整个工业用电量 的4 0 以上，而风机、水泵用电量的3 0 4 0 消耗在调节阀门及电网压降上，使 用中存在运行效率低的缺点，这样就造成了电能的巨大浪费，与经济运行标准还有 相当大的差距，所以这类负载的节能潜力相当大。在能源日趋紧张的今天，如果能 够对风机、泵类负载的节能技术改造有一个突破性的研究，则每年将形成数亿元的 经济效益。众所周知，在风机、水泵的节能措施中调速运行是最有效的。在低电压 小容量电机系统的节能调速中变频调速装置得到了广泛的应用和认同，而在高压大 容量系统中，变频调速成本很高，体积大，存在诸多问题，在节电率相同的情况下， 电动机的功率越大其节能效益也就愈大【l2 1 。因此，高压大功率电动机驱动的风机、 水泵采用调速传动，其节能效果将更加明显。尽管大功率风机和泵类负载采用调速 5 、 华北电力人学硕十学位论文 传动后可节约大量电能，平均3 0 左右。但由于国内适合风机、泵类负载的高压变 频器还没有成熟定型产品，国外高压变频器价格十分昂贵，推广应用受到很大限制。 特别是大功率的风机和类负载，由于缺少简单、可靠、经济的中压电动机调速装置， 使得节能调速基本没有推广开来。因此，研究性能更优越，节能效果更好的调速系 统，有着重要的现实意义。 传统的交流电机是三相的，对于大功率电机来说，要么有大的额定电流，要么 有高的额定电压，对于变频器来说，要么需要很好解决电力电子元件的并联技术， 要么需要很好解决电力电子元件的串联技术。并联需要很好解决静、动态均流问题。 串联需要很好解决静、动态均压问题【1 3 ，1 4 1 。为了避开串并联的困难和减少转矩脉振， 发展大型电机的多相技术是十分有利的，不仅有利于电机，同时也有利于抑制电网 的谐波污染【1 5 】。 基于上述事实，本课题采用了内反馈串级调速系统。所采用的电机为内反馈串 级调速电动机，它基本属于绕线电机，但在其定子上有两套绕组即主绕组和调节绕 组。该电机的调速原理属绕线型异步电机转子串附加电势进行调速的理论范畴，附 加电势就是由调节绕组从主绕组感应过来的电势所提供的，通过变流系统将该电势 串入电机的转子绕组，改变其串入电势的大小即可实现调速。 内反馈串级调速方式与传统的串级调速具有类似的工作原理，调速范围可达 2 ：1 ，调速效率高，由于调节绕组的存在而在调速系统中取消了系统中的逆变变压器， 使系统的体积缩小，造价更低，而且如果系统对调节绕组采取了补偿，可使得系统 在调速时的功率因数更高。由于整个变流系统均在转子侧，对于6 k v ，l o k v 高压系 统，电机转子侧电压大约在l 0 0 0 v 左右。因此，对于高压大容量的场合，该调速方 式具有突出的优越性。但目前该系统只适用于拖动具有递减转矩的风机、水泵类负 载【16 1 。 本课题设计了带斩波器的内反馈串级调速系统。它与普通串级调速系统的区别 主要有： 第一、所采用的绕线电机的结构与普通绕线电机不同。其定子有两套绕组，即 主绕组和控制绕组。主绕组接电网，控制绕组可以产生感应电势作为附加电源通过 有源逆变器和不可控整流器与转子相连。控制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主绕组。 省去了转差功率在绕线电机、不可控整流器、有源逆变器和逆变变压器、电网等中 的无谓循环，同时省去了在普通串级调速系统中所必需的逆变变压器。因此，与普 通串级调速相比，减少了逆变变压器的原边损耗及励磁损耗。同时定子损耗中的铜 耗也因输入功率的减少而降低，因此采用内反馈电机的串级调速系统的效率是相当 高的，而且也降低了系统成本。 6 华北电力人学硕士学位论文 第二、在转子直流回路中加入了直流斩波器，转子整流器通过斩波器与逆变器 相连。斩波器采用了集成门极换向晶闸管i g c t ，它综合了m o s f e t 和g t o 的优点， 具有电流容量大、工作频率高、驱动功率小等优点【 1 。由于带斩波器串级调速系统 的调速是通过改变斩波器的占空比来实现的，而不是通过改变逆变器的逆变角，因 此在本系统中逆变器的控制角可取最小值，且固定不变，使无功损耗减少到最低程 度，从而提高了系统的功率因数。同时也避免了因调速深而带来的功率因数下降的 因素。 第三、在串级调速系统中加入一个斩波器后，功率因数的提高使定子电流中的 无功成分降低，从而使定子电流谐波成分减少，减少了对电网的污染。同时，直流 斩波器的开关作用使直流回路电阻减少，进而使系统的机械特性硬度有一定的提 高。 1 4 2 本课题完成的主要工作 本课题主要进行了以下几方面工作： 1 比较了变频调速与串级调速的技术经济性能； 2 对串级调速技术的原理和发展现状作了深入的分析； 3 对i g c t 斩波器控制的内反馈串级调速系统作了深入的研究，并对系统主回 路参数进行了精确计算，给出了具体计算公式，并用软件加以实现； 4 串级调速系统采用转速、电流双闭环控制的调速方案，并用m a t l a b 软件 对其进行仿真，同时进行了现场试验； 5 对斩波内馈串级调速系统的有源逆变器部分进行了深入研究和仿真分析； 6 由工程应用实例证明了所开发的斩波内馈串级调速系统达到了预期效果。 1 5本章小结 本章从高压大容量异步电动机的节能调速谈起，阐述了交流电动机的发展现 状，给出了常用调速方法的分类；重点对变频调速和串级调速的技术性能作了比较； 最后阐明了本课题的研究意义和设计特点，简要介绍了本课题完成的主要工作。 7 华北电力大学硕士学位论文 第二章串调系统的原理分析和发展现状 除笼型异步机外，绕线转子异步机在工矿企业中也被广泛应用。由于这类异步机在 结构上的特点，它的转子能通过集电环与外部电气设备相连接，因此可以在其转子回路 中串入不同数值的电阻，以获得不同的机械特性，来实现电气传动的转速调节【l 引。但这 种调速方法的效率低、电机机械特性变软、无法实现平滑的无级调速。本章所讨论的串 级调速系统是在其转子回路串入一个可调的附加电势来实现调速的。目前绕线电机大多 采用这种方法来实现调速。 2 1串级调速的原理 串级调速是十分经典的电机调速方法，即转子串附加反电动势调速，其主要原理是 在转子回路中串入附加反电动势，通过改变附加反电动势的大小，来达到改变转子电流 进而改变电磁转矩和转速的目的。它的根本点不是去控制电机的定子侧，而是控制转子 侧，通过对电机转子电流的控制改变电机的转差率进行调速。为了高效，反电势源应可 吸收因转差增大而产生的较大的转子转差功率。串级调速的原理如图2 1 2 5 所示： 定 子 电 压 u 1 定 子 电 压 u 1 x 1 图2 1 串级调速的附加电势原理 x 1转子感应电势x 2 d - 曼卜 =等效可调 八 i 附加桶弓 弋竺卜 一 图2 2 串级调速的等效附加电势原理 8 华北电力火学硕士学位论文 图2 _ 4 串级调速电机等效电路 图2 5 串级调速调速原理 电动机转子引入等效反电势时，转子电流： t e 2 s er 扣赫 此时，电机电磁转矩为： t m = cm 心m i l c o s l ( 2 - 1 ) ( 2 2 ) 其中：q 一转矩系数，一磁通，厶一转子电流，、王，：一转子功率因数 电磁转矩与转子电流成正比。 电动机引入等效反电势时电机转速变化过程如图2 5 所示。 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： o 华北电力大学硕士学位论文 ( 1 ) 变流装置承受的电压低。 这是因为调速中转子回路的电压为舻如，s 为转差率，如为转子额定电压，在几 百至2 0 0 0 伏之间。对于风机、水泵而言，调速下限一般不会低于5 0 额定转速，转差 率最大值不会超过o 5 ，因而转子回路工作电压亦即变流装置承受的电压多为几百伏【1 9 1 ( 2 ) 变流装置的变流功率小。 它只变流转子回路的转差功率。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2 1 及图2 6 和图2 7 所示： 表2 - 1 不同类型负载的电机各功率与转差率的关系( 尼为机械负载额定功率) 鱼耋堡堕壁王塑全堕垩垦塑垫堡望圣血鲎茎望皇垦墨奎鲎茎垫皇垦丛 恒转矩 p 2( 1 哂) p 2 sp 2 1 岛( 严l 时) 线性转矩 ( 1 却p 2 平方转矩 ( 1 啦) 2p 2 ( 1 # b ( 1 s ) 3p 2 ( 1 砂b 0 2 5 最扛司5 时) ( 1 s ) 2s 最 o 1 4 8 1 5p 2 ( s = o 3 3 时) h 、恒转矩负t 、了 线形转、 矩负载、 嘻一。 芎孑；。 转矩 负t 图撕不同类型的负载转差率及转差功率 功事 图2 - 7 风机泵类负载转差率，机械功率、转差功率关系 1 0 华北电力人学硕| = 学位皓文 由图表可见，特别对风机、泵类负载，在额定转速以下调速时，转子回路因调速而 产生的最大转差功率仅为风机、泵额定功率的1 48 1 5 。 因而，串级调速避开困难的高压和大功率变流问题，具有以控制转子低电压回路进 而控制高压电机，以小的转差功率进而控制大功率电机的突出优势，对于大多数风机、 泵类需要低同步转速调速的高压大容量电机的应用特别适合【删。 2 2 串级调速技术的发展 串级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 的晶闸管串级调速系统，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率芋了逆变变压器，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，其原理如 图2 8 、2 9 所示： 图 8 传统串级调速原理( 外反馈式) 磊i ；蕊订 ：阿 j 一- $ a 黼_ # t 图2 9 传统串级调速原理( 内反馈式) 淮 |i丑一 j形驴j移夕 ，貉尸 华北电力人学硕士学位论文 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口”。 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变了 串级调速系统的性能，已可满足工业生产的需要，原理见图2 i o ，图2 1 1 。 现代串级调速通过将逆变器的逆变角固定下来并设在虽小值，从而产生一可靠恒定 的虽丈附加直流反电势，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 w m 调制脉宽) ，来改变串八转子回路的等效反 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瞄】。由于最新 g t o ，i g b t ，i g c 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 波频率得以提高，占空比已可做得很小和很大，从而使现代串级调速系统达到足够宽的 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改进。 又由于其变流功率小及变流在转子一侧进行，由此带来自身功耗小即节电率高。谐 波功率小，控制相对简单，装置尺寸小，运行条件宽松等一系列的优点。实际系统的实 现充分证明了这一点。 r 千绕目 ，j 铖s 、i 7 i i 麓习i 图2 1 0 现代串级调速原理( 外反馈式) 杉i = = j ：_ j = 二二二：尹 ”哭、麴一二雕d 图2 - 1 1 现代串级调速原理( 内反馈式) 华北电力大学硕十学位论文 2 3本章小结 本章首先详细分析了串级调速的工作原理和技术优势，得出如下结论：串级调 速避开困难的高压和大功率变流问题，具有以控制转子低电压回路进而控制高压电 机，以变流小的转差功率进而控制大功率电机的突出优势，对于大多数的风机、泵 类需要低同步转速调速的高压大容量电机的应用特别适合；文中阐明了串级调速技 术的发展现状，通过对比传统串级调速技术和现代串级调速技术，指出：现代串级 调速通过将逆变器的逆变角固定下来并设在最小值，从而产生一可靠恒定的最大附 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) ，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。 1 3 华北电力大学硕士学位论文 第三章i g c t 斩波控制的内反馈串级调速系统 对于经常需要调节负荷的风机泵类负载，应用调速技术具有显著的节能效果。就交 流电动机而言，可选变频调速、调压调速、串级调速等多种调速方法。从一次性投资、 谐波成份、功率因数、可靠性、操作维护难度、功能利用率等综合技术经济指标考虑， 串级调速是优选方案之一l 2 4 j 。 普通串级调速系统采用相控型晶闸管逆变器，因输入电流基波滞后于相电压，使得 整个系统功率因数很低，一般为0 4 0 6 左右。在节能的同时，因无功功率增大，功率 因数降低，实际经济效益并不显著，影响了它在较大范围内的推广和应用。 内反馈调速系统具有优良的技术经济性能，运行效率高，斩波控制又大大提高了系 统的功率因数，减少了谐波成份，尤其应用在风机、泵类负载上，可以取得其它调速不 能比拟的节电效果，而且系统的价格较低，有利于其在大范围内推广应用。 3 1斩波式内反馈串级调速系统的调速原理 3 1 1 斩波内馈串级调速系统的组成 图3 1 斩波式内反馈串级调速系统 图3 1 为带有斩波器的内反馈串级调速系统的主电路。在图3 1 中为由二极管组 成的三相桥式不可控整流电路，聊为由晶闸管组成的有源逆变器【2 引，中间直流回路接 有由集成门极换向晶闸管i g c 一2 6 】构成的斩波器。有源逆变器研始终工作在最小逆变角 状态，逆变角一般取2 5 0 3 0 0 【2 7 】。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 c t 斩波器的占空比，来改变斩波器的输出电压，即改变串入转子的附加电势来 改变电动机的转速，实现对电机调速。其中电抗器三起滤波作用，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。当i g c t 关断时，电容储存能量，i o c t 导 。通时，电容向有源逆变器放电。电抗器三的作用是维持有源逆变器研电流的连续。当 1 4 华北电力火学硕士学位论文 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。 3 1 2 斩波控制内反馈调速系统的调速原理 普通串级调速系统调速是通过改变逆变角卢来实现的，但随着角的增大，系统无 功损耗增加，功率因数降低，系统性能恶化。为此提出了i a 玎斩波器控制串级调速系 统。 由图3 1 斩波控制调速系统的主电路可知，内反馈绕线式异步电动机的转子输出电 压接至三相桥式不可控整流器砺，通过i g c t 直流斩波器与电源换相的三相桥式可控硅 逆变器研相连。研是普通可控硅组成的桥式变流器，它的触发控制角口不需要调节， 但从工作原理考虑，它可以固定在某一个大于9 0 0 的角度触发，但实际上为了提高功率 因数，降低无功损耗，总是把它控制在最大触发角也即最小逆变角艋的地方。 硼 图3 2 斩波器电流i a 的波形 从图3 2 的波形看出，设i g c t 斩波器的工作周期为n 在f 时间里，斩波开关闭 合，整流桥被短路，而在弘r 的时间里，斩波开关断开。整流桥的输出电压为： = 2 3 4 皈o ( 3 1 ) 式中如为转子开路相电压。 逆变器的输出电压为： q = 2 3 4 2c o s 儿 ( 3 - 2 ) 经斩波器输出至整流桥的电压为： 竿q 【3 3 ) 它应与整流桥输出电压相平衡，则有： ：竿u ( 3 - 4 ) 所以 州1 一争尝c o s 肚 ( 3 - 5 ) 1 5 华北电力大学硕士学位论文 胪 1 _ ( 1 一争惫c o s 风j p 6 ， 由上式可见，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f = r 时，也就是斩波开关一直处于闭合状态，即把异步电动机转子短路时，电动机达到同步 转速( 空载状态) ，而当f = o 时，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： = ，l d ( 1 一孚c o s 风) ， ( 3 - 7 ) 正 此时电机处于串调运行状态。当占空比f 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。 上面的分析虽就空载状态而言，对于负载状态也是一样，只不过由于电压降使得转 速比空载时有所降低。 3 2 斩波控制串级调速系统的性能 3 2 1 系统功率因数 普通串级调速系统的功率因数很低，主要是因为随着逆变角的增大，无功电流增加， 因此功率因数降低。通过上一节对斩波控制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器后，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 中可以将逆变角卢在最小值伊肿砒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，斩波式逆变器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，达到0 8 以上，远较传统的串级调速系统为好。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。 由于当电机工作在最低速时，斩波器不工作，因此最小逆变角凤抽。的选择必须满 足。最。= ：c o s 氏的条件，其中坼：为电机调节绕组的电压。一般来说电机的控制 绕组电压是固定的数值，因此电机的调速范围确定后，逆变角也就可以确定了。但是由 于有源逆变器最小安全触发角等因素，为了防止逆变失败，通常逆变角的最小值选为 3 0 0 。 斩波器可以采用普通晶闸管【2 引，电力晶体管和新型晶闸管，由于所研究的系统主要 应用于高压大容量的电机系统，本次设计所采用的斩波器为一种新型集成门极晶闸管 1 6 华北电力大学硕士学位论文 i g c t ，至于它的性能，后面再详细介绍。 3 2 2 谐波电流和机械特性 无论那一种串级调速系统，流过转子绕组的电流都不再是正弦波，而是矩形波或有 换流交叉角的梯形波。这就是电流的高次谐波分量。而谐波分量是不产生有功功率的。 在传统的串级调速系统中，三相桥式逆变器的直流侧电压波形随着卢角的改变而变化， 声角越小，电压谐波越小，调速越深即逆变角越大，谐波分量越大，在卢矽o o 时谐波分 量达到最大值。在斩波控制的串调系统中由于声角被固定在最小值，因此其谐波含量也 就最小。 电动机带负载时，由于压降增大而引起转速降落，所以异步电动机在斩波控制串级 调速工作时的机械特性与常规串级调速时的相似，特性随r r 的减小而几乎平行下移 的。但由于转子直流回路处于斩波工作，使回路的等效电阻减小了。所以在斩波控制串 级调速系统的机械特性比普通串调系统更硬些【2 9 】。 3 2 3 逆变器的容量 串级调速系统的调速范围d 与最大工作转差率品m 的关系为： d ：_ l ( 3 8 ) l s 。 、7 坼：= 益等 ( 3 9 ) “c o s 儿 、7 。3 毵厶： p 靠击 华北电力大学硕士学位论文 j r 2 0 = s 风i nc 。s 1 6 i 是在全范围( 从。转速开始) 调速的逆变变压器次级容量。 从上式可以看出，逆变变压器的容量与电动机额定容量只和最大工作转差率 成正比，而与c 0 晌n i n 成反比。 具有斩波环节的串级调速系统的一个突出优点，就是逆变器的容量比普通串级调速 系统要小的多。 同样，逆变器的可控硅参数也是按也和岛匝鼢来选择的。对于恒转矩负载来说， 上述分析同样成立。 对于斩波式逆变器串级调速系统来说，情况就不同了。逆变变压器的次级电压同样 由坼：= 垦。c o s 氏求出。这是因为在最低转速下工作时，f = o ，它的工作与传统串级 调速一样，但它的逆变电流就与传统的串级调速不一样。在额定转速下，由于转差率很 小，因此转差功率也非常小，这意味着通过逆变变压器传递的功率很小，故变压器次级 电流也很小。在额定转速时r = 乃即负载电流全被斩波器短接，不经过逆变器，因此逆 变器通过的电流很小。 对于风机、泵类负载，在某一转速时的负载功率： 昂= ( 旦) 3 ( 3 1 2 ) ， 转差功率： b = 士昂= 士( 旦) 3 ( 卜s ) 2 皿 ( 3 1 3 ) l j l s 以 这时逆变变压器的容量： - ( 1 。曲2 s 面去磊 ( 3 。1 4 ) 上式在j 5 时有极大值 。 一4 墨 一2 芴丽桶 ：o 1 4 8 生一 c o s 艋c o s 识 ( 3 - 1 5 ) = 仁窖薯 p 峋 ln 1 4 8 面靠 o o 争 将曲：= 3 坼：和兄。= 3 最。厶。c o s 饵代入上式可求得逆变变压器的次级电流 1 8 华北电力人学硕士学位论文 枷k 瓮， ，l 、 【j 叫 q 时，通过逆变器的电流f ， 增加，在心 q 时哆增加，在“， 眼时间少。当厶取较大值时， 的谐波分量较小。 华北电力大学硕士学位论文 图3 1 l ，3 一1 2 分别为i g c t 关断和导通时的等效屯路图。 ( 1 ) 向期间即i o c t 关断期间，隔离二极管d l 导通，电容c 充电，电路如图3 1 1 所示。 图孓l li g c t 导通期间的电路 根据图3 1 1 可列出如下方程： 飞+ 魄2 + = 0 屯= c 鲁 t l v2 d l c ( 3 - 2 8 ) ( 3 _ 2 9 ) ( 3 3 0 ) 上式中为了简化分析，假设通过l 的谐波为零，当k 取较大值时这个假设是可以 成立的。 由式( 3 3 0 ) 可得 生：垡丝二尘：一生 d tmd t 吐= 厶鲁“c 鲁 将上式代入( 3 - 2 9 ) 厶c 李m ：q l d t c 。 解式( 3 3 3 ) 得 嘲c o s 辱+ g 咖压+ q 根据初始条件： ( 3 - 3 1 ) ( 3 3 2 ) ( 3 3 3 ) ( 3 3 4 ) 华北电力大学硕士学位论文 得 玑o = q q 即 q = 以。一q 如。 一，苫2 根据初始条件： f = o 时= l 一= 。 得 g = 居一 将qc 2 代入( 3 3 4 ) 和( 3 - 3 5 ) 得 吲州c o s 历+ 居一n 厣+ q ( 3 3 5 ) ( 3 - 3 6 ) 当f = 时，“。= 以，那么 吼叫c o s 后+ 唇。咖5 + q b 3 7 ， ( 2 ) 在免期间即i g c t 导通期间，与关断时的区别是通过隔离二极管的电流为零。 在此期间的电路如图( 3 1 2 ) 所示。 图3 1 2i g c t 关断期间的电路 由图3 1 2 可列出如下方程： 2 8 华北电力大学硕士学位论文 之= c 鲁 屹= 厶鲁= 七c 争 由式( 3 3 8 ) ，( 3 - 3 9 ) 得 厶c 争+ 虬= q 懈式r 3 4 1 、得 瞄c o s 辱蚴m 辱+ 由已知条件：f = 乞时= o 得 和s 辱呻协蓐+ q h = 卧咖历如s 历 由已知条件： f = 乞时= 。= 厶一t 。 q = 辱如s 辱 啪去乞c 。，压 咖怯乞咖怯乞 将式( 3 4 5 ) 代入式( 3 4 3 ) 中得： c 2 = ( 虬o - 一q ) s i n 将c 2 代入式( 3 4 5 ) 得： 也) 厝c o s 2 9 ( 3 - 3 8 ) ( 3 - 3 9 ) ( 3 - 4 0 ) ( 3 - 4 1 ) ( 3 _ 4 2 ) ( 3 - 4 3 ) ( 3 4 4 ) ( 3 - 4 5 ) ( 3 4 6 ) 吼 q 压 = ， ： 一 得 l 华北电力大学硕士学位论文 c i = 睡。- 一q c o s i f 2 + ( 厶一- ) 告s m 壶乞 ( 3 4 7 ) ? 1 也篮2 磐州卜够堡乞堡8 ， 帆- u ，) 咖岳徊怯州- ) 捂c o s 序f 2 如压h q 玑他= ( 玑。- 一q ) c o s 去乞+ 心一- ) 吾如壶乞+ q ( 3 4 9 ) 阶啪s 历+ 胁n 辱啪s 再地，后 * 竺哟嬖霉簟 p 叫 8 m 面”8 1 n 币乞 妒0 3 9 8 畿o 删等( m h ) ( 3 - 5 2 ) 铲锷产 ( 3 5 3 ) 华北电力人学硕士学位论文 而0 l2 乃一厶l ，l 基本上是哆得最小值，当j = 时，转差功率b 最大5 1 ，即 最大： 3 4 4 整流管的参数计算 ( 3 - 5 4 ) 在选择整流管时，主要考虑整流管的电压，电流。 ( 1 ) 整流管电压： 通常将断态重复峰值电压( 心) 和反向重复峰值电压( k 肼) 中较小的一个作为 整流管的额定电压。 肼= 钆吒& 。2 ( 3 5 5 ) = 后。吒2 ( 3 - 5 6 ) 其中：加为电网电压升高系数( 通常为1 1 ) 幻为电压储备系数( 通常为1 5 2 ) ( 2 ) 整流管电流： 标称值为正向平均电流，r ( y ) ( 正弦半波，导通角1 8 0 。) 正弦半波平均值为： = 去j c