（电工理论与新技术专业论文）内反馈串级调速电机的电磁机理分析.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文内反馈串级调速电机的电磁机理 分析，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：燃e t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：型 e t期：巡z 型6 导师签名： e l期：竺z ：! 石 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题的目的和意义 第一章引言 近几年，随着经济的发展，电力的需求不断增加，虽然电源点的建设及电网的 改造也在同步的进行，但是缺电现象在全国范围内仍然有不同程度的发生，而电网 中很大一部分的用户是交流感应电动机，交流感应电动机在实际运行中调速困难， 其转速在不同工况下基本保持不变，在交流感应电动机的设计时，容量一般按最大 运行工况进行设计，而在实际运行过程中，大部分时间里电动机处于轻载状态，形 成了通常所讲的“大马拉小车”现象，造成大量的能源浪费，同时也不利于系统的 安全稳定运行。因而，采用恰当的方式对电动机进行调速节能是最佳的选择【l - 2 】。 据1 9 9 8 年的统计，全国风机、泵类的总台数已超过3 7 0 0 万台，总耗电量占该 年全国总发电量的4 0 以上。风机、水泵的功率等级一般都很大，过去只能选用不 调速的交流电机，因而不得不依赖于风门档板和阀门来调节流量，大量的电功率白 白消耗在档板和阀门上。如果电机可以调速，则可以用降低电机速度的办法来调节 流体的压力和流量，这就可以把消耗在档板、阀门上的能量节省下来。据测算，平 均节能效果可达2 0 以上，如果能把全国的风机、水泵都改阀门控制为调速控制， 总的节能效果是非常可观的。由于风机、水泵的转矩与转速的平方成正比，功率与 转速的立方成正比，因此对调速范围要求不大，转速下降1 0 ，功率就将下降2 7 且调速的精度要求也不高，动态响应更是几乎没有要求【3 1 。 由于直流电动机在调速方面更容易实现，早期的调速电动机基本上被直流电动 机所垄断，但是由于直流电动机具有电刷和机械换向器，存在着自身的弱点，限制 了直流电动机向高转速、高电压、大容量方向发展。随着电力电子技术、微电子学 和现代电机控制理论的发展，为交流电气传动产品的开发创造了有利条件，使得交 流传动逐步具备了宽调速范围、高稳定精度、快速动态响应等良好的技术性能，并 实现了交流调速装置的产品系列化，取代直流电动机调速传动已成为必然的发展趋 势。因此，交流感应电动机调速技术是电气传动的主要发展方向，是当代重大技术 进步之一。实践表明，采用现代交流调速技术极大地提高了传动系统的质量，带来 了巨大的经济和社会效益。目前现代交流调速的研究，仍然是现代科学技术发展中 的热点【4 棚。 变频调速系统是目前效率最高的串级调速系统，但是，绝大多数的变频装置都 是国外进口的，其主要原因一方面是我国的基础工业还比较薄弱，特别是在微电子 功率元件及装置的大批量生产方面，还缺乏市场竞争力。另一方面的原因是，我们 华北电力大学硕士学位论文 在变频调速系统的理论研究方面，也没有受到足够的重视，理论与实践结合不够， 研究成果较少。 内反馈串级调速原理属绕线型感应电动机转子串附加电势进行调速的理论范 畴，该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来实现调速。即将内反馈串 级调速电机的部分转子能量取出以改变电机转差率来实现调速的。同时调节绕组吸 收转子的转差功率，并通过与转子旋转磁场相互作用产生正向的拖动转矩，这就使 电机从电网吸收的有功功率减少，主绕组的有功电流随转速变化，达到调速节能的 目的i ”。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国内串级调速系统的发展情况 6 0 年代末期我国的一些单位开始进行晶闸管串级调速的试验，7 0 年代后期西 安整流器厂首先推出了系列产品，以后其它厂家也相继推出了系列产品。1 9 8 4 年当 时的机械工业部发布了串级调速装置的电工专业标准。1 9 9 0 年国家技术监督局批准 了半导体变流串级调速装置的国标( o b l 2 6 6 9 9 01 ，规范了这类装置的设计、试验要 求。7 0 年代以来机械式串级调速及电机式串级调速系统也得到了发展，上海电机厂 推出了机械式和电机式两种串级调速设备的系列产品【引。 我国串级调速系统应用的特点 根据资料统计，国外晶闸管串级调速主要应用于大容量风机、泵类即平方转矩 负载的节能调速，单台电动机的容量达到2 0 m w 以上。晶闸管串级调速系统在我国 应用比国外更广泛一些。串级调速的应用主要有以下几种类型： ( 1 ) 平方转矩负载调速型 煤矿主井通风机、电动机容量达到1 2 5 0 k w 以上，例如由沈阳低压开关厂提供 的河南永夏矿务局陈四楼矿井1 2 5 0 k w 晶闸管串级调速设备( 2 套，1 9 9 5 年投入运行) 除了大、中容量的风机、水泵应用晶闸管串级调速外，在我国的许多纺织企业，很 多小风机( 容量均在1 0 0 k w 以下) 也广泛应用串级调速进行节能调速【9 1 。 ( 2 ) 恒转矩负载调速型 一些不可逆机械设备例如型钢轧机、铁矿石自磨机、橡胶混炼机、甘蔗压榨机 等也应用了晶闸管串级调速系统。其中有些电动机的容量达到2 0 0 0 k w ，例如沈阳 低压开关厂提供沈阳线材厂4 5 。高速线材轧机的串级调速设备( 2 套，单台电动机容 量2 0 0 0 k w ，1 9 8 6 年投入运行至今1 i o l 。 2 华北电力大学硕士学位论文 ( 3 ) 恒转矩位能负载起动调速型 矿山竖井提升机、矿山斜井带式输送机都属于这种恒转矩位能负载。除要求调 速外，还要求起动、制动、加速、减速平稳，一般还带有动力制动功能。要利用晶 闸管串级调速系统来完成这些任务有许多特殊的问题，沈阳低压开关厂为山东新汉 矿务局南冶矿井提供的主斜井钢绳牵引带式输送机串级调速设备较好地解决了这 些问题。单台电动机容量达到6 3 0 k w ，分别于1 9 8 3 年、1 9 8 9 年投入运行至今。 国内最先是由屈维谦提出内反馈方案的，时间是在8 0 年代后期。内反馈串级 调速真正推向市场则是北京长城机电( 集团) 公司组织上海电机厂等单位的专家通 过论证试验才得以实现的】。 9 0 年代中期以后保定北方调速有限公司又推出斩波式内反馈串级调速系统。到 目前为止有上海、兰州、哈尔滨等多家电机厂生产内反馈串级调速电动机【1 2 1 。 1 2 2 国外串级调速系统的发展情况 2 0 世纪6 0 年代中期，w 舍费尔德( w s h e p h e r d ) 和j 司坦威( j s t a n w a y ) 两人就 提出了一种将绕线转子电动机的转差功率进行整流，然后经过三相电网换相晶闸管 逆变器将整流后的转差功率逆变为电网频率的交流功率，并将其反馈到电动机的定 子辅助绕组中的晶闸管串级方案。w 舍费尔德和j 司坦福把这种串级调速称为“定 子反馈”方案。而把通过变压器( 逆变变压器) 将转差功率反馈到电网的串级调速( 常 规的晶闸管串级调速) 称为“电网反馈”方案。在。定子反馈”方案中，辅助绕组 与定子绕组电气上绝缘，通过磁耦合，即电磁感应，将转差功率经过定子绕组反馈 到电网。这就是我们国家所说的“内反馈”串级调速。其后在1 9 6 4 年、1 9 6 9 年还 有论文介绍这种“定子反馈”串级调速【”j 6 1 。 1 3 各种调速装置比较 早在感应电动机发明后不久，便出现了转子绕线型感应电动机，由于转子绕线 型感应电动机具备可以实现感应电动机的软启动、分段调速等优点，因此被广泛用 于起重、风机等特殊要求的场合，这是早期交流感应电动机调速的一个范例，但是 由于转子绕线型感应电动机在实际运行中，很大一部分能量消耗在启动或调速电阻 上，能量损失很大。随着电力电子技术的发展，以及大容量电力电子元器件的出现， 交流感应电动机调速己成为可能，但是高电压大电流的电力电子元器件难于制造且 成本很高，使得大容量、高电压感应电动机调速系统价格异常昂贵，影响了其发展 及广泛的应用。下面就几种典型的电动机调速系统进行比较。 1 ) 、电磁转差离合器调速 它是由恒速电动机、电磁滑差离合器组成，电磁滑差离合器安装在恒速电动机 3 华北电力大学硕士学位论文 和负载中间，通过调节电磁滑差离合器的励磁电流以改变电磁滑差离合器的转差来 实现调速的。 优点：调速范围大、调速平滑、无谐波污染、装置及控制线路简单、运行可靠、 维护方便。 缺点：低效耗能型调速，当调速到额定转速的三分之二时，电磁滑差离合器耗 能最大，为1 4 8 ，存在滑差损失；若电磁滑差离合器发生故障，必须停机处理； 电磁滑差离合器装在电机与负载之间，轴长度大，安装不便【1 7 】。 2 ) 、液力偶合器调速 它是由恒速电机、液力偶合器组成，液力偶合器安装在恒速电机和负载中间， 它是以液体为介质、靠液体动量矩的变化传递能量的装置，通过调节液力偶合器内 的油压以改变液力偶合器的转差来实现调速的。 优点：调速范围大、调速平滑、无谐波污染、装置结构及控制线路简单、运行 可靠、维护方便。 缺点：低效耗能型调速；存在滑差损失；因液力偶合器装在电机和负载之间， 轴长度大，安装不便；若液力偶合器发生故障必须停机处理【1 8 】。 3 ) 、变极调速是通过改变电机定子绕组的接线方式以改变鼠笼型三相异步电动 机的极对数以改变电机的转速来实现调速的。 优点：具有较硬的机械特性、稳定性好、无转差损耗、效率高、接线简单、控 制方便、成本低廉。 缺点：有极调速，极差较大，不能获得平滑调速；操作时，要在定子边用高压 开关进行切换，若操作失误，将造成严重事故；变极电机需要进行特殊设计，定子 接线复杂，电机的基本尺寸要放大，其价格为一般同容量电机的2 2 2 4 倍。 4 ) 、变频调速是通过电力半导体器件改变电动机定子绕组所接电源的频率来实 现调速的。 优点：高效调速：调速范围大，一般可从o 1 0 0 转速；调节精度高，可达l ； 可实现软启动。 缺点：变频调速器的容量要大于所要调速的电动机的容量；在高中压大容量变 频系统中需要增加一台多绕组变压器，增加了设备成本，加大了变频系统的损耗； 设备一次性投资大，国外产品大约是内反馈串级调速系统价格的3 倍以上，国内产 品是内反馈串级调速系统价格的l 至2 倍；变频器是对电机定子边进行调节，电压 高，操作要求高，维护复杂；变频器本身对环境要求较高，一般需安装在无尘且有 空调的封闭房间内；若变频器发生故障，必须停机处理。 5 ) 、外反馈串级调速( 传统串级调速) 4 华北电力大学硕士学位论文 对于绕线式三相异步电动机调速的基本原理是从其转子绕组处取出能量以改 变电动机转差率来实现调速的。 可分为：转子串电阻调速；转子串附加电势调速； 而转子串附加电势调速又可分为： 外反馈串级调速，即传统串级调速； 内反馈串级调速； 外反馈串级调速( 传统串级调速) 是将绕线式三相异步电动机部分转子能量取出 以改变电动机转差率来实现调速，同时将取出的部分能量变换后通过逆变变压器、 高压开关柜回馈到控制系统之外的高压电源侧，因此称为外反馈串级调速。 优点：调速效率高：若装置故障时，可切换至全速运行，避免停产；装置容量 与调速范围成正比，对于调速范围要求不高的风机、水泵来说，装置容量较小，投 资较省。 缺点：存在逆变变压器和向电网馈电的高压开关柜，体积大，成本高，设备维 护量大；功率因数较低；谐波污染大【1 9 1 。 6 ) 、内反馈串级电机调速 优点：具有传统串级调速的全部优点。调速效率高；调速装置容量与调速范围 成正比：若装置故障时，可切换至全速运行，避免停产；由于没有逆变变压器和向 电网馈电所需的高压操作柜，使整个系统的投资更少，体积更小；由于调节绕组的 分布作用和短距作用，可有效地抑制谐波污染；由于在调节绕组侧增设了内补偿装 置，可大大提高功率因数；由于能量反馈给电机自身再利用，而不是通过逆变变压 器反馈给电网能量循环路径，而且没有变压器损耗，因此调速效率高。相同容量的 内反馈串级调速电机系统与变频调速相比成本仅为其的1 3 到1 2 ，特别在中高压系 统中，价格优势更加明显。 缺点：调速精度与传统串级调速相当( 3 ) 不及变频调速( 1 ) ；调速范围不 能太大，若增大调速范围，将使系统成本增加。 下面( 图1 - 1 ) 是内反馈串级调速系统简图： 3 h 0 6 l c l 鼬 定 内反馈绕组 图1 - 1 内反馈串级调速系统 5 华北电力大学硕士学位论文 内反馈串级调速电机以其高性价比，高调速效率及较好的调速效果，近几年在 我国逐步开始广泛应用。 盘锦辽河化工( 集团) 有限责任公司动力分厂于1 9 9 5 年1 1 月采用内反馈串级调 速电机系统对一车间配水厂甜水泵电机成功进行了高速调速节能改造，将原来电机 j s l 4 8 4 ( 4 4 0 k w 6 k v ) 改为内反馈串级调速电机j r n t l 4 8 4 ( 4 4 0 k w 6 k v ) 其安装尺 寸相同，不用改变电机基础，原电缆和高压开关柜仍可使用。实际运行数据表明， 节能效果显著，年节电1 7 8 6 万k w h 。 1 4 本文主要工作 内反馈串级调速电动机是近年来出现的一种新型的绕线型电动机，主要应用于 风机泵类负载的节能与风力发电中。带斩波环节的内反馈串级调速系统以其高性价 比，高调速效率及良好的调速效果，逐步被越来越多的发电企业所应用本文在分 析了普通绕线型异步电机串级调速系统的基础上，对内反馈电机及带斩波环节的内 反馈串级调速系统进行分析。主要工作有以下四点： 1 依据传统绕线型异步电机的数学模型，建立内反馈电机的数学模型。分析传 统串级调速系统和带斩波环节的内反馈串级调速系统的工作特性，指出影响功率因 数和系统效率的主要因素。 2 内反馈电机在定子上除了主绕组以外，还有一套调节绕组，由于其特殊的结 构，在求解其电磁功率方程时就不能简单的按照普通电机的求解方法进行求解。本 文分两种思路对电磁功率方程进行求解。1 ) 定子绕组和调节绕组各自独立作用下根 据叠加定理推导电机的电磁功率方程。2 ) 利用定子绕组和调节绕组可以等效成合成 绕组的原理，把调节绕组电流折算到定子侧，再与定子电流合成，进行求解。 3 在所建立的内反馈电机数学模型的基础上，进一步导出d - q 0 坐标下的等值 电路，以及内反馈电机的单相等值电路，为内反馈串级调速系统的设计、计算提供 理论依据。 4 利用s 函数编程与数学模块相结合的方法，建立内反馈电机的仿真模型，并 建立带斩波环节的内反馈串级调速仿真系统，验证数学模型的正确性与带斩波环节 的内反馈串级调速系统的可行性。 6 华北电力大学硕士学位论文 第二章异步电动机的数学模型及串级调速系统的原理与特性 异步电机是一种交流电机。由于它的转子旋转速度与定子电流所产生的旋转磁 场不是同步旋转，故称异步电机。异步电机的定子、转子之间没有电的直接联系， 是靠定，转子之间的电磁感应作用实现机电能量转换，故又称感应电机【2 0 1 。 目前，串级调速系统的种类繁多，在电厂的节能应用中，内反馈电机串级调速 系统被越来越多的用电企业所接受，本章首先分析了异步电机的基本方程，其次， 简单的分析了传统串级调速系统与带斩波环节的内反馈串级调速系统的原理与特 性。最后，对两种系统的效率进行分析对比。 2 1a b c 坐标系中异步电机的基本方程 普通的感应电机的电气接线是将转子绕组短接的，绕线型异步电机的转子绕组 不同于普通的感应电机，其转子三相电压不等于零，为了简化分析，对真实电机作 一定的假设： 假设电机是一台极对数为1 的绕线式感应电机，这台电机没有阻尼绕组，并且 在电磁关系上是对称的，忽略铁损和铁磁的非线性，气隙磁通按正弦规律分布，同 时还认为定子绕组和转子绕组中的电流都是正弦波。 2 1 1 电压方程式 定子电压= k + 硝矿! 转子电压= o + 科 式中：u 一各绕组端电压； i 一各绕组电流： 缈一各绕组合成磁链； r 一各绕组电阻； p 一微分算子要。 2 1 2 磁链方程式 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 上式中各绕组的合成磁链是由本绕组的自感磁链和本绕组与其它绕组间的互 感磁链所组成的，它的磁链系数矩阵为【2 l 】： 7 华北电力大学硕士学位论文 丘= k + 厶时一三k一三k 一三kk + k 一三k 一三k一主k + k ( 2 3 ) k 一定子绕组漏电感； k 一定予全自感磁通中沿电机气隙主磁路通过的那部分磁通所对应的电感。 厶= k + k 一；k 一三k 一三k l 。r 七l 。 一三k 一主k 一三k l o ? + l 。 ( 2 4 ) o 一转子绕组漏电感； 三k 一转子全自感磁通中沿电机气隙主磁路通过的那部分磁通所对应的电感。 l = k s 谚 。鸱一娶) j c o s + i 2 i t ) j c o s ( 已+ 2 _ ；t ) s 晓 c o 鸱一孕) j 鸱一孥) j c o s ( b + 孕) ， c o s 晓 k 一定子、转子间互感； 其中，定子领先相与转子落后相间互感为f 2 2 】 l 一= k ，= 乞s ( 绋+ 等) k ，= k 加= 乞c o 绋一_ 2 _ ；t ) 则磁链方程式可以表示为 i 眈。= 丘k + k o 【，a 。= 4 i l b + h ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 华北电力大学硕士学位论文 2 1 3 电机的电磁功率方程与机电运动方程 异步电机输出的功率瞬时表示式为 巴= 0 + t + ( 2 - 9 ) 机电运动方程为 乙= w 争( 2 - 1 0 ) 屯一为机械角位移 这样式( 2 1 ) 、( 2 - 2 ) 、( 2 - 8 ) 、( 2 9 ) 、( 2 1 0 ) 构成描述绕线型异步电 机瞬态特性所需的全部方程式，也就是绕线型异步电机的数学模型。 2 2d - q - 0 坐标系中异步电机的数学模型 由于电机转子的旋转运动，使得定、转子问的互感为定、转子相对位置角0 的 余弦函数，描述电机行为特性的数学模型就变为一组非线性、时变系数微分方程组。 这样的非线性、时变系数微分方程组难于求解。必须进行变量的替代或变换，以解 脱定子、转子间的非线性耦合关系，这就是进行方程式坐标变换的目的。 电机方程式除了用真实变量a - b c 坐标系表示外，还可以用若干种坐标系来表 示。其中：在空间静止不动的，在空间随转子一起转动的，在空间以恒定同步速转 动的等坐标系，根据绕线式异步电机的运行特点： ( 1 ) 转子转速可以不等于同步速： ( 2 ) 转子绕组的合成磁势旋转相对于转予速可以不等于零； ( 3 ) 定子侧并入电网后，即电枢磁势在空间的角速度等于电网角频率，相对 稳定 故选用在空间以恒定同步速绋转动的坐标系d - q 0 变量替代a - b c 坐标系的真 实变量表示电机的方程式，在稳态时，各电磁量的空间合成相量对于坐标轴静止， 这些电磁量在d q 0 坐标轴系上就不再是正弦交流量，而变成了直流量。绕线型异 步电机非线性、时变系数微分方程组在a - q 0 同步坐标系变成了常系数微分方程组。 电流磁链等变量也以直流量的形式出现。 2 2 - 1 电压方程式 2 2 1 1 定子电压方程式 要实现a - b - c 坐标系向同步坐标系d - q 0 的变换，可以利用坐标变换矩阵2 3 1 9 华北电力大学硕士学位论文 来进行。 式( 2 - 1 ) 两边左乘坐标变换矩阵墨印 昂，= 彤，k + 刍一研。】 变换矩阵定义为 驴詈 硎c o 俨争 一s i n o s i n ( o 一娶) j l 2 l 2 c o s ( 护+ 2 ：- 7 t ) j s i n ( o + 孥) l 2 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 篆 = i ； 芝 + p l 荔；w o ：, 1 j + 【： - i 。i t q s c 2 - s ， b ) 2 钆) o + 钆) 云【他) 。】 ( 2 - 1 4 ) 蓦 = i i 笔 + p 荔 + c 一q ， c z 一s ， “= 彩) ( 名屯，) + 0 ) 乞【彤；0 。，】 ( 2 - 1 6 ) 1 0 华北电力大学硕士学位论文 o ，玄= 昂，瞄b ) = 0 0 o k + ；k 这样，以d - q 一0 变量形式表示的定子磁链方程式为 褂卧豳 ( 2 1 7 ) 2 2 2 2 转子磁链方程式 转子磁链方程式的坐标变换可以采用与定子磁链方程式完全相同的办法进行， 其结果也极为相似： i i 2 2 - 3 电磁功率方程式 卧 电机的电磁功率方程式为 = ；( 。虼一) 目los 在三相对称稳态运行时，并不计定子绕组的电阻，按式( 2 - 1 3 ) 有 ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) k o 3 l 2 k k 3 2 ) ) ：t。 o o k o o o o o o 3 2 o o o 3 2 o o o o o 3 2 o o o 3 2 o o 3j2 k k o 3 卜2 o k k 3l2 o o k o o o o o 3 2 o o o 3 2 k o o 3 卜2 o o o 3 卜2 o o o 3 2 d d ：t。o o k 华北电力大学硕士学位论文 i 2 毪 = ( 2 - 2 0 ) l u o s = 0 代入式( 2 - 1 9 ) 改写为 = 詈( 1 么么+ 0 ) ( 2 - 2 1 ) 应该指出：式( 2 2 0 ) 虽然很简洁，却是很严格的，它不仅表示电机正常稳态 运行时的电磁转矩，也包括不对称故障时暂态过程中的各种电磁转矩分量。 2 3 传统串级调速系统的工作原理及特性分析 2 3 1 传统串级调速系统的工作原理 目前，国内外应用较多的串级调速系统是亚同步串级调速系统【2 4 1 。随着电力电 子技术的飞速发展，目前晶闸管串级调速已经成为主流。传统的晶闸管调速系统( 如 图2 - 1 所示) ，其转子三相电动势经三相不可控整流装置整流，输出直流电压。工 作在逆变状态的三相可控整流装置除提供可调的直流电压以作为调速所需的附加 直流电动势外，还可将经整流后输出的异步电机转差功率逆变成交流，并回馈到电 网。 强w 强v l o k v 图2 - i 传统串级调速原理图 图中逆变变压器的作用之一是把可控整流装置与交流电网隔离，以抑制电网的 浪涌对晶闸管的影响；作用之二能取得与被控异步电机工作相匹配的逆变电压。l 为平波电抗器。 则转子直流回路电压平衡方程式为 u d = u t + l d r k 姬矗= i q r s 式中： i q ，墨一分别为整流器和逆变器的电压整流系数； ，一逆变变压器二次相电压： 口一逆变器的逆变角。 1 2 华北电力大学硕士学位论文 假设异步电机带恒转矩负载，在某一转速下稳定运行，现在要改变其转速，可 以控制逆变角。当角增大时，逆变电压相应减少，但受机械惯性作用，电机 转速不会立即变化，所以仍维持原值。这样，转子直流回路电流l 就要增大， 转子电流和电磁转矩都会相应增大，而电磁转矩不变，电机加速。在加速过程中， 转子整流电压随之减少，又使电流l 减少，直到与l 问取得新的平衡为止 最后电机进入新的稳定运行状态，并以比原转速更高的转速运行。同样，减小p 角 时，电机将降低转速运行。这就是绕线转子异步电机串级调速系统的工作原理。在 串级调速系统中，通过调节角的大小来改变转速，由于逆变角可平滑连续调节， 所以异步电机的转速也能被平滑连续的调节。 绕线式感应电机的转子回路中没接入整流器时，感应电动机转子电流是三相互 差1 2 0 。的正弦波。这时机械特性的关系式比较简单。当转子回路接入整流器后， 转子电流不再是正弦波，转子三相绕组导电方程式也发生周期性的变化。同时，定 子的电流也产生畸变和高次谐波。定子、转子电流波形畸变和高次谐波将引起转矩 的脉动和无功功率增加。理论分析和工程实践表明，串级调速的波形畸变并不严重， 转子电流畸变系数约为o 9 5 5 ，定子电流波形畸变系数约为0 9 8 。随着负载增加， 电流的波形会更加接近正弦波，为了简化分析我们可以忽略定子、转子波形的畸变， 而将电流、电压用其基波分量表示【2 5 1 。因此，参照双馈调速感应电机的向量图，可 以画出串级调速的感应电动机的相量图，如图2 2 所示。 由串级调速感应电动机的向量图可以看出，转子电压的空间矢量( 以下简称矢 量) 玩总是与转子电流矢量i 反相( 在可控整流时可能出现同相) 。这个条件可以 表示为如下的形式 j f l 砭= 一_ 2 伍口+ 厶掣) ( 2 2 2 ) “ 式中 i ，一转子电流的单位矢量； e 。折算到转子整流回路的附加电势； 玩折算到转子侧的转子电压矢量； i 一折算到转子侧的转子电流矢量； 折算到转子整流回路的平波电抗器的电感。 公式( 2 2 2 ) 代表了各种类型串级调速的共同特点，即转子电压矢量瓦的相位 是由i 确定的，而不能像双馈调速感应电机的转子电压那样，可以利用变频器随意 调节其相位。 华北电力大学硕士学位论文 j l 1 弋 7 i l 气 一 翻 i 氐s 图2 - 2 串级调速相量图 2 3 2 串级调速系统的特性分析 这里提到的特性，是对于上面所介绍的现在普遍采用的传统的串级调速系统。 它主要的优点是，避免了串电阻调速中功率的无谓损耗，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就比较小。例如通常风机、泵的调速范围在3 0 左右，如若 采用亚同步串级调速，其变流装置的容量只有电机容量的3 0 左右，若采用超同步 调速，其调速范围甚至有可能限制在1 5 以内，则变流装置的容量便可以减少到 电机容量的1 5 左右，比较经济，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。 根据晶闸管串级调速的主回路，可以列出其直流回路的电压平衡方程式 2 3 鹕- 2 3 4 u 2c o s 2 l ( 云+ 2 如+ 云墨+ 2 碍4 - 吃) 。：! ：竺竺! ! ：竺竺主兰：兰型( 2 ：。)j = = - - ：= 一 ，z j 2 3 4 e 2 一三x d i d 将式s = ( 一n ) n o 代入式( 2 2 3 ) 可得到转速表达式 l 竺半警竽 1 4 ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) 华北电力大学硕士学位论文 恐2 云+ 2 + 云墨+ 2 碍+ 也 1 c e = q 3 4 e 2 一乇x d ) n o 式( 2 2 5 ) 与他励直流电动机机械特性方程式相似，不同之处在于咫值比直流电 动机电枢电阻愿大得多，而且电动势系数g 不是常数，它随厶增大而减小，这和 电枢反应的去磁作用相似。 另外在第一工作区的转矩特性表达式中，设 11 巳2 玄2 埘e 2 一云厶) 瓯 石 可以发现，转矩系数。与电动势系数g 的关系是q = 9 5 5 g 。这点和直流电 动机相同。 因此晶闸管串级调速的异步电动机，在性能上，相当于内阻很大，又有电枢反 应的他励直流电动机。调节逆变角口，可以调节【，与直流电动机调压调速相似。 功率因数低是低同步串级调速的主要缺点，也是被人们关注的问题。导致串级 调速系统的总功率因数低的原因有如下几点： ( 1 ) 逆变器从电网吸收滞后的无功电流，即吸收无功功率。这是造成总功率因数 低的主要原因。 ( 2 ) 串级调速系统中电动机本身的功率因数低 ( 3 ) 串级调速系统中，电动机和逆变变压器的波形发生畸变，其电流的高次谐波 分量引起无功的畸变，也使串级调速系统的总功率因数下降。 2 4 带斩波环节的内反馈串级调速系统的原理与性能 内反馈串级调速电机的基本结构如图2 3 所示，内反馈串级调速电机在其基础 电机的定子中增设了一套绕组，用来接受从转子反馈回来的能量，我们称之为调节 绕组，而将原来的定子绕组称为主绕组。从电机外形看，电机定子有两个对称的出 线盒。在串级调速系统中需要给绕线型异步电动机转子提供附加电势，由于普通异 步电机是按恒速运行设计制作的，没有考虑调速需要，因此普通异步电机是无法提 供附加电源的【2 “。如果采用普通异步机，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，增设了一套调 节绕组，用以提供附加电源。 l s 华北电力大学硕士学位论文 1 刺 i 弹臻鬻鬻孵獬 蠹 熬”r 琴硐 一 日 j i i ii 礓霄il ”胛 i ，、 图2 - 3 内反馈串级调速电动机 内反馈电机和普通绕线电机具有相同的规格和安装尺寸。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 = 4 4 4 f , 3 j 0 ，丸 式中：石一电源频率 m 一调节绕组的串联匝数 置。，一调节绕组的绕组系数 丸一电机主磁通 晶闸管串级调速是风机、泵类负载的一种较好的节能调速形式【2 7 1 ，它具有效率 高、投资少、节能效果明显及装置的初投资收回速度快、控制方便等优点。正如前 面所分析的，常规的晶闸管串级调速系统也有其本身存在的明显不足，无功损耗大、 功率因数低、高次谐波大、造成对电网的冲击等。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。而 带斩波环节的内反馈串级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， 可以取得其它调速无法比拟的节电效果，而且系统的性价比很高。 2 4 1 工作原理 带斩波环节的串级调速系统是在常规的串级调速系统的直流回路加入一个定 频调宽的直流斩波电路，利用直流斩波器的通断时间的变化来改变电动机的转速， 这就是本系统的调速原理。 图2 4 为带有斩波器的内反馈串级调速系统的主电路，中间直流回路接有i g b t 斩波器。有源逆变器始终工作在最小逆变角状态，逆变角一般取3 0 。【2 8 1 。三相异 步电动机采用内反馈调速电动机。通过改变i g b t 斩波器的占空比r ，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，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电路，电容c 起能量 缓冲作用。当i g b t 关断时，电容储存能量，i g b t 导通时，电容向有源逆变器放 1 6 华北电力大学硕士学位论文 电。电抗器厶的作用是维持有源逆变器电流的连续。当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。 电雌 图2 4 带有斩波环节的内反馈串级调速系统 普通串级调速系统调速是通过改变逆变角来实现的，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。而带有斩波环节的内反馈串级调 速系统利用i g b t 的占空比来调速，而逆变器的逆变角是固定的，因此，逆变角可 以设定的很小。如果控制得当，理论上，甚至可以使逆变角为0 。当然，现实中 由于各种干扰的存在，逆变角不可能为0 。，但是逆变角取到1 5 。左右是可行的。 这样一来，就大大提高了逆变器的功率因数，并且不随转速的调节而变化，从而在 很大程度上改善了传统串级调速系统功率因数低的缺陷。 7 仃仃 图2 - 5 i g b t 电流厶 图2 - 5 为流过i g b t 的电流l 的波形，设i g b t 斩波开关的工作周期为t ，在时 问f 斩波开关闭合，整流桥被短路，而在时间r f 里，斩波开关断开。 整流桥的输出电压为 = 2 3 4 s e 2 0 1 7 华北电力大学硕士学位论文 逆变器输出电压为 = 2 3 4 u r 2c o s 氏 因为 ：三q 有 2 3 如= 2 3 4 三- 坼2c o s 属m r r s = 竿鲁c o s 趾= 置孚 r 易o 一 r 其中 k ：孕c o s 儿 一 所以 栉：( 1 一k 三 ) ( 2 2 6 ) 由式( 2 - 2 6 ) 显然可见，改变斩波器开关闭合时间f 的大小就可以改变电机转 速n 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 = 0 时，即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 ，k = n o ( 1 一回 此时电机处于串级调速运行状态。当占空比f 即斩波器的导通时间越长，串级 调速系统的转速越高。反之，则转速越低。 上面的分析虽就空载状态而一言，对于负载状态也是一样，由于电压降的存在 使得转速比空载时有所降低。 2 4 2 带斩波环节的内反馈串级调速系统的性能 由前面的介绍知道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看出，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固定在最小值几。，这样 可使逆变器从调节绕组吸收的无功功率减少到最小程度，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o 8 以上，远优于传统的串级调速系统。在低速段功率因数虽然较低，但对于 风机和泵类负载来说，此时系统本身消耗的有功功率很小，因此对电网来说已不是 1 3 华北电力大学硕士学位论文 重要的问题。采用斩波控制可以提高串级调速系统的功率因数，这是斩波控制主要 的优点之一。 由于当电机工作在最低速时，斩波器不工作，因此最小逆变角玩。的选择必须 满足= ：c o s 几。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。 但是由于逆变器存在逆变颠覆现象，为了防止逆变失败，通常逆变角的最小值选为 3 0 。左右。 无论哪一种串级调速系统，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。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角的改变而变化，角越小，电压谐波分 量越小，调速越深即逆变角越大，谐波分量越大，在口= 9 0 。时谐波分量达到最大值。 在斩波控制的串级调速系统中由于角被固定在最小值，因此其谐波含量也就最 ，j 、。 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 l t 的减小而平行下 移的【3 1 1 。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。所以斩波控 制串级调速系统的机械特性比普通串级调速系统更好。 2 5 两种串级调速系统的效率比较 实践证明内反馈调速电机是一种高效率的机电能量转换系统，其效率比普通异 步电动机要高。这主要是因为内反馈电机的定子结构上调节绕组的存在，省去了串 级调速系统中的逆变变压器，相应地省去了逆变变压器的原边损耗和激磁损耗。下 面就普通绕线式异步电动机串级调速系统的效率和内反馈调速电机的效率作一下 比较。 2 5 1 普通绕线式异步电动机串级调速系统的效率 设电动机定子铜耗和铁耗为兄，和匕，则通过电磁感应传输给电机转子的功率 巴为 巴= 日一圪。一匕 电机轴端输出功率 昂= ( 1 一s ) 匕 轴端输出功率扣除摩擦损耗易和杂散损耗匕后得到电动机净输出功率 最= 昂一( 匕+ 巳) 电动机转子的输出功率即转差功率只为 1 9 华北电力大学硕士学位论文 = 哦 这个功率扣除逆变回路各部分损耗b ( 包括转子铜耗、整流器的总损耗、平波 电抗器的损耗以及逆变器和逆变变压器) 的损耗后，经逆变变压器网侧输回给电网的 功率为p ，有 弓= 只一是 整个串级调速系统从电网吸收的功率为 弓= 毋一弓 串级调速系统的总效率为电动机输出有效机械功率与系统从电网吸收的功率之比 ：墨：二l(2-27)r= 三= 一 只 号一弓 2 5 2 内反馈串级调速系统的效率 假设内反馈电动机的规格与普通电机相同，即输出功率也为p ，则在相同转差 率下，电动机的转差功率也相同为p ，这个功率扣除逆变回路各部分损耗后，不是 经逆变变压器网侧传输给电网，而是直接反馈给内反馈电动机的调节绕组，因此， 逆变回路的损耗不存在逆变变压器损耗，即传递给调节绕组的功率弓大于弓，所 以电动机的输入功率耳要小于普通异步电机的输入功率只。整个串级调速系统从电 网吸收的功率为 e = r p ； 所以内反馈电机串级调速系统的总效率为 玎2 2 壶 协2 s ， 比较式( 2 2 7 ) 和( 2 - 2 8 ) ，可以看出，内反馈串级调速系统的效率要比普通串级调 速系统的高，这也是串级调速系统采用内反馈电动机的主要原因，而系统效率高也 是内反馈电动机串级调速系统优于其它串级调速系统的主要方面。 2 6 小结 本章阐述了传统绕线型异步电机的数学模型，为本文建立内反馈电机的数学模 型提供理论依据；分析了传统串级调速系统和带斩波环节的内反馈串级调速系统的 工作特性，指出了逆变器的导通角是影响串级调速控制系统功率因数的主要因素， 带斩波环节的内反馈串级调速系统较传统串级调速系统省去了逆变变压器，提高了 串级调速控制系统功率因数，降低了系统损耗。 华北电力大学硕士学位论文 第三章内反馈电机的数学模型与等值电路 普通电动机在转子堵转运行状态下，相当于一台双绕组变压器。内反馈电机的 结构不同于普通绕线电动机，其定子上除了主绕组以外，还有一套调节绕组，所以 当其运行在转子堵转状态下，相当于一台三绕组变压器。因此内反馈电机比普通绕 线电动机在数学模型上多了一组调节绕组的方程，其工作原理与普通电动机有一定 的差别，描述其工作原理的数学模型也不尽相同【2 ”。 3 1 内反馈电机在a b c 坐标下的数学模型 基于普通电动机的a - b c 坐标下的数学模型可以推出内反馈电机在该坐标系下 的数学模型 l 2 l l m + 觑咋i 吒2 = 2 2 女+ p 虬2 女 k 2 + ( 3 1 ) = 丘- i 女+ t 2 2 + t i ， 2 m = i l 。k + 厶2 2 。k4 - 2 ， ? = 巧，。4 。+ 砭，：。+ 上_ ，女 ，一各绕组电阻；p 一微分算子导；而一定子绕组； dt 篡，l j s 2 a b c i = 1 琵l i l - | r l 乏l s l j 2 老 萋 协2 ， 2 1 华北电力大学硕士学位论文 i + kk c o s l 2 0 。k c o s 2 4 0 。i k 撕= lk o a s l 2 0 。k + kk c o s l 2 0 。i ik c o s 2 4 0 。k c o s l 2 0 9k + kl l + kk c o s l 2 0 。kc o s 2 4 0 。l ，= lk c o s l 2 0 。+ l ，k c o s l 2 0 。l lk c o s 2 4 0 k c o s l 2 0 。厶+ k | 妒”l 荔( 垅o , - 吣o k ) ，。0 s ( 础g , - 2 4 吲0 。- 印 【c o s ( 只一2 4 0 一色) c o s 一1 2 0 一吼 lc o s ( o , , )o a s ( 2 4 0 。+ 色) 丘砧= k ic o s ( 2 4 0 。+ 嚷) c o s ( 艮) io o s ( 1 2 0 。+ 铱) c o g l 2 0 。+ 吃) 上面各式中其中和k 代表定子和转子漏电感； 互电感。 在恒转矩负载下电机的运动方程为 瓦一瓦= ；等 cos。(12文0+oa)cos(120， 。+ 吃) i c o s ( 嚷)i k 和k 代表定子和转子的 ( 3 3 ) 式中，为转动惯量，p 为极对数。 电动机电磁转矩可以表示为 互= 嘻( k 7 虿a l s k r k 协4 ， 互= 眨lk 7 育kl ( 3 4 - l o v ， 将前述式( 4 - 1 ) 、( 4 - 2 ) 、( 4 3 ) 和( 4 4 ) 归纳在一起，便得到在恒转矩负载下的内 反馈电机数学模型 矿：r + 生+ 丝f d t0 8 1 p f r 罢f ：正+ 兰塑 ( 3 5 ) 2a 口pd t d 8 d t 上面推导的是内反馈电动机在a - b c 坐标下的动态数学模型，但是，要分析和 求解这组非线性方程显然是十分困难的。通常采用坐标变换的方法加以改造，使变 订q