（电气工程专业论文）串级调速系统谐波与功率因数的仿真研究.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文串级调速系统谐波与功率因数的仿 真研究，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： 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 导师签名：易狮时 期：趁! 碰21 日期：驯， 华北电力大学工程硕士论文 第一章绪论 1 1 电力拖动与调速节能1 3 电力拖动是现代最主要的机电能量变换形式之一，它广泛应用于工农业、交通 运输等国民经济的许多领域，并随着控制技术和控制理论的不断进展而非常迅速地 发展着。电力拖动可以分为直流拖动和交流拖动。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，都为交流电 力拖动的发展与应用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，交流调速拖动正 在或已经取代直流拖动。 据统计，世界上大约有6 0 左右的发电量是通过电动机来消耗的。在我国，各 类电动机的装机容量已超过4 亿k w ，其中异步电动机的比例约为9 0 ，而其中拖 动风机、水泵及压缩机类机械的电动机大约有1 3 亿k w 。在目前4 亿k w 的电动机 负载中，约有5 0 的负载是变动的，其中的3 0 可以使用电动机调速，即约有6 0 0 0 万k w 的调速电机市场。 特别指出的是，交流调速拖动系统在节能方面的作用。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“1 。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潜力。在许多交流拖 动装置中，交流电机及其所拖动的机械在选用时由于安全等方面的考虑往往都留有 一定的裕量，而且也不总是在最大负荷情况下运行，但是电动机只有在额定负载下 运行效率才高，实际电动机常常处于低效运行状态。在轻载时，如果利用电力电子 技术降低电机的外电压，或通过对电机速度控制来改变某些工作机械的工况，就可 以达到节电的目的。因此，电机调速节能一直被广泛注。下面以工业上大量使用的 风机、水泵为例说明交流调速的节能原理”。这类机械大都采用交流电机拖动，过 去大都是靠调节风门、闸阀来改变流量，大量功率消耗在挡板上。根据流体力学可 知，风量或流量q 与转速的一次方成正比( q “栉) ，风压或液压与转速的二次方 成正比( 日a c 疗：) ，轴功率，与转速的三次方成正比( po c 矿) ，如果采用降低传动电 机转速的方法来减少风量或流量，所需功率成三次方的关系下降，节电效果十分显 1 华北电力大学工程硕士论文 著。例如，若风量只需要8 0 ，电机的转速下降到8 0 ，这时轴功率将下降到额定 功率的5 1 ，与全速运行工况相比可节电约4 0 。所以风机和泵类采用电动机调速 装置来代替阀门和挡板调节流量有明显节电效果。 l - 2 变频调速和串级调速4 1 在所有异步调速方案中，变频调速和串级调速是比较有价值的两种调速方案， 它们均有较好的调速性能和节能的优点，但根据自身的特点，他们有各自的应用场 合。 变频调速是通过改变电动机定子电源的频率来改变其同步转速的调速方法。变 频调速系统主要设备是变频器，目前国内大都使用交一直一交变频器。虽然低压变频 调速装置已成功应用在中、小容量和低压电机上并取得了巨大的节能效果，但由于 受电力半导体器件绝缘水平的限制，目前应用于大容量中、高压风机、水泵、压缩 机和搅拌机等场合的高压变频器一般采用多重逆变器串联或功率开关器件直接串 联的电压型逆变器，其一次性投资巨大，设备投资回收期长，而且对调速范围要求 不大的某些风机、水泵来说，变频调速的性能也没有得到充分的利用。 串级调速是指绕线电机转子回路通过串入可调附加电势来改变电机的转差 率，从而达到调速的目的。大部分转差功率被附加电势所吸收，再利用产生附加电 势的装置，把吸收的转差功率反馈回电网。由于该方案是在电机转子侧进行调节， 电压等级相对较低，所需调速系统的功率等级也相对较低并且会随着调速范围的减 小而减小，所以具有较好的经济性。对于功率大、调速范围窄的拖动系统，应用串 级调速更为合理，它以节约电费的方式回收投资，一般卜2 年可以收回投资。 1 3 谐波抑制与无功补偿“。 谐波和无功补偿问题涉及的面都比较广。谐波问题包括畸变波形的分析方法、 谐波源分析，谐波的危害及影响、电网谐波潮流计算、谐波测量及有谐波时各种电 流量的测量方法及手段、谐波补偿和抑制、谐波限制标准等问题；无功功率问题包 括无功功率理论及负荷补偿理论、输电系统中稳态及动态无功功率控制理论、无功 功率对供用电系统的影响、各种无功补偿装置及无功功率的调度和管理等本文主 要研究串级调速系统的谐波抑制和无功补偿方面的问题。 谐波抑制和无功补偿是两个相对独立的问题，但是两者之间又有非常紧密地联 系，这是因为： 1 ) 在没谐波的情况下，无功功率有其固定的概念和定义。而在含有谐波的情况 下，无功功率的定义和谐波有密切的关系，除谐波本身的问题之外，也影响负载和 电网的无功功率，影响功率因数。 2 华北电力大学工程硕士论文 2 ) 产生谐波的装置同时也大都是消耗基波的装置如电力电子装置，电弧炉和变 压器等。 3 ) 补偿谐波的装置通常也都可以作为补偿其基波无功功率的装置，如l c 滤波 器，有源电力滤波器中的许多类型都可以补偿无功功率，高功率因数整流器限制了 谐波也提高了功率因数。 现代电力电子技术以其快速、灵活、准确且连续可控的特点，在电力系统中得到了 广泛的应用，从而提高了运行的灵活性、可靠性及经济性。但与此同时，这些电力 电子技术的应用也将非线性元件和非线性负荷带入电力系统，使电力系统的电流和 电压产生波形畸变，并对电力设备产生危害及对通讯和电力设备产生干扰，致使谐 波治理成为人们面临的重要问题。 产生附加损耗是谐波对交流电机的主要影响。谐波电压或电流可以使定子绕 组，转子回路以及定子和转子叠片中的损耗增加，谐波电流在定子和转子绕组端部 的漏磁场也要产生额外的损耗。此外，由于涡流和集肤效应，定子和转子中的损耗 也比直流电阻的损耗大。在斜槽转子感应电动机中，定子和转子内的磁场变化和高 频磁场都要产生附加的铁损。谐波对电机产生的另一个主要影响是产生谐波转矩， 它们可能引起明显的转矩振荡。 消除谐波电流的主要措施之一是在谐波源附近安装滤波器，就近吸收谐波产生 的谐波电流。滤波器主要有无源滤波器( p p f ) 和有源滤波器( a p f ) 两种。无源 滤波器是由电力电容器和电抗器按功能要求组合而成的l c 调谐滤波器。这种方法即 可补偿谐波，又可补偿无功功率，其结构简单，维护方便，是传统的补偿无功和谐 波抑制的主要手段，但它的滤波效果取决于无源滤波器和系统阻抗的比值，受系统 结构变化影响大，易和系统阻抗相作用，产生并联或串联谐振。有源滤波器能同时 消除任意频率、任意幅值和相位的谐波电流，并使无功功率得到补偿，它不增加储 能元件，可以避免系统发生谐振，但初始投资比较高，大容量化难以实现，这些都 限制了这一技术的推广和应用。 1 4 研究意义及主要工作 交流调速从电机种类来分包括同步机调速和异步机调速两种，从控制方法上又 可分为定频调压调速、变频调速、转差功率控制调速。目前，工业生产中普遍采 用的是p w m 变频调速系统，这种调速属于精型调速。但是，对于风机、泵类等大 容量平方转矩负载，由于所要求的调速范围较小、系统静动态特性要求不高等特点， 如果采用变频调速有可能会产生得不偿失的效果，而采用串级调速则不然，串级调 速系统的容量于调速范围关系密切，调速范围越小容量越低，这大大节约了成本， 所以晶闸管串级调速技术是大容量交流电机调速中应用非常广泛的一种方法；另 华北电力大学工程硕士论文 外，相对传统的变极调速，串级调速实现了无级平滑调速，提高了调速性能；而相 对交频器调速，由于滑差功率通过有源逆变回馈至电力系统，节电效果明显，而且 性价比高，尤其在大容量电动机上，变频器的造价过高；相对于转子侧串附加电阻 调速而言，无论传统的固体电阻、频敏电阻还是液体电阻或热变电阻都要消耗电能， 引起效率下降。所以，对于高压、大容量绕线式电动机调速而言，串级调速是最合 适的。 首先，对风机、泵类负载采用变频调速，其逆变器功率为全功率：如果采用串 级调速方法，则其逆变器功率仅为全功率的1 6 左右。 其次，对大容量高压电机采用变频调速，其高压变频器价格比较昂贵；若是采 用串级调速方法，由于转子侧低压调速，相对来说可以节省很大投资。 最后，串级调速系统还具有装置安全、可靠性高的优点。即使串级调速装置万 一出现故障，异步电动机也能完全脱离串级调速装置而转换到转子短接的全速运行 状态，并且可利用原来的流量调节系统( 挡板调节) 进行流量的调节，从而保证生 产正常进行。 但是，传统串级调速方法存在一个很突出的缺点，就是系统功率因数相对较低， 在高速满载运转时系统总的功率因数大约只有0 6 左右，而在低速时系统总的功率 因数更低“。，这限制了串级调速系统的应用和推广。因此，从节约能源的角度来说， 就需要寻找有效方法来提高串调系统的功率因数。 同时，通过半导体电力交流器对电动机的功率进行调节来实现调速，虽具有转 换效率高的优点，但也具有谐波电流大的缺点。串级调速中整流器和逆变器的使用， 使得电流波形发生畸变，畸变电流中含有高次谐波分量。这不但降低了功率因数， 也增大了噪声和发热损耗、产生干扰、污染电网。谐波还会引起电动机机械脉振现 象。因此，抑制和消除谐波，提高功率因数是此类调速的重要课题。 随着对谐波污染认识的加深，提高电力电子装置的功率因数和减少电力电子装 置产生的谐波污染是当前设计和制造电力电子装置首要考虑的关键问题之一。据 此，本论文主要进行以下几个方面的工作： 1 ) 在分析串级调速基本原理的基础上，推导传统串级调速系统的等效电路，详细分 析并归纳出谐波的产生及影响串级调速系统功率因数的主要因素。 2 ) 利用m a t l a b 建立传统串级调速仿真模型，对系统的谐波包括定、转子电流、 逆变电流和电网电流仿真分析，同时也对系统的功率因数进行仿真分析； 3 ) 针对传统串级调速系统谐波畸变大和功率因数低的缺点，利用升压式斩波器 改进主回路拓扑结构，在分析其工作原理的基础上，利用m a t l a b 建立系统仿真模 型并对该改进系统的谐波情况和功率因数进行仿真分析； 4 华北电力大学工程硕士论文 4 ) 利用并联电容器的方法对升压斩波式串级调速系统的无功进行补偿，同时设 计无源l c 滤波器滤除系统的低频诣波，给出相应的仿真结果。 华北电力大学工程硕士论文 第二章串级调速系统的基本原理 2 1 三相异步电动机的调速方法。 交流电机包括异步电机和同步电机两大类，每种电机根据自身的特点有不同的 调速方法。对于同步电机而言，由于它没有转差，而且转子不可调节，所以同步机 只能使用变频调速。而对于三相异步电动机，其转速公式为： 押：( 1 一j ) 盟 p ( 2 - 1 ) 从上式可知，通过改变供电频率工、电动机的极对数p 或转差率s 均可达到改变转 速的目的。从调速的本质来看，不同的调速方式无非是改交交流电动机的同步速或 不改变同步转速两种。 在生产机械中广泛使用不改变同步转速的调速方法有绕线式电动机的转子串 电阻调速、斩波调速、串级调速以及应用电磁转差离合器、液力藕合器、油膜离合 器等调速。改变同步转速的有改变定子极对数的多速电动机，改变定子电压、频率 的变频调速有能无换向电动机调速等。 从调速时的能耗观点来看，三相异步电机的调速方法也可以分为高效调速方法 与低效调速方法两种。高效调速方法指转差率不变的调速方法，该方法中转差损耗 不随转速的变化而变化，如变频调速。对于能将转差损耗回收的调速方法( 如串级 调速等) 也属于高效的调速方法，它的效率介于变频调速和其他低效的调速方法。 有转差损耗的调速方法属低效调速，如转子串电阻调速方法，能量就损耗在转子回 路中；电磁离合器的调速方法，能量损耗在离合器线圈中；液力偶合器调速，能量 损耗在液力偶合器的油中。一般来说转差损耗随调速范围扩大而增加，如果调速范 围不大，能量损耗是很小的。 2 2 串级调速系统的基本原理 2 2 1 串级调速原理】 绕线式异步电动机转子回路串电阻调速是一种效率相对很低的调速方法，串联 在转予回路的电阻，如图2 1 所示，会在转子回路产生转差功率损耗，t i p = 比， 并且转速越低，转差率就越大，即转差功率损耗就越大，而且转差功率完全消耗在 转子回路的电阻上，所以此时系统的效率就会很低。另外，传统的转子串电阻调速 是一种有级调速方法，并且会使电机的机械特性变软。 6 华北电力大学工程硕士论文 图2 - 1 绕线式异步电机转子串电阻调速原理 串级调速的提出是继承了传统异步电机转子串电阻的调速原理，但它很大程度 上利用了转差功率，使之不是消耗在转子回路电阻中面是回馈电网或以其他方式加 以利用，从而提高了效率。同样，在异步电动机的转子侧引入控制量，即在绕线式 异步电动机的转子回路中串入一个与转子回路频率相同、相数相同的交流附加电 势，如图2 - 2 所示。通过改变这个附加电势的幅值或相位来实现调速。这样，电动 机在低速运转时，转子中的转差功率比只是小部分在转子绕组本身的如上消耗掉， 而转差功率的大部分则被串入的附加电势e 所吸收，再利用产生附加电势e 的装置 设法把所吸收的这部分转差功率回馈入电网( 或再送回电动机轴上输出) ，就能使电 动机在低速运转时具有较高的效率。 图2 - 2 绕线式异步电动机转子串电势调运原理 下面我们就分析一下异步电动机串级调速系统是如何通过改变乜相位来调节 电机转速的。异步电动机处在自然机械特性上运转，就相当于图2 2 中e o = o 的状态， 这时电动机转速处在接近额定值稳定运转，假定电动机拖动恒转矩负载，则转子每 相电流i 。为 厶：11 兰! ! 垒 ( 2 2 ) 孑+ ( 啦) 2 式中，电动机转子开路相电势： j 转差率； 吃转子绕组每相电阻： 而s = l 时转子绕组每相漏抗； 由于定子电压恒定，所以气隙磁通保持不变，而电动机的电磁转矩为 t = o m c o s 9 2 ( 2 3 ) c 0 转矩常数；钆气隙主磁通；仍转子电流相位角 7 华北电力大学工程硕士论文 当电动机转子串入电势龟的相位与转子感应电势s e 2 。，的相位差角 9 0 0 时，电动 机自额定转速值向下调速。因为附加电势忘的串入，转子回路中的合成电势将由原 来的成，变为成，一忘，从而引起转子电流丘的变化，电磁转矩t 随之变化。当相 位差角尹= 1 8 0 时，转子电流厶的大小为 厶2 券寿 ( 2 4 ) 厶值的减小使电动机出现电磁转矩小于负载转矩值的状态，稳定运转条件被破坏， 迫使电动机降速。随着转速的降低，转差率s 增大，由式( 2 - 4 ) 可知，转子电流的大 小厶回升，转矩r 亦相应增大，直到电动机转速降低至某值，厶回升到使得电动机 的电磁转矩与负载阻转矩又相等时，减速过程结束，电动机就在此转速下稳定运转， 此即为电动机向低于同步速方向调速的原理。串入与蛾，相位相反的附加电势e 幅 值愈大。电动机的稳定转速就愈低。反之，当电动机转子串入的丘相位与转子感应 电势成，初始相位的差角伊 9 0 0 时，转子电流厶将增加。当相位差角减为 妒= 0 。磕。，相位与或的初始相位相同时，转子电流厶的表达式变为 2 再$ e 2 菰0 p + 了e a ( 2 - 5 ) 此时，电动机的电磁转矩亦相应增大，电动机转矩大于负载转矩，迫使电动机加速， j 值减小，由式( 2 5 ) 可以看出，随着s 值减小，厶亦减小。当所串入的e 足够大时， 电机必然要加速超过同步速，使j 0 ，啦。， 0 ，式( 2 5 ) 中的分子项变为 e l 蛾，i ，l 亦减小，当电动机转矩复原到与负载阻转矩相平衡时，加速过程结束， 电动机处在高于同步速的某值下稳定运行。所串入同相位的附加电势瓦幅值越大， 电动机稳定转速就越高。 由以上分析可知，通过改变所串入转子的附加电势的相位和幅值可以使电机运 行于超同步和次同步状态。当电机工作与超同步状态时，从定子和转子输入的功率 基本上作为轴功率输出，电机没有节能效果。现实当中更多的情况是电机工作在此 同步状态下，定子输入的功率大部分作为电机的轴功率输出，附加电势吸收部分功 率，该部分的功率若反馈回电网则可以提高能源利用率。本文只研究电机工作在次 同步的情况。 2 2 2 附加电势的获得 由于转子感应电势岛( 或呜。) 的频率随电机转速变化而变化，因此要求所串入 的附加电势的频率必须跟踪扇且大小可调，这增加了设计、控制的难度和成本。实 际应用中是先把转子的交流电动势整流成直流后再与给定的直流电势比较，改变直 华北电力大学工程硕士论文 流电势的辐值就能达到调速的目的。把交流交频问题转化为与频率无关的问题，这 使得主电路和控制大为简化。对直流电势的要求有两个，一个是必须连续可调；另 一个从节能的角度看，它应该能把从转子传递过来的能量加以利用，如把它回馈给 电网或者转换为机械功率。根据以上要求，利用三相有源逆变器直流侧作为直流电 势是比较成熟的方案，这便是电气式s c h e r b i u s 串级调速系统”一，即传统的串级调 速系统，如图2 3 所示。由于整流器的功率只能单向流动，所以该系统中电机只能 工作于次同步状态，而逆变变压器的使用是为了获得与调速范围相匹配的附加电势。 整流器逆变器 图2 - 3 传统串级调速系统 2 3 传统串级调速系统的等效电路 传统串级调速系统的原理图如图2 - 3 所示，在这里不考虑电机内部的电磁关系， 而把转子输出看成是一个频率为巩、有效值为峨的电压源。由于电机折算到转子 的等效阻抗较大，其中等效电阻会引起整流输出电压降低，而漏感的存在会引起较 大的换相重叠压降。根据电力电子技术的相关知识u “，在考虑整流器交流侧等效 参数的条件下，整流输出电压为 盘 = 1 3 5 s e 2 0 一厶( 二2 + 2 r d 2 ) ( 2 - 6 ) 嚣 其中瓦一电动机转子开路线电压有效值；厶一整流器直流侧电流； 而2 - - - - - - 电机折算到转子侧的等效漏抗；咯：一电机折算到转子的等效电阻； 同理。在考虑逆变器交流侧等效阻抗的情况下，逆变器的直流侧电压为 1 = = 1 3 5 2 c o s p 一厶( 二砷+ 2 r r ) ( 2 7 ) 并 式中珥，一逆变变压器二次侧线电压有效值：而折算到逆变器二次侧的等效漏 感；斥折算到逆变变压器二次侧的等效电阻 根据式( 2 - 6 ) 和( 2 - 7 ) 可以得到传统串级调速系统的等效电路，如图2 4 所示。 在此忽略平波电抗的等效电阻。 9 华北电力大学工程硕士论文 3 2 白2i 2 3 一而 7 图2 - 4 传统串级调速系统的等效电路 令= 以，可以得到转差率表达式为 ，：! ：翌：竺! ：生兰：! ! 兰! ( 2 - 8 ) j = o r _ 一 1 3 5 e 2 0 一乇x d 2 l d 将j = ( n o 一 ) 代入上式，电机的转速表：这式为 栉：一135ur2cosfl+ia(鲁x,r+2rr+一2ra2),701 】 ( 2 9 ) 栉= 一。 一】 ( 2 9 ) 1 3 5 e 一二x d l i d 空载时，即厶= 0 ，由式( 2 9 ) 得出理想空载转速为 铲咿絮拳 埘 改变逆变导通角口即可改变电机的理想空载转速，所以异步机用串级调速系统进行 调速时，不同的口角下，电机的机械特性近似平行，其调速方式类似于直流电机的 调压调速。此外，由于转子等效串入的电阻较大，所以调速时的人为机械特性比固 有特性要软。 2 4 串级调速装置的电压和容量1 5 1 串级调速装置是指在整个串级调速系统中，除异步电动机以外，为实现串级调 速而附加的所有功率部件，包括转子整流器、有源逆变器和逆变变压器。从经济角 度出发，必须正确合理她选择这些附加设备的电压和容量，以提高整个调速系统的 性能价格比。 整流器和逆变器容量的选择主要依据其电流与电压的定额。电流定额决定于异 步电动机转子的额定电流厶。和所拖动的负载，电压定额则决定于异步电动机转子 的额定相电压( 即转子开路电动势) 瓦和系统的调速范围d 。为了简便起见，按 理想空载状态来定义调速范围，并认为异步电动机的同步转速就是最大的理想空 1 0 华北电力大学工程硕士论文 载转速，于是d = n o 式中；。调速系统的最低转速， 转差率。根据转差率的定义有 ，m = n o ( 1 一矗。) 于是有 对应于最大理想空载 ( 2 1 1 ) = 1 - 1 d ( 2 - 1 2 ) 由式( 2 1 2 ) 可知，调速范围越大，也越大，整流器和逆变器所承受的最大电 压也越高。 逆变变压器与晶闸管一直流电动机调速系统中的整流变压器作用相似，在交流 串级调速系统中，设置逆变变压器的主要目的就是取得能与被控电动机转子电压相 匹配的逆变电压，以使电机可在目标调速范围内平滑调节；其次是把逆变器与交流 电网隔离，以抑制电网的浪涌电压对晶闸管的影响。为简化分析和计算，通常忽略 图2 - 4 所示的等效电路中的各电感和电阻，这样，可以写出逆变变压器的二次相电 压以，和异步电动机转子电压之间的关系为 p 以，= 土也 ( 2 1 3 ) “c o s 儿 一般取c o s 氏= 3 0 。，则 = 黪_ 1 1 5 s e 2 0 ( 2 - 1 4 ) 再利用式( 2 - 1 2 ) 得 u 2 r = 1 1 5 乏。( t 一五1 ) ( 2 - 1 5 ) 由式( 2 1 5 ) 可以看出，u 2 ，与转子开路电动势成正比关系。可以设想，如果 不用逆变变压器，则式中的，即是交流电网电压，这样要满足在时纯= 3 0 。的 条件是很困难的，且往往是不可能的。 逆变变压器的容量为 爵* 3 r o ( 2 1 6 ) 再把式( 2 - 1 5 ) 代入上式，有 s r = 3 4 5 ，1 ( 2 - 1 7 ) 由上式可见，随着系统调速范围的增大，逆变变压器和整个串级调速装置的容 量都相应增大。这在物理概念上也是很容易理解的，因为随着系统调速范围的增大， 华北电力大学工程硕士论文 通过串级调速装置回馈电网的转差功率也必然增大，即必须有较大容量的串级调速 装置来传递与交换这些转差功率。从这一点出发，串级调速系统往往被推荐用于有 限调速范围( 例如d - - 1 5 2 0 ) 的场合，而很少用于从零速到额定转速全范围调 速的系统。 2 5 传统串级调速系统的效率分析1 6 1 异步电动机正常运行时，由定子输入电机的有功功率常用只来表示，扣除定子 的铜损免，和铁损。后经气隙传送到电动机转子的功率即为龟磁功率艺。电磁功 率在转子中分成两部分，即机械功率和转差功率，其中= ( 1 - s ) p ，而 = 以。在正常接线或转子串电阻调速时，全部消耗在转子回路中，而在串级 调速中，e 并未被全部消耗掉，而是扣除了转子铜损乞：、杂散损耗只和附加的串 级调速传动装置损耗乏后通过转子整流器与逆变器返回电网，这部分返回电网的 功率称作回馈功率p ，。对整个串级调速系统来说，它从电网吸收的净有功功率应 为己= 弓一尸，。这样可以画出系统的功率流图如图2 5 ( b ) ，其中只l 。为机械损耗， 只为输出轴功率。 一 ( a ) 串级调速系统功率传递简图 ( b ) 系统功率流图 图2 - 5 系统效率分析图 串级调速系统的总效率可是指电动机上的输出功率昱与系统从电网输入的有 功功率圪之比，其表达式为 磅1 0 0 = 镑1 0 慨 亿 ：墨( ! 二生= 生1 0 0 只0 一s ) + x p 式中即是系统的总损耗，野= 咒1 + ，+ 毛2 + 只+ + 名在串级调速系统中，当 电动机的转速降低时，如果负载转矩不变，p 基本不变，式( 2 1 1 ) 中分子和分母中 的只( 1 一s ) 随着s 得增大而减小，所以转差率对系统效率的影响不大，故系统在调速范 1 2 华北电力大学工程硕士论文 围内都能保持较高的效率。 2 6 传统串级调速系统功率因数的分析“刀 传统串级调速系统虽然具有效率高的优点，但系统的功率因数却较低，而且随 着转速的降低，系统的功率因数更低。下边分析系统功率因数低的原因。 系统的功率流向如图2 5 ( a ) 所示。系统的功率因数等于系统所吸收的有功功 率与视在功率之比，即 ( 2 - 1 9 ) 由上式可以知道传统串级调速系统的功率因数和电动机本身以及逆变器有关， 取决于以下几个因素： 1 ) 异步电机本身的功率因数会随着转速降低而降低。电机所吸收的无功q l 一 般来说不随电机的转速变化而变化，它约等于激磁功率，而电机的有功功率只会随 着电机转速的降低而减小，所以电机本身的功率因数会随着转速的降低而变小。 2 ) 不考虑谐波情况下，逆变器的功率因数为c o s p ，逆变器吸收的无功功率随 着电机转速的增大而增加。 3 ) 整流器和逆变器引起的电流畸变，高次谐波分量要消耗一定的无功。 4 ) 整流器由于交流侧电感较大而导致较大的换相重叠角使电压电流不同步要 吸收一定的无功功率。 上述四个因素中，第一个属于电机本身引起的，除交频调速外，其他类型的异 步机调速系统也是如此；第二个因素是引起系统功率因数低的主要方面，因为随着 转速增大，逆变器吸收的无功急剧增大，由式( 2 1 9 ) 可知此时的功率因数将会很低； 第三和第四个因素的影响相对较低，往往可以忽略。 2 7 本章小结 本章在分析串级调速系统基本原理的基础上，推导了传统串级调速系统的等效电 路，通过改变逆变导通角可以改变电机的理想空载转速从而改变电机的转速。串级 调速装置可以回收转差功率，随着转速的降低，回馈的转差功率越多，串级调速系统具 有较高的转换效率，有效地节约能源，但是，功率因数低是串级调速系统最大的缺点。 华北电力大学工程硕士论文 第三章传统串级调速系统的仿真分析 传统串级调速系统有很出色的节能效果，但是传统串级调速由于具有大量的 非线性元件，从而使得系统的谐波非常丰富；另一方面，系统的功率因数较低。这 些都是人们关注和研究的热点【1 7 1 9 ，本章将对传统串级调速系统的谐波和功率因 数进行仿真分析。 3 1 谐波相关知识2 0 1 谐波是指一个周期电气量的正弦分量，其频率为基波分量的整数倍。在供用电 系统中，通常总希望交流电压和交流电流呈正选波形，表示为： “o ) = 4 2 u s i n ( c o t + 口) ( 3 - 1 ) 正选电压是加在线性无源元件胄、工和c 上，其i 、分别为比例、积分和微分关系， 仍为同频率的正弦波。但当施加在非线性电路上时，电流就变为非正弦波，非正弦 电流在电网阻抗上产生压降，会使电压波形也变为非正弦波。当然，非正弦电压施 加在线性电路上时，电流也是非正弦波。对于周期为t = 2 石国的非正弦电压u ( c o t ) ， 一般满足狄里赫利条件，可分解为傅立叶级数： 三 ( f ) = 口o + ( qc o s ，刎+ “s i n n o t ) ( 3 2 ) 式中，= 去r * u ( t ) d ( c o t ) q = 昙r “( f ) c o s n c o t d ( c o t ) 毛= 妻卜c t ) s i l l 拧c o r d ( c o t ) 式中( 3 - 1 ) ，频率为1 t 的分量称为基波，频率为大于1 整数倍基波频率的分量称 为谐波。谐波次数为谐波频率和基波频率的整数比。以上式均以非正弦电压为例， 对于非正弦电流也完全适用，仅将“( r ) 转成f i t ) 即可。表示谐波含量的大小可以用以 下一些定义式： ( 1 ) 第n 次谐波电压含有率以h r 玑( h a r m o n i c r a t i o 以) h r 以= 1 0 0 ( 3 3 ) u l u 。第r 1 次谐波电压有效值 玑基波电压有效值 同理，第n 次谐波电流含有率以嚣彤。表示为 ， h g , , = 1 0 0 ( 3 4 ) 1 4 华北电力大学工程硕士论文 ( 2 ) 谐波电压含量u 。和谐波电流含量如定义为： r _ u a = 1 暖 ( 3 5 ) y 月- 2 r - b = 1 露 ( 3 6 ) in = 2 ( 3 ) 电压谐波畸变率t h d , ( t o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n ) 和电流畸变率t h d , 定义为： t h d = 鲁圳o ， m ：丘1 0 0 ( 3 8 ) 】1 3 2 传统串级调速系统的谐波分析 3 2 1 传统串级调速系统的谐波情况 在分析阻感负载的整流电路时，通常忽略变压器的漏抗，同时认为负载中电感 量无穷大。这时三相电流为阶梯波，如图3 - 1 所示，对阶梯波分解为傅立叶级数便 可以获得三相电流的各次谐波。通过这样的分析结论清晰易的，但是，该分析方法 忽略了变压器的漏抗引起的换相重叠现象和负载电感为有限值的实际情况。在串级 调速系统中，由于转子绕组与三相不控整流桥相联，受其影响，转子电流会产生谐 波。电动机转子的漏抗犹如变压器的漏抗一样，会使整流过程中产生换相重叠的现 象；同样，平波电抗量为有限值也会使电流产生脉动。所以，实际上交流侧电流波 形如图3 2 所示，该波形精确的数学解析式很难获碍，对该波形进行傅立叶分析相 应比较困难，工程上通常用g r a h a m s c h o n h o l z e r 法进行分析“。 图3 - 1图3 - 2 运用g r a h a m s c h o n h o l z e r 方法分析表明，转子电流含有的谐波次数和忽略交直 流电感影响时是一样的，只是各次数谐波的含量不一样。整流器在交流侧电机漏感 和直流侧电感的影响下产生的次数为( 6 ，1 ) f f 0 ，( ，= 1 ，2 ，3 ) 的谐波电流，另一个 是逆变器在直流侧电感和交流侧变压器漏感影响下产生的次数为 ( 6 m 1 ) 五，( 配= l ，2 ，3 ) 的谐波电流。一般来说，两个谐波源不会相互影响，但对于 1 5 华北电力大学工程硕士论文 串级调速系统，由于两个谐波源只有一个有限电感量的电感进行隔离，所以这两个 谐波源又相互影响。在直流电感上的电流除直流分量外还叠加有次数为 6 n , s f o + 6 i v , 石，( ，札= o ，1 ，2 ，3 ) 的谐波电流。因此，转子电流的各个谐波的次数为 ( 6 n , 1 ) 玩+ 6 m 五，( ，m = 1 ，2 ，3 一) ，逆变器交流侧电流的各个谐波的次数为 ( 6 m 1 ) 五十6 n , s f o ，( ，也= 1 ，2 ，3 ) 。 此外，转子谐波电流通过建立自己的磁场会在定子侧感应出相应的谐波电流。 对于谐波次数为6 后+ 1 ，k = 1 ，2 ，3 ，的转子谐波电流，它所建立的旋转磁场为正序的 磁场，即与转子基波磁场同方向旋转；而对于谐波次数为6 k 一1 ，k = l ，2 ，3 ，的谐波 电流，它建立的旋转磁场为负序磁场，与转子基波磁场旋转方向相反。所以转子谐 波旋转磁场相对于转子的旋转频率为( 1 + 6 k ) s f o ，k = l ，2 ，3 ，加上转子本身旋转频 率( 1 - s ) f o g 得各谐波旋转磁场相对于定子的旋转频率，即定子感应电流的频率，表 示为式( 3 - 9 ) ，其中负号和正号分别( 6 k 1 ) 和( 6 老+ 1 ) 次转子电流谐波产生的磁场感 应而得。 z j = ( 1 6 妁甄+ ( 1 一s ) 厶= 0 6 k s ) f o ，k = l ，2 ，3 ， ( 3 - 9 ) 由式( 3 9 ) 可以知道，定子侧电流的谐波分量与转差率有着密切的关系，转差率 是一个连续变化的量，大部分转速下，转子谐波电流在定子侧的感应电流都为非特 征次数的谐波电流，只有在特定的转速下( s = l ，5 6 ，2 3 ，1 2 ，1 3 ，1 6 ) ，转子谐波电 流在定子侧感应出的电流均为整数次谐波电流。部分定子相应整数次谐波电流与转 差率以及转子谐波电流的关系如表3 - 1 所示。 表3 - 1 部分定子整数次谐波产生的条件 舞巡 1 次2 次3 次 5 次l ，3l 尼 2 ，3 7 次 l ，6 l ，3 1 1 次 i ，6 1 “l 居 1 3 次、 l ，1 2 l 佑 3 2 2 电机参数对系统谐波的影响 整流器和逆变器所产生的谐波电流均会引起电网电流的畸变。根据电力电子技 术的相关知识我们可以知道，对于三楣桥，交流侧的电感引起的重叠换相角可以改 善交流侧电流的畸变，所以电机的等效漏感和变压器的等效漏感均能改善系统电流 的畸变程度，只是相对来说电机的等效漏感要比变压器的等效漏感大得多，故其作 1 6 华北电力大学工程硕士论文 用更明显。整流桥的换相角y 可以通过( 3 1 ) 式来计算2 2 1 。 c o s 口- - c o s ( 口+ 力2 瓦2 x d , d ；( 3 - 1 0 ) 其中。为晶闸管触发角，x d ：是交流侧电感，如，为交流输入相电压有效值。当a = o 时 ，2 甜c o s 【1 一面2 x d 2 了1 d - ( 3 - 1 1 ) 换相重叠角越大，对整流桥交流侧的电流畸变改善越明显。由上式可见，随着电机 负载的的减小，整流桥的换相重叠角越小，从而对交流侧电流畸变的改善效果越小。 3 2 3 平波电抗的选取 三相桥直流侧电感的大小也会对交流侧电流的畸变程度产生影响2 朝，电感有 限制直流侧电流波动的作用，直流侧电流的脉动的越大，交流侧电流的畸变程度就 越大。 平波电抗的选取方法比较多，最简单的方法是文献 8 给出的工程上的估算方 法，即选为转子等效漏抗的2 倍。本文依据平波电抗的电流脉动的抑制作用进行计 算整流器的输出电压波形为典型的六脉动，故输出电压最低谐波次数为6 倍的输 入电源的频率。为简化分析，忽略折算到转子回路的等效阻抗，对整流输出电压进 行傅立叶分解得 u d = + v c o s ( 聊t ) = 1 3 5 吗。【1 + 2 c o s 两( 6 s _ c o o t ) 一2 c o 万s ( 1 2 s c a o t ) 】( 七= l ，2 ) 电感电流的脉动分量以六倍频为主，其他次数的谐波分量很小，在此忽略不计。六 次谐波在电感中产生的电流表达式为 云x 1 3 5 s e 2 0毒x 1 3 5 岛o f 6 2 笪石五i f 豇撕s 钳2 量专石忑= 鲥撕s ，2 厶咖6 s 哪( 3 - 1 3 ) 乇就是电感电流的脉动分量，定义脉动系数m d = 2 厶厶，m d 通常取1 0 一2 0 ，则 云x 1 3 5 e 2 0 厶2 哥 小) 厶包括了整个回路的电感，除去电机折算到转子侧的等效电感和逆变变压器等效 1 7 华北电力大学工程硕士论文 电感后即为平波电感的大小，式( 3 - 1 4 ) 为平波电感计算式。 上l = k 一上幽一上打 ( 3 1 5 ) 实际上，平波电感中的电流还含有由逆变器引起的六倍于电网电压频率的谐波电流， 僵一般来说，频率越高，所需平波电感量越小，所以在这里以整流器的频率来进行计算， 因为整流器的基波频率总小于逆变器的基波频率。 3 3 传统串级调速系统的仿真电路 以往进行数字仿真时，往往需要研究人员对系统进行建模，虽然所得到的模 型运行效率高、速度快，但需消耗较多时问，开发效率较低。随着计算机技术的发 展，出现了各种先进的仿真软件。美国m a t h w o r k 公司推出的m a t l a b 软件是一款 面向科学与工程计算的高级语言编程软件，它集科学计算、控制技术、信号处理、 图像处理、系统仿真于一体，功能强大p 。本小节利用m a t l a b s i m u l i n k 仿真 软件建立传统串级调速系统的仿真电路。 n c l 3 3 1m a = i ia b s i m u l i n k 简介1 m a t l a b ( m a t r i xl a b o r a t o r y ，矩阵实验室) 软件，从它的本意可知，最初的 m a t l a b 是一个数学计算工具，尤其擅长矩阵的相关运算。但现在的m a t l a b 已 经不仅仅是“矩阵实验室”，它已经成为一个集概念设计、算法开发、建模仿真、 实时实现于一体的集成开发环境，它拥有许多衍生的子集工具。 s i m u l i n k 是m a t l a b 软件的一个重要分支，是一个结合了框图界面和交互 仿真能力的系统级设计和仿真工具。它以m a t l a b 软件的核心数学、图形和语言 为基础，可以让用户毫不费力地完成从算法开发、仿真或者模型验证的全过程而不 需要传递数据，重写代码或改变软件环境。 使用s i m u l i n k 进行仿真一般分两步： 需要在仿真模型编辑窗口中搭建好仿真模型： 设置好具体模型参数和仿真参数。 建模与参数设置的原则“8 ： 1 ) 系统建模时，将其分成主电路和控制电路两部分进行。 2 ) 给定信号的变化范围，调节器的参数和反馈检测环节的反馈系统( 比换系 统中使用) 等可调参数的设置，其一般方法是通过仿真试验，不断进行参数优化。 具体方法是分别设置这些参数的一个较大和较小值进行仿真，弄清它们对系统性能 影响的趋势，据此逐步将参数进行优化。 3 ) 仿真时间根据实际需要而定，以能够仿真出完整的波形为前提。 1 8 华北电力大学工程硕士论文 4 ) 由于实际系统的多样性没有一种仿真算法是万能的，不同的系统需要采用 不同的防真算法，需要从仿真实践，从仿真能否进行，仿真的速度，仿真的精度等 方面进行比较选择。 参数设置原则：如果是针对某个具体的装置进行参数设置，对话框中的r 、c 、 l 、v 应取该装置中的实际值；如果时一般情况，不针对某个具体的变流装置，这些 参数可先取默认值进行仿真，若仿真结果理想就可认可这些设置的参数；若仿真结 果不理想，则通过仿真试验不断进行参数优化，最后确定其参数。 3 3 。2 仿真电路 本小节将应用m a t l a b 7 0 ，在s i m u l i n k 环境下建立传统串级调速开环仿真 系统。s i m u l i n k 中的s i m p o w e r s y s t e m st o o lb o x 集成了电力系统中经常使用的 各种电气模块，包括各种交、直流电机，单相、三相整流、逆变模块以及变压器、 g t o 、i g b t 、m o s f e t 等电力电子器件。利用这些模块可以快速地建立所需的仿 真系统，并利用其中丰富的分析模块对系统进行分析卜。 在所建立的仿真系统中，调速的对象为7 1 0 k w 6 0 0 0 v 绕线式异步电机，电动 机所带负载的性质为平方负载，即电机的负载转矩与电机的转速的平方成正比，电 机参数如表3 2 所示。在这里，系统的调速范围d 设定为2 ，由式( 2 - 1 2 ) 得到电 机的最大转差率为0 5 ，最小逆变导通角比。= 2 5 0 ，所以根据电机转子开路电压和 式( 2 - 1 3 ) 可以得到逆变变压器二次侧线电压有效值约为3 0 5 6 v 。根据式( 3 - 1 3 ) 和式( 3 - 1 4 ) 可得平波电抗的大小为1 5 m h 。 表3 2 仿真参数 系统仿真电路原理图如图3 - 3 所示。为了模拟平方负载，利用电机测量模块获 得转速信号，通过数学运算后把转矩信号反馈到电机的负载输入端，电机在额定负 载时所带的转矩大小为额定转矩，随着转速的降低，负载转矩的大小与转速成平方 1 9 华北电力大学工程硕士论文 关系下降。逆变单元使用三相六脉冲发生模块来控制，该触发模块通过三个线电压 过零信号和所给定的触发角大小可以方便地产生不同相位的触发信号。 不同逆变导通角下的电机转速如表3 3 所示，逆变导通角口：7 一口，各个主要 电气量的仿真波形如图3 - 4 所示。由图可知转子电流的频率和谐波均随转速的变化 而变化，该图同时包含了触发角从9 5 0 向1 3 0 0 以及1 3 0 0 向1 6 5 0 转换的过渡过程。随着 转速的降低，电磁转矩成平方关系减小，逆变电流也随转速的降低相应减小。当触 发角为1 6 5 0 时电机的转速为7 5 0 r p m 。 表3 - 3 触发角口和转速的关系 丰 南 c e 一审 图3 - 3 仿真电路 华北电力大学工程硕士论文 图3 - 4 相关电气量仿真波形 比较图3 3 的仿真电路和传统串级调速系统的原理图我们可以发现，利用 m a t l a b s i m u l i n k 建立仿真电路时，可以按照系统的原理图进行搭建，这使得 仿真电路的建立非常方便、简单；同时也很容易观察到各个所关心的电气量的波形。 3 4 传统串级调速系统谐波的