（电机与电器专业论文）交交变频同步电机系统动态过程仿真及谐波研究.pdf

摘要 交交变频同步电机系统是大容量、低速拖动领域广泛使用的种调速方案，尤 其在冶金行业，它不仅用于精轧机和粗轧机的主传动，还应用于连轧机主传动上。 在其使用过程中伴随着比较严重的谐波和无功问题。为了更好的对交交变频系统进 行无功补偿和谐波抑制，准确地分析交交变频系统电流的谐波特性，本文对该系统 进行了系统地研究及仿真分析。 本文针对攀钢轧梁万能轧机厂交交变频同步电机系统，对其结构、运行方式和 控制系统进行了分析，推导出交交变频器的数学模型。使用m a t l a b s i m u l i n k 软 件建立符合实际运行状况的无环流交交变频同步电机系统仿真模型。利用模型分别 就交交变频同步电机系统在负载变化、电压变化、输出电压频率变化及咬钢、抛钢 冲击负荷过程进行仿真。对各种状况下的谐波特性进行比较系统的分析，通过对比 得到了谐波变化的一定规律。仿真结果和现场测试数据对比验证了该仿真模型的正 确性和实用性。 关键词：交交变频，同步电机，谐波，仿真 a b s t r a c t t h ec v c l o c o n v e n e r f e ds y n c h r o n o u sm o t o rd r i v es y s t e mi sw i d e l ya p p l i e dd r i v e c o n t r o ls y s t e m so fl a r g ep o w e ra n dl o ws p e e d i nm e t a l l u r g i c a li n d u s t r y ，m o r ea n dm o r e r o l l i n gm i l l sa r ed r i v e nb ys u c hs y s t e m s ，s u c ha sf i n i s h i n gr o l l i n g ，r o u g hr o l l i n ga n d c o n t i n u o u sr o l l i n g t h eq u e s t i o no fr e a c t i v ep o w e ra n dh a r m o n i ci sb r o u g h to u tb yt h e u s eo fc y c l o c o n v e r t e r - f e ds y n c h r o n o u sm o t o rd r i v e i no r d e rt or e s t r a i nh a r m o n i ca n d r e a c t i v e p o w e rc o m p e n s a t ef o rt h ed r i v es y s t e m ，a n a l y s i st h ec h a r a c t e r i s t i co ft h e m o t o r sh a r m o n i c ，t h ep a p i e rs i m u l a t e dt h es y s t e m t h i sm e s i sa n a l y s e st h es t r u c t u r e t h ew o r k i n gm o d e la n dt h ec o n t r o ls y s t e mo ft h e c v c l o c o n v e n e r f e ds y n c h r o n o u sm o t o rd r i v eu s e da tt h ep a n z j f i h u as t e e lf a c t o r y , a n dt h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo f c v c l o c o n v e r t e ri sd e d u c e d t h et l e s i se s t a b l i s has i m u l a t i o nm o d e l o fn o n c i r c u l a t i n gc y c l o c o n v e r t e rs y s t e m ，w h i c hi sb a s e do nm a t l a b s i n m l i n k w i t h t h em o d e l t h es i m u l a t i o no ft h ec y c l o c o n v e r t e r f e ds y n c h r o n o u sm o t o rd r i v ei sb a s e do n t h ev a r i a t i o no fl o a d ，t h ev o k a g ec h a n g e ，t h eo u t p u tv o l t a g ef r e q u e n c ys h i f ta n di m p a c tl o a d p r o c e s s a n a l y z i n gt h ec h a r a c t e ro fh a r m o n i o u so ft h ed i f i e r e n ts t a t e s ，s o m er u l e so f h a r m o n i o u sc h a n g ea r eo b t a i n e d at e s tr e s u l ti sa l s og i v e nt ov e r i f yt h ev a l i d i t ya n d p r a c t i c a b i l i t yo ft h em o d e l l i um i n g y a n g( e l e c t r i c a lm a c h i n e r ya n de l e c t r i c a la p p a r a t u s ) d i r e c t e db yp r o f l i ux i a o f a n g k e yw o l i d s ：c v c l o c o n v e r t er s y n c h r o n o u sm o t o r ，h a r m o n i c s ，s i m u l a t i o n 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文交交变频同步电机系统动态过程仿真 及谐波研究，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：盏i b 旦! !日期c t o o t3 。坡 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： 日期：塑! 三，坚日期：j 仲；伙 华北电力大学硕士学位论文 第一章概述 1 1 交交变频系统仿真及谐波研究的背景 1 1 1 课题研究的意义 2 0 世纪5 0 年代电力电子元件的研制成功及电力电子技术的飞速进步，解决了调 速装置要减少设备、缩小体积、降低成本、提高效率、消除噪声的问题，使得交流 调速装置获得了飞跃发展。 随着电力电子技术的发展，电力电子技术在电机传动领域得到了广泛的应用。 交交变频同步电机调速系统就是一种在大功率、低转速范围内被广泛采用的交流调 速方案，在轧机主传动、矿山卷扬、船舶推进、水泥、风洞等传动中，逐步取代传 统的大功率直流调速。 但是大量的电力电子元件的使用带来了严重的谐波问题，谐波所造成的危害也 日趋严重。同时因为交交变频系统是一个复杂的动态控制系统，为了提高研制效率、 降低成本、验证设计指标是否合理，需要在工程研制前对其进行仿真分析【2 1 。 1 1 2 电力电子变频设备产生的谐波危害 电力系统的谐波问题几乎是伴随着交流电的广泛应用而出现的。随着各种电力 电子装置在电力系统、工业、交通及日常生活中的广泛应用，电力电子装置已超过 变压器成为最主要的谐波源。电力电子装置产生的谐波问题引起人们越来越多的关 注。目前普遍认为电力谐波已危害到电力系统以及各类用电设备的安全运行，主要 可归纳为以下几个方面： 1 ) 谐波电流和附加无功电流通过输电线路、变压器、无功补偿电容器组、发 电机和电动机等，都要产生附加损耗。附加损耗除了降低系统的效率外，还导致设 备过热，减少使用寿命，甚至损坏。 2 ) 由于波形畸变，使得各类按照工频正弦波设计的仪器仪表的测量误差增大。 波形畸变、过零点的增加严重降低了自动控制、继电保护装置的可靠运行，误动作 和拒动现象时有报道。 3 ) 谐波电流可能诱发无功补偿电容器组( 或单调谐波滤波器组) 与架空输电 线路、电网分布参数之间的串、并联谐振，导致危险的过电压，从而击穿电气绝缘， 损坏用户设备。 华北电力大学硕士学位论文 4 ) 电力系统中的高次谐波通过电磁耦合，会明显地影响电信线路的传输质量， 降低通讯设备的信号清晰度。 5 ) 谐波对旋转电机和变压器的主要影响是引起附加损耗和过热，其次是产生 机械振动、噪声和谐波过电压【3 】。 对同步电机来说，定子绕组流过谐波电流后将产生与谐波频率相对应的旋转磁场， 在转子绕组中感应出谐波电流。对凸极电机来说，谐波电流主要在极靴中流动。由于谐 波频率高，集肤效应明显，因此谐波电流只在上述转子各部件的表层流动，所以转子中 的阻尼绕组、槽楔、齿和套箍最容易受到谐波电流的损害，这些将缩短电机的寿命。除 谐波引起的损耗外，谐波引起的机械振动对电动机也有很大的危害情况，严重时甚至会 损坏电机。 1 2 交交变频系统发展现状及存在的问题 1 2 1 交交变频系统的发展 交交变频技术早在上世纪3 0 年代首先在德国，将频率5 0 h z 变为1 6 7 h z 的交 流电，但由于当时的大功率电子技术还处在初级发展阶段，没有得到实际的推广应 用。到上世纪5 0 年代中期，随着大功率晶闸管的出现，为交交技术的发展提供了 现实的可能性。 电压型交交变频器供电同步电动机系统用于低速大功率传动，最早出现于德国 s i e m e n s 公司，1 9 6 5 年，电压型交交变频器首先用于牵引机车用电源，随后，交交 变频调速技术得到了快速的发展和应用， 8 0 年代以来，德国、日本、美国、英国、法国等国的电气公司也都相继开发了 大功率电压型交交变频器调速装置，其中法国的2 5 6 0 0 0 k w 交交变频船舶推进装 置容量最大，日本m i z u s h i m a 二号冷连轧机的交交变频主传动装置的性能最高。 我国对大功率交交变频调速装置的研究起步较晚，从1 9 8 5 年起开始引进交交 变频调速装罨，多套交交变频轧机主传动装置已投产运行，最大单机容量为9 0 0 0 k w ， 实际运行情况表明效果良好。目前我国已具有提供5 0 0 0 k w 带矢量变换控制的高性 能交交变频调速装置的能力【4 j 。 采用电力电子变频装置实现电压频率协调控制，改变了同步电动机历来只能恒 转速运行而不能调速的面貌，起动困难、重载时有振荡和失步等问题已不再成为同 步电动机广泛应用的障碍。同步电动机具有的功率因数可控、功率高、电机气隙大、 制造容易、过载能力强、适用于冲击性负载的优点也得到了充分的体现，优良的控 制性能使其到了广泛应用。而同步电动机直接变频又较间接变频具有一次换能效率 华北电力大学硕士学位论文 较高、转动惯量小，但输出最高频率只有电网频率的1 2 1 1 3 的特点。因而交交变 频同步电动机调速系统特别适用于低速大功率拖动系统，而采用矢量控制的交交变 频同步电动机调速系统在电动机低速运转时则具有良好的实时控制性能。 1 2 2 交交变频系统研究的现状及存在的问题 ( 1 ) 交交变频系统研究的现状 交交变频系统的研究现在主要集中在几个方面。 一是针对交交变频同步电机系统控制的研究，它包括交交变频器的调制方法， 同步电机的磁场定向控制方法等。基于磁场定向控制的矢量控制技术已成为主要研 究方向，国内对此研究也取得很大进展，现已能独立设计矢量控制的交交变频控制 器 4 【5 】【6 1 。 新型交交变频器的开发，利用i g b t 元件构建矩阵式交交变频方案，可以进行 电压、电流波形的优化重组，实现输出频率不受输入频率的限制，获得正弦波形的 输入电流和输出电压、电流【7 】【。 另一方面是针对交交变频同步电机的设计，其中主要是探讨阻尼绕组的作用及 设计方法，尤其引进的交交变频同步电机的阻尼绕组出现事故，对阻尼绕组在交交 变频同步电机上的研究更加细致，在突加负载、突然正、反转和弱磁升速三种动态 过程中，阻尼绕组的存在减小了交交变频同步电机的输入阻抗，在动态过程的超瞬 变阶段，可以加快定子电流和电磁转矩的动态响应。对大型同步电机，转子装有阻 尼绕组对控制系统非常有利，但动态时阻尼绕组的电流不可忽视，也增加了定子谐 波电流和谐波转矩的幅值，增大了电机的损耗6 】【9 】【1 0 】【1 l 】1 1 2 】【1 3 l 。 还有一个方面就是交交变频系统的谐波抑制问题。由于系统中的交交变频器始终 工作于开关状态，而交流电机本身又是一个非线性、时变、强电耦合的多变量系统，电 机中各变量都为非正弦量，同步电机的各状态变量都包含丰富的谐波成分，对系统谐波 问题的研究，一直是一个重要的研究课题。但是现有的谐波分析主要侧重于分析交交变 频本身产生谐波的机理和交交变频系统对电网的影响，对电网侧的谐波抑制和无功补偿 提出了解决方案1 4 】【1 5 】【1 6 l ，目前对交流电机侧的谐波和谐波对电机影响的分析和研究还 不充分。 ( 2 ) 需要解决的问题 本文所结合研究的项目，某钢厂轧梁厂万能轧机厂在投运生产后，因为谐波的问 题而造成两次故障，使生产受到很大的影响。现在对交交变频同步电机系统仿真还 不彻底，尤其是电机侧的研究。在过去的研究中，电机侧常常被简化，无法精确的 分析谐波特性。本文主要对交交变频系统仿真，对谐波进行研究，尤其对电机侧的 谐波进行计算分析。 华北电力大学硕士学位论文 原则上，分析一般交交变频控制系统的研究，其主要研究方法大致可归纳为以 下四种： 1 ) 模拟仿真方法； 2 ) 直接分析方法； 3 ) 解析分析方法； 4 ) 状态变量分析方法。 交交变频同步电机系统结构复杂，技术涉及到电力电子、自动控制、电机三个 不同的学科领域，解析分析较为困难，严重阻碍了交交变频同步电机系统的设计及 其性能分析。 过去对该系统的分析多基于相控整流理论，以解析法的方式进行。而交交变频 系统种类繁多，运行情况与负载、控制策略等密切相关，实际工况是由多个参数共 同影响的结果，不可能用图表或解析式予以详尽的描述。采用计算机仿真技术对交 交变频系统作进一步分析，可以有针对性地、定性和定量地得到设计、控制和运行 参数。 1 3 论文的研究内容及主要工作 1 3 1 课题的主要内容 交交变频器的输出电压由三相正弦输入电压截取的部分拼接而成，因此输出电 压的谐波十分复杂。交交变频装置一般用于大功率场合，其对电动机和电力系统的 冲击和谐波影响都比较严熏。建立数学仿真模型可以比较真实的模拟交交变频系统 在不同工况下的运行特性和电机的性能，分析交交变频系统在各工况下的性能和谐 波情况，及对电机和电力系统的影响。为设计配套的无功补偿装置、滤波装置和电 动机提供相关的谐波、无功参数。 为了系统、准确研究交交变频系统的谐波和无功冲击，我们结合某钢厂轧梁万能轧 机厂实际的交交变频系统，进行理论分析和仿真计算，并把现场谐波测试和无功冲击造 成的电压波动与理论计算结果做比较，分析和研究了交交变频系统在动态过程下的谐波 特性。 本文对交交变频器供电同步电动机系统的研究工作，主要包括两个方面的内 容，即对电压型交交变频器供电的同步电动机传动系统的通用仿真的研究，以及对 交交变频同步电机系统的谐波特性及各种状态下的规律研究。 4 华北电力大学硕士学位论文 1 3 2 所涉及的主要问题及解决途径 本文利用m a t l a b s i m u l i n k 动态仿真工具构造出交交变频同步电机系统动态 仿真模型，对交交变频调速系统的主要工况进行仿真计算，并对仿真结果进行分析。 s i m u l i n k 是m a t l a b 通用功能软件之一，具有建模仿真可视化功能。它由大量的积 木式模块组成的，是基于m a t l a b 语言环境下的一种用于图形输入和非线性动态 系统的仿真工具。具有模块化、可重载、图形化编程、可视化及可封装等特点。可 大大提高系统仿真的效率和可靠性。 1 3 3 本文的主要工作 本文主要作了以下工作： 1 ) 结合所做的某钢厂轧梁万能轧机厂项目，将交交变频系统与其它调速方式 进行比较，对其结构方式和运行特点做了分析。论述交交变频系统的无环流切换系 统和触发调制系统的功能。分析推导交交变频器的相关公式。 2 ) 采用计算机仿真手段，根据钢厂轧梁万能轧机厂交交变频器运行结构，利 用m a t l a b s i m u l i n k 软件建立了余弦交截法的触发脉冲、换相逻辑控制、交交变 频器及交交变频同步电机系统的仿真模型。 3 ) 利用模型对交交变频系统在多个工作条件下进行了仿真，系统地分析了当 交交变频同步电机系统发生负载变化、电压变化、输出电压频率变化等情况下，交 交变频系统的电压、电流谐波特性。总结了谐波随着工况的变化，谐波分量的大小， 频谱变化的规律。 4 )针对轧钢生产中因为咬钢、抛钢过程而频繁出现的冲击负荷，借助基于 m a t l a b s i m u l i n k 软件的交交变频同步电机仿真模型，分析了冲击负荷的特性，研 究计算了冲击负载情况下，交交变频系统的谐波情况。 华北电力大学硕士学位论文 第二章交交变频器数学模型 变频器总体上可分为交直交变频器和交交变频器两种类型。交直交变频器，顾 名思义就是一种频率的交流电在变换成另一种频率的交流电之前，还经过个中间 直流环节，是间接变频；而交交变频器的特点是没有中间直流环节，它是直接将恒 压恒频的交流电通过电力变流器直接变换为另一电压和频率的交流电，因而又称为 直接交流变频器。电力变频器由于采用相位控制原则，同时正反组整流器按周期循 环换组整流，故又称为相位循环变流器或周波交换器。表2 。1 对这两种变频器的一 些特点做了比较。 类 型交直交变频器交交变频器 瑶顶 所用器件数量较少较多 器件利用率较高 较低 相方式强迫换相或负载换相电网电压换相 换能方式二次换能，效率较低 一次换能，效率较高 调频范围较宽 输入频率的1 1 3 以下 功率因数采用p m w 方式调压，功率因数高 较低 使用场合各种电力拖动装置和稳压电源低速大功率，交流励磁 表2 1 交直交变频器与交交变频器的比较 总体来说，交交变频器效率较高，且是自然换流，不需要额外的换流装置，可 采用普通晶闸管，容量做到很大。输出波形由输入电压波截段拼接而成，因而含有 谐波成分，但低频时输出波形较好，接近正弦。交直交变频器采用p w m 技术时可 以得到非常好的输出波形，但是经过中间直流环节，二次换能，效率相对低一些。 当电机转速接近于同步速，即转差频率很低时，逆变器中换流电容上的电压很低， 导通的晶闸管不易关断，使逆变器不能正常换流。在实际应用当中，采用较多的是 交直交变频器，工业上的通用变频器就是交直交形式。不过，在轧钢、水泥工程中 可以利用交交变频器低频时输出波形较好的特点。而且在大功率场合，在变频器的 容量上交交变频器比交直交变频器更有优势”。 6 华北电力大学硕士学位论文 2 1 交交变频器的工作原理 2 1 1 交交变频的基本原理 交交变频器在应用中一般是把工频的三相电源输入变换为低频三相输出，在结 构上由正反组整流器组成，正反组整流器周期性地循环换组整流，可以实现四象限 运行。为分析其工作原理，这里先研究一下“理想的”单相输出的交交变频器，即 略去输出电压中的高次谐波，把每个整流器均视为一个理想交流电源和一个理想的 二极管相串联，其等效电路如图2 1 所示。图中，电路由p 组和n 组反并联的晶闸 管变流电路组成。下标字母p 表示正组，下标字母n 表示反组，u 为负载电压， o = “口= “n = “s i n o t 。 图2 1 单相交交变频电路原理图 虽然一个变流电路可以产生一个完整周期的交流电压，但由于晶闸管的单导电 性电流不能反流，因此要想产生可调的低频交流电压和交流电流的输出，必须采用 两组反并联整流电路。它与直流可逆整流电路结构相同，正组晶闸管变流器只允许 正半波电流通过，反组晶闸管只允许负半波电流通过。让两组变流器按一定的频率 交替工作，负载就得到该频率的交流电。改变两组变流器的切换频率，就可改变输 出频率。改变变流电路工作时的控制角酣，就可以改变输出的交流电压幅值。设u 。 为口= 0 时整流电路的理想空载电压，则控制角为a 时交流电路的输出电压为 u 。= u 。c o s t t f 为使输出电压的波形接近正弦波，可以按正弦规律对口角进行调制。 在半个周期内让掰角按正弦规律从9 0 。逐渐减小到某个值，然后在逐渐增大到9 0 。 可以看出，只要以一定的触发调制规律的变化，就可以得到按正弦规律变化的平均 输出电压【18 1 。 当这一理想的交交变频器带纯电阻负载时，在负载电流的正半周，正组整流器 处于整流状态，反组整流器阻断；在负载电流的负半周，反组整流器处于整流状态， 丁i n t 一 华北电力大学硕士学位论文 伊nb “ f 2 弋 攘涟逆受藏流虹变 正纽导i l 噩厦牡t 导通 反组瞰断1 e 纽致l 瓠 图2 2 理想交交变频电路的整流和逆变工作状态 正组整流器阻断。当这一理想的交交变频器带感性负载时，如图2 2 所示，由于整 流桥的单向导电性，在负载电流的正半周( t i - t 3 ) 只能由正组流过电流，反组被阻 断；在此期间的t l - t 2 阶段正组输出电压为正，处于整流状态；t 2 ，t 3 阶段正组电流方 向没变，输出电压却变为负，正组处于逆变状态。在t j 时刻负载电流反向，正组阻 断，反组导通，进入负载电流的负半周( t 3 - 如) ；在t 3 - t 4 阶段反组输出电压和电流均 为负，反组处于整流状态；t 4 - t j 阶段反组电流方向改变，输出电压却变为正，反组 处于逆变状态【l 。 我们可以得出这样的规律；决定哪一组整流器导通和该组输出电压的极性无 关，只由电流的方向决定；导通的那组整流其是处于整流状态还是逆变状态，由该 组输出电压和电流的极性相同还是相反决定。实际的交交变频器工作情况与之最大 的差别就是环流的出现。环流是指不流过电机或其它负载，而直接在两组晶闸管之 间流动的短路电流【饽】。 交交变频器就是由正反组的开关器件按一定的规律导通和关断，而将其导通期 间的输入电压一段一段拼接起来，形成另一个频率的输出电压。根据输出电流的正 负来决定正组、反组谁来工作，为消除两组间的环流，避免电源短路，必须严格保 证两组输出电压的平均值相等，每一时刻只有一组工作，即输出电流为正时，只有 正组导通工作；输出电流为负时，只有反组导通工作。 2 1 2 交交变频器的结构 ( 1 ) 运行方式 交交变频器按电源相数分为单相和三相；按整流相数分为二、三、六、和十二 相；按两组变流器联接方式分为反并联和交叉联接；按环流处理方式分为有环流、 无环流和局部环流；按控制方式分为电压型和电流型。 ( 2 ) 主电路型式 按主电路接线对称性分为对称型、开口三角形和环型，后两种都是以减少晶闸 管数量为设计目的，但缺点也很明显。即开口三角形型式三相电压不易对称，谐波 大，环型形式仅适用小功率、要求不高的场合。 r 华北电力大学硕士学位论文 交交变频器在实际应用中的主电路型式一般可分为：三脉冲零式、六脉冲零式、 十二脉冲零式、六脉冲桥式、十二脉冲桥式等电路1 2 8 】。 r 8 t 图2 3 兰脉冲零式交交变频器电路图 三脉冲零武电路，是最基本、最蔼单豹电路形成，也是梅成其它魄路的基础， 毽国子它存在簸窭渡影较差，羧穗谚率较低等缺酸，焱实际孛己缓少缓疆。夔着窀 路脉冲数的增加，交交交频器输出波形质量也将糖离，六脉冲零式和六脉冲桥式电 路都有较好的输出波形，但六脉冲零式电路可控硪利用率较低，最大只能导通6 0 0 电角度，而六脉冲桥式电路的可控硅可以导通t 2 0 0 电角度。 r s t 图2 4 六脉冲桥式交交变频器电路图 ( 3 ) 接线方式 交交变频电路应用于大功率交流电机调速系统时主要采用三相交交变频电路， 9 华北电力大学硕士学位论文 三相交交变频器主要有两种接线方式，公共交流母线进线方式和输出星型联结方 式。公共交流母线进线方式，电源进线通过进线电抗器接在公共的交流母线上。由 于电源进线端公用，所以三相单组交交变频电路的输出端必须隔离。这种电路主要 用于中等容量的交流调速系统。输出星型联结方式，三组单相交交变频电路的输出 端是星型联结，电动机的三个绕组也是星型联结，电动机中性点不和变频器中性点 接在一起，电动机只需引出三根线。因为三相单组交交变频电路的输出联接在一起， 其电源进线必须隔离，三组单相交交变频器分别用三个变压器供电。 下图1 3 4 】为实际仿真的交交变频轧机系统接线图，交交变频器由3 台自然换流的 可逆三相桥式整流装置组成。对应同步电机a 、b 、c 三相，三相交交变频器采用逻 辑无环流三相有中心点接线方式，由3 台整流变压器供电，输出端采用星点联接。 同步电动机采用星形接线，电机星形中点和变压器中点独立。这种方案的优点是：可 采用交流偏置技术，使整流变压器的二次电压降低，晶闸管电压安全系数提高，变 频器容量降低，电机内无三次谐波【1 8 】l ”j 。 2 2 交交变频器的控制 图2 5 交交变频轧机接线图 交交变频器是截取不同的三相电源电压的波段“拼凑”成一个需用频率的正弦 电压。在一个输出周期内截取的段数越多，可能拼得越像，谐波成分越少。此外无 环流切换死区也造成了输出电压与电流波形的畸变。可见减少谐波和限制切换死区 是交交变频器控制追求的目标【2 “。 常用的交交变频控制方式包括电压控制型交交变频器、电流控制型交交变频 器。而实现控制交交变频器开关器件的触发相位角的方法包括余弦交点法、移相原 理控制法、积分控制法、锁相法、调制函数法等。不同的触发控制方法，产生的交 交变频器输出波形也不同，余弦交点法在特性上和实现上被认为是最加的方法，同 1 0 华北电力大学硕士学位论文 时它还能将输出波形谐波降至最小。 仿真中交交变频装置模型的控制方式，考虑到主要用于分析电机正常工作下的 谐波分析，采用电压型交交变频装置，脉冲触发控制发法采用余弦交点截法 2 ，2 1 环流控制原则 交交变频器虽然可以使每组整流器的控制角之和口。+ 口。= 1 8 0 6 以保证两组整流 器输出的平均电压相等，但对其电压的瞬时值来说是不相等的，这样会在正反组整 流器之间出现环流，增加电能损耗并加重晶闸管的负担，通常采用如下三种限流方 法。事实上，交交交频器如果正反组同时工作，虽然可以控制正反组的输出平均电 压相等，但是其瞬时值却做不到这一点，因此仍会有环流产生。根据限制环流方式 的不同，交交变频器有下面三种运行方式i ”】【4 ： ( 1 ) 无环流运行方式 在这种方式下，通过控制电路使某一时刻只有一组工作，而让另一组封截止。 它是根据输出电流的方向来确定正反组的工作时刻的，所以必须进行电流过零检 测。两桥切换时应将原工作的一组先推入逆变( 口 9 0 0 ) ，待零电流信号到来时封锁 原组触发脉冲，经延时再开放另一组的触发脉冲。在延时这段时间内，两组变流器 均不工作，以保证可靠换流。这就形成了无环流“死时”。否则由于可控硅的关断 时间t o f f 常大于开通时间t 。而造成电源短路，出现故障。在每个输出周期中有两次 电流过零，如果两次死时总和占一个周期的比例太大，会导致交交变频器输出电流 波谱和转矩脉动大，变频器出力下降，对于输出频率接近2 0 h z 的交交变频器，要求 无环流死时小于2 m s 。现在通过光电流检测延时时间可缩短为1 1 m s 。如果谐波量 很小，那末每组桥在工作的半周中，电流是连续的。但在实际的无环流运行方式中， 负载电流常常是不连续的。这样不仅使输出电压产生畸变，而且还给选组的控制带 来困难。 ( 2 ) 自然环流运行方式 在无环流方式下，如果电流断续，给正确的零电流捡测带来了困难，采用有环 流方式则可弥补这一点。有环流就是使口。+ 口。= 1 8 0 。，并在主回路接入限环流电抗 器。这种方式易保持负载电流连续，系统的动态性能较好，但增加了电抗器和电能 损耗，加重了可控硅的负担。环流电抗器电感量不允许过大，否则对输出基波有影 响，使输出频率的上限受到限制。 ( 3 ) 局部环流运行方式 这种方式是：当负载电流较小时按有环流方式工作，并设置不大的限环流电抗 器，负载电流较大时则按无环流方式工作。这种方式可以弥补( 1 ) 、( 2 ) 两方式 的不足，既克服了( 1 ) 方式由于电流不连续造成的问题，又克服了( 2 ) 方式电感 1 l 华北电力大学硕士学位论文 值过大造成的问题。它结合了前两种方式的一些优点，降低了对电流过零检测的要 求，降低了脉动环流，保证了电流连续。比较而言，这种方式是比较理想的，但付 出的代价是系统变复杂了。 2 2 2 触发控制原则 交交变频器是通过控制开关器件的触发相位角来实现其功能的。为了使交交变 频器的平均输出电压按正弦规律变化，必须对各组晶闸管的触发延迟角口进行调制。 控制方法有余弦交截法、移相原理控制法、锁相法、调制函数法等。不同的触发控 制方法，产生的交一交变频器输出波形是不一样的。在计算机处理技术高速发展的 今天，“余弦交截法”在特性上和实现上是最佳的方法，同时它还能将输出波形谐 波降至最小口“。 余弦波交截法是一种理想的交一交变频器控制方法。电网换相交交变频器的交 流输出电压是由其各相输入电压波形的各个片段组合而成的。它利用基准电压波与 余弦同步波的交点确定触发时刻，使输出电压的瞬时值与正弦输入波形的差值保持 最小。 对触发脉冲的要求与说明。 在晶闸管装置中，触发电路的基本作用是在确定的时刻向对应的晶闸管提供控 制极电流使其导通。虽然交交变频器可以带不同的负载，对触发电路和触发脉冲的 要求不尽相同，但是一些基本原则是相同的。 对触发脉冲的一些基本要求如下f 4 1 ： 1 ) 触发信号只在它使控制极为正、阴极为负时起作用，与此伺时晶闸管承受 正向电压时才能导通。 2 ) 触发信号可以是交流形式、直流形式或脉冲形式，由于晶闸管在触发导通 后控制极就失去了控制作用，为了减少控制极损耗，一般触发信号采用脉冲形式。 由于交交交频器的输出中点与负载中点( 双馈电机转子绕组中点) 不相连，所 以至少要有两个桥四个晶闸管同时有触发脉冲才能导通，构成回路，产生电流。每 个桥中的两个晶闸管靠双脉冲保证，即在触发某个晶闸管时，同时给前一个晶闸管 补发一个脉冲。而两个桥之间靠脉冲宽度来保证，即取双脉冲中每个脉冲宽度大于 3 0 0 ( 3 5 0 4 5 0 ) 。每组桥中的脉冲间隔约为6 0 0 ，若每个脉冲宽度大于3 0 0 ，那么无脉 冲的间隙时间必定小于3 0 0 。这样，不管第一组桥的脉冲和第二组桥的脉冲之间的 相对位置随机变化，总能在每个脉冲持续时间里，总会在它的前部或后部与另一组 桥的脉冲重合，使得四个晶闸管同时有触发脉冲，建立电流。 3 ) 触发脉冲与主回路电源电压必须同步，以使晶闸管在每一周期都能重复地 在相同的相位上触发。 1 2 华北电力大学硕士学位论文 4 ) 触发脉冲的移相范围应满足变频器的需要。 2 3 输入输出特性 交交变频器的输出电压波形并不是平滑的正弦波，而是由输入电源若干片段拼 接而成的，所以存在本身机理造成的谐波。输出电压在一个周期内拼接的电源电压 片段越多，其输出电压波形就越接近正弦波。每段电压的平均持续时间是由变流电 路的脉波数决定的。当输出频率增高时，输出电压一周期所含电压的片段数就减少， 波形畸变越严重。就常用的6 脉波三相桥式交交变频器而言，一般认为输出频率上 限不高于于输入电源频率的1 3 1 2 。电网频率为5 0 h z 时，交交变频器的输出上限 频率为2 0 h z 交交变频采用的是相位控制，因此其输入电流的相位总是滞后于输入电压，需 要电网提供无功功率。负载的功率因数越低，输入功率因数也越低。而且不论负载 功率因数是滞后还是超前，输入的无功电流总是滞后的。 交交变频电路输出电压的谐波频谱非常复杂，它既和电网频率，以及变流电路 的脉冲波数有关，也和输出频率兀有关。对于采用三相桥式电路的交交变频电路来 说，输出电压中所含主要谐波频率为 6 f , f o ，6 ，3 f o ，6 f , 5 f o ， 1 2 f , f o ，1 2 f , 3 f o ，1 2 ：5 兀， 另外，采用无环流控制方式时，由于电流方向改变时死区的影响，将使输出电 压中增加5 f o ，7 兀等次谐波。 而三相桥式交交变频电路的输入电流谐波频率为 厶= l ( 6 k l m 2 t f o | ( 2 - 1 ) 和厶= ：2 k f o ( 2 2 ) 式中，k = 1 , 2 ，3 ；，= 0 , 1 2 。 另外还有一些旁频的谐波电流，这也是由数字控制触发不完全对称、无环流死 时等因素造成。 2 4 交交变频器数学分析 本文在详细分析交交变频器各种正常导通情况和连接情况的基础上，建立了六 脉波交交变频器的数学模型。本节将进一步地给出交交变频器的数学模型。仍规定 交交变频器工作在无环流方式，并且将晶闸管视为理想的开关元件，通态电阻为零， 断态电阻无穷大。对于图2 - 6 所示的六脉波交交变频器的电路结构，定义两个开关 华北电力大学硕士学位论文 矩阵s ( f ，) 和s ：o ，) ，以记录晶闸管导通的情况1 2 2 。 ls 1 1 s 1 2s 1 3 ls 1 4 s 1 5s 1 6 s g ，) = ls 2 ，s 2 2s 2 ，l ，s ：( f ，) = ls ：。s 2 ，i ( 2 3 ) l s 3 1 $ 3 2s 3 3 jl s 3 4s 3 5 j s f = 1 或最f = 1 表明图中对应的反并联的两只晶闸管有一只导通；s 口= 0 或 s ：。= o 表明图中对应的反并联的两只晶闸管都不导通。这两个开关矩阵所有元素的 e s ，( f ，j k s ：( f ，j ) v ， u 0 = 型f 一一兰- f 一 ( 2 - 4 ) s ，( f ，)s ：( f ，) 式中： u 。是由整流变压器提供的交交变频器三相电源o a l i , ，大小为 u 。= u ms i n ( o ) t 一( ，一1 ) 2 7 r 3 ) ，i = 1 , 2 ，3 ，= 1 , 2 ，3 ； 2 4 1 不考虑换流过程的数学模型”钔 如果给交交变频器供电的整流变压器的漏抗很小，可以忽略不计。那么式2 - 4 中的电压u 0 ( f = 1 , 2 ，3 ) 就等于图2 - 7 中交交变频器输出端口与交交变频器中点之间 的电压u 。如果负载电压用表示，那么就有： 1 4 华北电力大学硕士学位论文 u j ，= u n + un ， 式中，u 。为交交变频器中性点和负载中性点0 2 _ 间的电压值。 当n 和d 这两个中性点相连时，两点间电压为零( u 。= 0 ) ，则有u 。= u 。； 当n 和o 这两个中性点不相连时，对于三相对称负载，如果三相电流连续，则有： 喜叱= 。，因此= 一；巩。 ( 2 5 ) 图2 7 非换流模式 “捃 2 4 2 考虑换流过程的数学模型池2 3 图2 - 8 换流模式 如果电源的漏抗不能忽略，晶闸管的导通和关断并不是瞬间完成的，存在一个 换流过程。晶闸管之间的换流过程，将减小交交变频器的输出电压，增加输出电压 的谐波分量；当然，并不总是3 只晶闸管同时导通，未换流时同样也是每相仅有2 只晶闸管导通( 每相的正反组桥不同时导通) 。交交变频器在考虑电源漏抗情况下的 这两种工作模式分别称为换流模式和非换流模式。下面推导这两种导通模式对应的 负载电压方程。 1 ) 非换流模式 在非换流模式下假设第f 相的s 。和墨5 晶闸管导通，即s 。= 1 ，s ，= l ，如图2 7 所示。此时主回路的电压方程为 虬一u 6 = 2 l r 警+ ( 2 - 6 ) l 式中：三，为整流变压器每相漏电感；u 。，u 。分别为整流变压器副边a 相和c 相电压； i 为第i 相负载电流。 将s 。= 1 ，s s = l 代入式( 2 3 ) ，则得u 0 = u 。一u 6 ( 2 - 7 ) 2 ) 换流模式 假设第f 相的s s j 2 ，s ，。晶闸管导通，即墨，= = s ，6 = 1 ，如图2 _ 8 ，其中换 华北电力大学硕士学位论文 流过程在s n 和s 。z 晶i 嗣管之i 司进行，此时主回路的电压方程为： u a - u c = 2 l f 鲁- l s 警州w ( 2 _ 8 ) 式中：u 。，u 。分别为整流变压器副边口相和c 相电压；i c ，为换流回路电流。 换流回路的电压方程为： u b - 牡，百d l c i l j 鲁 ( 2 - 9 ) 式中a u ，= u 。- u 。为换流电压，当等于时换流过程结束。 将式( 2 - 8 ) 2 + 式( 2 - 9 ) ，经整理得到： 半也_ 1 5 三，i d i i 砜 ( 2 - 1 0 ) 将s j 。= s ，2 = s t 6 = 1 代入式( 2 - 4 ) ，可得： ：旦些一u ( 2 1 1 ) 从上式可以看到，由于晶闸管之间的换流，使换流相增加的电感值由2 l ，变成 了1 5 l ，这样三相负载就变得不对称。因而每相负载电压的求取就有了困难。综合 ( 2 - 6 ) 和( 2 1 0 ) ，第i 相的电压可以用一种通用形式表示如下： 毛e j 堕d t + 咆鲁也一u m ( 2 - 1 2 ) 式中，l 。= 2 l ，不换流时；1 5 l ，换流时。 本章小结 ( 1 ) 本章结合所做的某钢厂交交变频系统，分析了交交变频器的工作原理，主电 路结构和输入输出特性。 ( 2 ) 根据本文选用的电压型无环流工作方式，论述了环流控制方式和触发脉冲调 制的原则和要求。 ( 3 ) 分析并推导六脉冲交交变频器的正常导通模式下考虑换流过程和不考虑环流 过程的相关公式。 1 6 华北电力大学硕士学位论文 第三章交交变频同步电机系统仿真模型的建立 电力电子系统的设计由于用户的不同要求而引起产品技术的非标化。所以精确 的系统仿真对于减少设计和试验模拟的费用，从而减少总体成本和保证产品功能的 实现是非常必要的。 系统仿真就是建立系统的模型并在模型上进行实验。交流调速系统自然属于工 程系统。数学模型是对研究系统的数学描述。简单的数学模型的研究，可以采用分 析的方法。对于电力电子系统这种复杂的数学模型，则采用仿真的方法进行研究， 即在计算机上构成计算机模型( 仿真模型) 进行实验。计算机为模型的建立和实验 提供了巨大的灵活性和方便性。它实际上是一个“活的数学模型”。在计算机上进 行仿真实验称之为仿真1 2 “。 图即为要仿真的交交变频同步电机系统轧钢时的系统图。 囊惑电流硷溺 爱 差渡毫藐 = = = 3 谐波、 无功冲击 黔擞、燹幼捡 图3 - 1 轧机驱动系统耦合图 杀 华北电力大学硕士学位论文 3 1 1 仿真工具i d a t l a b 八十年代以来，计算机仿真成为交流电机及其调速系统分析，研究和设计的有 利工具。应用计算机的仿真技术，我们可以用软件建立起实际的电机及其传动、控 制的仿真模型，再以这个模型在计算机内人为模拟的环境或条件下的运行研究，替 代真实电机在实际场合下的运行实验，既可得到可靠的数据，又节约了研究的时间 及费用。一般而言，对控制系统进行仿立，首先应建立系统模型，然后根据模型编 制仿真程序，利用计算机对其进行数据求解井将结果加以显示，显然，通常在仿真 模型中，十分耗费时间与精力的是编制与修改仿真程序，而m a t l a b 的出现为系 统仿真提供了强有力的支持，是个非常先进而且使用便利的优秀仿真软件。 m a t l a b 是美国m a t h w o r k s 公司推出的一种使用简便的工程计算语，它以矩阵 运算为基础，把计算、可视化、程序设计融合到了一个交互的工作环境中，在这里 可以实现工程计算、算法研究、建模与仿真、数据分析及可视化、科学和工程绘图、 应用程序开发( 包括图形用户界面设定) 等等功能，而且，m a t l a b 提供的工具箱 为各行各业的用户提供了丰富而实用的资源1 2 “。 m a t l a b 语言具有以下特点： 1 ) 功能强大 m a t l a b 不但在数值计算和符号计算方面具有强大的功能，而且在计算结果的 分析和数据可视化方面也有着其他类似软件难以匹敌的优势。此外，m a t l a b 的 n o t e b o o k 为用户提供了把数学和文字进行统一处理的功能，而m a t l a b 的 s i m u l i n k 功能则将其应用扩展到各行各业的仿真领域。不仅如此，公司更推出了 针对各专业应用的m a t l a b 工具箱。 2 ) 界面友好、编程效率高 m a t l a b 是一种以矩阵计算为基础的程序设计语言，其指令表达方式与标准教 科书的数学表达式非常接近。用户不需要有较高的计算机编程基础，只要按照计算 要求输入表达式，m a t l a b 将为用户计算出结果。 此外，使用语言设计的程序，其编泽和执行速度远远超过了传统的c 和f o r t r a n