（电力电子与电力传动专业论文）矿井提升机交流电机斩波串调系统的研究.pdf

矿井提升机交流电机斩波串调系统的研究 a b s t r a c t w o u n d - r o t o ri n d u c t i o nm o t o r st h a ta 硝u s ts p e e db y 舢e c 血gr e s i s t o r si ns e r i e st or o t o r c i r c u i t s ，h a v ef o u n daw i d er a n g eo f 棚p p h c a t i o n si nt h ee l e c t r i c a l l yc o n t m u c ds y s t e m so f m i n e - w e l l h o i s t s t h i sm e t h o dr e g u l a t e ss p e e db yc h a n g i n gt h en m n b e ro f s t e p so f t h ea d d i t i o n a lr e s i s t o ri nt h e r o t o rc i r c u i t , s oi t sh a r dt or e a l i z es m o o t hs p e c d - r e g u l a t i o n , a l s oi t sp e 蛐a n c ei sp o o r d u m n gt h e s p e e d - r e g u l a t i n gp r o c e s s ，ag r e a ta m o u n to fs l i pp o w e r t r a n s f o r m st oh e a tt h r o u g hr o t o rc i r c u i t r e s i s t o r t h i st h e s i sp r e s e n t su t i l i z i n gc h o p - w a v ec a s e a d es p e e d - r e g u l a t i o ns y s t e mt or e f o r mw o u n d i n d u c t i o nm o t o r st h a ta d j u s ts p e e db yc c 删= l e 甜1 唱r e s i s t o r si ns e r i e st or o t o rc i r c u i t s c o m p a r e dw i t h c a s c a d es p e e d - r e g u l a t i o ns y s t e m ，t h ed i f f e r e n c ei st h a td cc h o p p e ri s j o i n e di n t or o t o rd cc i r c u i t c h o p - w a v ec a s c a d es p e c d - r e g u l a t i o ns y s t e m n o t o n l y o v e r c o m e st h e d i s a d v a n t a g e so f s 峰s p c 。d _ c 咖u o d b u ta l s oi m p r o v e st h es y s t e m sp e r f o l i r l a n o eb ya d o p t i n gc l o s e - l o o pc o n t r 0 1 i n v e r t e rc a p a c i t yi sd e c r e a s e d ，t h em o r ei m p o r t a n ti st h a tp o w e rf a c t o ri si n c r e a s e dg r e a t l y t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e st o p o l o g ys h x l l x u r eo fm a i nc i r c u i t , a n a l y z e sp r i n c i p l ea n di n d u c e s m e c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i c o f c h o p - w a v e c a s c a d e s p e e d - r e g u l a t i o n s y s t e m t h e n i t p r e s e n t s s e l e c t i o n o f m a i nc i r c u i tp a r a m e t e r sa n di n v e r t e rc a p a c i t y b a s e do nt e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i co f m i n e - w e l lh o i s t s ，i g c ti su s e dt ob ec h o p p e ri n s t e a do f t h y r i s t o r , t h u st h ec h o p p i n gf r e q u e n c yc a nb ei n c r e a s e d o n et h o u s a n di - i z , a n dt h ed i s a d v a n t a g eo f t h y r i s t o r sf o r c e - c o n v e r t e rc a nb eo v e r c o m e , t h ee c o n o m i cb e n e f i ta l s oc a t lb er a i s ew i t hg o o d q u a l i t y t h i sp a p e ru s e st m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 0 ( 息；s o ra sc o n t r o l l e r i tc a na c h i e v ee o n l r o l f u n c t i o n sa n ds a t i s f yr e a l - t i m ec o n l r o ld e m a n d s a tl a s tu s i n gm o d e l si n 1 1 a ba n dt h es y s t e mc o m p o s e do ft h e s em o d e l i tr e a l i z e dt h e s i m u l a t i o n t h er e s u l ts h o wt h a t , i ti sa p r a c t i c a lc h o p - w a v ec a s c a d es p e c d - m g u l a f i o ns y s t e m k e y w o r d s ：w o u n d - r o t o ri n d u c t i o nm o t o r ；, i g c t o n t e g r a t e dg a t e - c o m m u t a t e dt h y f i s t o r ) ； c h o p - w a v ec a s c a d e ；d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方以外，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 含为获得塞邀理三太堂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谢意。 学位论文作者签名：号爷孚 签字日期：衅月6 曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞徵堡王盘堂有保留、使用学 位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单 位属于安徽理工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论 文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权塞擞理墨 盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保 密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：谢羊 签字日期：z , 4 - 4 月6 日 锄签各。少韶_ 一 签字日期6 月6 日 矿井提升机交流电机斩波串调系统的研究 1 1 序言 第一章绪论 矿井提升机是矿山的重要设备之一，是往返于井下与地面的运输工具。担负着对有用 矿物、矸石、机电设备、建筑材料和人员的升降任务，它处于矿井的咽喉位置，是矿山生 产至关重要的大型设备，对矿山生产及安全起着非常重要的作用，有着重要的国民经济意 义。由于提升机的生产工艺要求比较高，所以它的电气传动及控帝啦嶷置一直是各国电气传 动界的一个重要研究领埘“。 目前，国内矿井提升机拖动系统主要是直流拖动和交流拖动( 交流绕线式异步电动机拖 动和同步电动机拖动) 两种方式。当单机容量在1 0 0 0 k w 以上的通- g , 采j e n 直流拖动方案；容 量在1 0 0 0 k w 以下者，则多采用交流拖动。由于受到磁力站容量的限制，交流绕线式异步 电动机拖动系统中，单机容量最大为1 0 0 0 k w ，双机容量最大为2 0 0 0 k w 。由于历史和技术 的原因，在我国现有的中小型矿井的提升机中，采用交流拖动方式的占9 0 以上，而且多 用转子金属电阻进行控制，由于这种控制方式的调速是有级的，而且消耗大量转差能量， 所以它的调速的性能差、经济效果也不好。只有少数的大型矿井才使用直流拖动方式。宜 流拖动方式主要是晶闸管整流装置供电的形式。近年来，我国一些新的大型煤矿( 年产4 0 0 万吨以上) 大多是引进大功率交交变频同步电动机交流拖动系统。对于我国大量使用的绕 线式异步电动机交流拖动方式，其电气控制系统虽有些变化，主要是用可编程序控制器 p l c 代替原来的继电器控制盘，但变化不大。考虑到价格因素，对现有的绕线式异步电动 机串电阻调速进行改造有着非常重要的意义1 2 j 1 3 】。 1 2 矿井提升机电力传动的发展 矿井提升机从电力传动而言，可分为交流传动 1 1 直流传动两大类。我国在上世 己8 0 年 代之前，绝大多数矿井提升机采用绕线转子异步电动机转子回路串电阻的交流传动方式， 而少数则采用发电机一电动机组直流调速系统( g - m 系统，曾称f - d 系统) 。随着矿井的规模 越来越大，对一些要求提升容量大，速度快的中，大型矿井，提升机一般采用采用电枢可 逆或磁场可逆的晶闸管直流供电的直流调速系统。而随着世界电力半导体技术和交流同步 机传动的开发和生产，矿井提升棚传动装置又向交流传动方式发展，些矿井提升机开始 采用大容量交一直一交变频器和交一交变频器供电的交流传动系统 4 】阎。 矿井提升机交流电机斩波串调系统的研究 1 _ 3 矿井提升机电力传动的现状 1 3 1 绕线转子异步电动机转子回路串金属电阻调速系统 这种方案的电动机转速调节是靠改变转子回路串联的附加电阻来实现的。这种调速方 法简单，曾被广泛使用。显然这是有级调速，并且调速时能耗很大，属转子功率消耗型调 速方案。在加速阶段和低速运行时，大部分能量( 转差能勘以热能的形式消耗掉了，因此 电控系统的运行效率较低。这种调速方案为在低同步状态下产生制动转矩，需采用直流能 耗制动方案( f t l 动力制动) ，或采用低频制动。用这种方法调速时，由于电机的极对数与施 加与其定子侧的电压频率都不变，所以电机的同步转速或理想空载转速也不变，调速时机 械籽| 生随着转子回路电阻的增大而变软，从而大大降低了电蝴的稳态调速精度。在实 际应用中，由于串入电机转子回路的附加电阻级数受限，无法实现平滑的调速。 综上所述，这种调速方案存在着调速| 生能差、运行效率低、运行状态的切换死区大及 调速不平滑等缺点。但目前在我国的各种矿山中，这种方案使用得相当普遍，以后将面临 着技术改造的问题。 1 3 2 绕线转子异步电动机转子回路串液体电阻调速系统 这种方案因电阻可无级的调节，所以能实现加速、正力减速以及爬行的平滑控制，负 力减速采用动力制动装置。液体电阻调速这一技术在英国比较成熟。英国的p e e b l e 公司曾 来我国推荐采用，但由于价格昂贵，对水的电解质有严格要求，另外还需要设循环冷却水 系统在国内没有被推广。 1 3 3g - m 直流可逆调速系统 g - m ( 原l t c t - d ) 直流可逆调速系统中直流电动机的励磁电流时匾定的，通过改变直流 发电机的输出电压来改变直流电动机的转速。直流发m j ，, t _ 般由同步电动机带动的，其输 出电压是靠改变直流发电机的励磁电流的大小来实现的。直流发电机的励磁电流是通过电 机扩大机的励磁实现控制和调节的。上世纪6 0 年代以前大型调速传动装置基本采用这种方 案。 本方案的特点是可实现无级调速，电动状态与制动状态的切换是快速平滑的，即能满 足四象限平滑调速的要求，由于采用了速度闭环控制调速精度也比较高。本系统在起动时 的无功冲击小，且功率因数较高，而且还可向电网提供超前无功功率，以改善电网的功率 因数但本方案有一系歹缺点运行效率还是比较低的，因为功率变换的效率是同步电动机和 直流发电机两台电机效率的乘积，通常变流机组的效率只是0 8 左右( 考虑直流发电机组平 时不停机0 ；占地面积大；噪声大；维护工作量大：耗费金属量大，用电量大等。因此，这 2 矿井提升机交流电机斩波串调系统的研究 种传动形式除个别情况下适用外，不再是今后发展的方向。 1 _ 3 4v - m 直流可逆调速系统 由晶闸管变流器代替旋转变流器，可以提高功率变换的运行效率。晶闸管变流器的运 行效率可达0 9 5 左右。 v 州直流可逆调速系统可分为电枢换向的可逆调速系统和磁场换向的可逆调速系统。 在电枢换向的可逆调速系统中，励磁电流的大小和方向是恒定不变的，电动机转矩的 大小和方向是靠改变电枢变流器输出电流的大小和方向实现的。其特点是转矩的反向快( 由 于电枢电流的反向快) ，需设置正反向两组电枢整流器，故造价较高。 在磁场换向的可逆调速系统中，电枢电流的方向是不变的。转矩极性的改变是靠改变 励磁电流的方向实现的。这种方案的特点是转矩的反向过程即励磁电流的反向过程较长， 为了缩短反向时间需采取强励措施。另一个特点是电枢变流器只需设置一组，故装置的总 体造价低。 由于矿井提升机对转矩转变的快速性要求不算太高，所以在大容量的情况下，为了减 少投资，往往采用磁场换向的可逆调速方案。不过在现在的制造技术进步的条件下，两种 方案总造价的差别己不很明显。 3 5 绕线转子异步电动机转子串级调速系统 对于绕线转子异步电动机，可以通过在转子回路中串入附加电阻来改变转差率，实现 调速，这种方法称为转子串电阻调速。这种调速方法因串入附加电阻而增加的转差功率。 以发热的形式消耗在附加电阻上。因此，属于转差功率消耗型调速方法。如果在转子问路 中加入附加电动势，同样也可以改变转差率实现调速，这种方法称为串级调速。这种调 速方法，因串入附加电动势而增加的转差功率，回馈给电网或者回馈到电动机轴上。因此， 属于转差功率回馈型凋速方法。串级调速的方法可以使系统获得较高的运行效率。在串级 调速系统中通过调节逆变角改变电机转速，由于逆变角的平滑连续调节洼。所以异步电机 的转速也链被平滑连续地调节。 此项技术在波兰运用的比较成功，也曾来我国试图推广。串级调速用于提升机的传动 有一个严重的缺点，就是为了满足电动机有足够的启动力矩，串级调速装置的参数必须选 的很大，显得很不经济；此外，串级调速的功率因数低，对电网影响大。因为串级调速系 统中逆变器是利用移相控制改变其输出的逆变电压，使其输入电流与电压不同相，消耗了 无功功率。逆变角越大，消耗的无功功率也越大，对电网影响大。因此该项技术没有在矿 井提升机拖动改造上推广应用。 3 矿井提升机交流电机斩波串调系统的研究 1 3 6 交流电动机交一交变频调速系统 交流电动机交一交变频调速系统在2 蚴o 年代奠定了理论基础，8 0 年代开始在矿井 提升机上应用，首先是交一交变频一同步电动机系统投 运行，而且实现了多微机全数字 控制。这些系统都是具有优良的控制性能、运行效率高、g d 2 d 啼d 维护工作量少等优点， 特别适用于大容量、低转速的矿并提升机上。目前传动功率已经可达塑j 5 0 0 0 - 8 0 0 0 k w ，将 同步电动机转子外装的摩擦式提升机的滚筒合为一体的机电一体化方案具有体积更小、重 量更轻的优点，可以明显地刚氏投资费用，成为低速大容量矿井提升机传动的发展方向。 交一交直接变频由三组可逆整流器组成，其三相移相信号为一组频率与幅值可调的三 相正弦信号，则变频器输出相应的频率、幅直可变的三相交流电压，给三相同步电动机或 异步电动机供电，实现变频调速。 调速的本质是根据负载转矩的变化控制驱动电动机的转矩，而交流电动机的转矩决定 了定、转子磁通势矢量的大小与相x , j - 位置。一般可采用控制交流电动机定子电压幅值与频 率( 电压控制型) 或定子电流幅值与频率( 电流控带4 型) 的标鲎控制系统，但其动态控制性能 较差，为改善转矩控制的动态性能，可采用对交流电动机的定子电压与电流实行磁通方向 的矢量变化控制。 总之，到目前为止，在我国的煤矿中矿井提升机的拖动方式仍然是以绕线式异步电动 机的交流拖动形式为主，而且一些新建的中小型矿井由于受投资成本的限制，也继续选择 采用这种拖动方式。从矿井提升机各种拖动方案的对比可以知道，绕线异步电动机转子回 路串电阻的交流调速方案，由于控制性能较差、效率较低、维护工作量大等原因，不是今 后的发展方向，对现行正在服务的系统应根据性能逐步进行改造和更新 4 1 1 5 6 ， 1 4 矿井提升机改造方案的发展 随着电力电子技术、变频技术和微型计算机控制技术的迅猛发展，电气传动技术进入 了一个新的阶段。特别是矢量控制技术的出现，使得交流传动系统领导了电气传动的潮流， 采用裔眭能的交流传动系统进行交流提升机的改造是极富吸引力的。 先进的交流拖动方式可以有两种：交一直炙踅顷i 拖动和交交变频器拖动。从实 际情况来看，现场使用的交流电动棚均为高压( 6 0 0 电动机，且电机使用的频率为5 0 h z 。 由于交交变频器的输出频率最高为十几赫兹，要长期运行于低频状态非使用低频电机不 可。因此，该方案不能用于交流提升机的改造。采用交直交变频器要有四象限运行能 力，而且变频器的输出电压要达至蝽涯电机的要求。目前市场上的交直交变频器主要 是用于风机手泵类负载，且最大功率为5 0 0 k w 左右，电匝也只有3 8 0 v 或6 6 0 v ，不8 溯于 具有位能负载的提升机拖动系统。美国罗宾康( r o b i n c o n ) 公司可以提供6 0 0 0 v 输入 6 0 0 0 v 输出的交直交变频器拖动系统，且能满足四象限的运行要求；a b b 公司生产的 4 矿井提升机交流电机斩波串调系统的研究 a c s 6 0 0 0 s d 交- 直交变频器是基于直接转矩控制技术的新一代交直交电压型中压变频器。 但若用于提升机改造，价格太昂贵，国内企业难以承受。 在矿井交流提升机的拖动控制改造方面，国内的许多单位和一些专家也作出了许多努 力。对矿井交流提升机的电控系统用可编程控制器进行改造，代替了原来的继电器控制， 多级切电阻，低频制动。此外将磁力站的接触器换为真空接触器或双向晶闸管，提高了系 统的可靠性、降低了噪音，改造后的效果是显著的。但这些方案仍要串电阻，无法解决无 级调速和节能的问题。 由于上述所提的改造方案运用比较困难不太切合实际。因此，改善交流提升机系统的 性能，提高提升机的自动化水平，结合我国的国情，研制新型可靠安全的交流提升机拖动 系统是非常迫切的。 j 5 本课题研究的意义及主要工作 能量指标是衡量调速系统技术经济眭能的重要方面，而系统的效率与功率因数是能量 指针的主要内容。传统的串调系统虽然效率高，但是其功率因数却很低。高速满载运转时 总功率因数约在0 6 左右，低速时总功率因数更差。因此，从节约能源的角度来说，就需要 寻找方法来提高串调系统的功率因数，改善其效率。 因此本文提出了新型斩波串级调速方案，与常规串级调速系统不同之处在于转子直流 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接。逆变器的控制角可取 为较小值，且固定不变，故可刚氐无功损耗，而提高系统的功率因数。逆变器回馈的功率 是电动机的转差功率，针对提升机的运行工艺，在加速段、减速段、爬行段才有转差功率 回馈电网。由于电动机瞄卷运行时间短，所以逆变器的容量应比电动机的容量小，约为电 动机容量的6 0 0 4 ，但i 煎变器的容量不能太小，因为半导体器件的过载能力低。斩波式逆变 器串级调速系统虽然比传统的串级调速系统多了个斩波器环节，但前者的逆变器容量较 后者小，所节约的成本足以抵偿斩波器的成本。而且更重要的是前者比后者能够大大改善 功率因数。 由于现场使用的交流电动机均为高压) v ) 电动机，转子电压和电流相当大，目前国 内还没有合适的大功率全控器件，因此选用a b b 公司推出的集成门极换向晶闸管i g c t 。 1 5 1 本文的研究内容 针对如何提高普通串调系统功率因数、减小逆变器的装置容量入手，本文主要进行了 以下几个方面的工作： 1 研究了矿井提升机交流电动机斩波串调系统的主电路拓扑结构，分析其工作原理，推导 出斩波串调系统的机械特性。 5 矿井提升机交流电机斩波串调系统的研究 2 研究斩波串调系统的主电路参数选择。根据矿井提升机的工艺特点，给出逆变器容量的 设计方法。 3 研究控制电路的实现方案。针对有源逆变器的控制角d 不变的特点，给出简单可靠的触 发控制电路。由于矿井提升机要求调速精度高、调速范围大，需弄用转速、电流双闭环调 速方案。 4 针对矿井提升机的工艺特点、电动机容量在6 0 0 k w 之o o m 洲范围，斩波开关器件是全 控器件，且容量为4 0 0 0 v 、4 0 0 0 a ，研究必须采用i g c l 器件，由于i g c l 器件的资料缺乏， 需查阅、翻译外文资料，且需分析消化其技术性能和原理，掌握其使用方法。 5 为了提高斩波串调系统的技术性能和可靠性，需采用数字化，本文以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a d s p 为核心，研究双闭环调速系统的硬件电路和软件设计方案。 6 对设计的系统，采用m a l l a b 软件进行了仿真，给出仿真系统的结构图和仿真结果。 实验室购置了3 4 0 a 4 5 0 0 v 的i g c t ( a b b 公司产品) 开关器件及阻容吸收电路、驱动电路。在 实验室测试了i g c t 的性能，观察了波形。 1 5 2 本方案的主要特色 1 提出了矿井提升机交流电动耄兀新波串调系统的主电路拓扑结构，分析其工作原理，推导 出斩波串调系统的机械特性。 2 提出斩波串调系统的主电路参数选择方法。 3 给出矿井提升机斩波串调系统逆变变压器容量的选择方法。 4 采用d s p 1 m s 3 2 0 u 砣4 0 7 a 实现斩波串调系统的控制功能。具有技术| 生能好、可靠性 高等优点。 5 分析消化t i g c t 开关器件的驱动、保护电路的技术资料，给出了i g c t 的使用方法。 1 5 3 本方案的实际意义 当前世界普遍重视自芝源问题，要求节能的呼声越来越商。我国是工业生产能耗高，能 源紧张的国家。据有关资料记载，我国发电总量中，大约有6 0 是电动机消耗掉的。目前， 绕线式感应电机被使用于许多生产场合， 匕女口矿井提升、风机施动等。据统计，它在我国 各类矿井提升设备中约占9 0 5 e 右。因此，节能是亟待解决的问题斩波式串级调速完全 可以满足负载的驱动要求，并可大幅度提高整个系统的效率，达到节能的目的，推广应用 这种调速系统具有十分重要的意义。 6 矿井提升机交流电机斩波串调系统的研究 第二章新型斩波串级调速系统的原理 2 1 传统串级调速系统的原理 传统的串级调速原理图如图2 1 所示。 ， 图2 1 串级调速系统原理图 d 在上图中，d 为绕线转子异步电动机，b 为逆变变压器，z 为转子三相不可控桥，n 为 三相桥式有源逆变器，l d 为平波电抗器，g 为脉冲触发器。两个整流装置电压u d - b u i 的极 性以及直流回路电流i d 的方向如图中所示。异步电机转子相电动势经三相不可控整流装置z 整流，输出直流整流电压u d 。工作在逆变状态的三相可控整流装置n 除提供可调的直流电 压u 舴为调速所需的附加直流电动势外，还可将经z 整流后输出的异步电机转差功率逆变 成交流，并回馈到交流电网。 由此可以写出整流后的转子直流回路电压平衡方程式 u d = u j 七i r 或 墨j 邑o = k 2 u 2 rc o s f l + 厶胄 ( 2 1 ) 式中：厨、局 肖z 两个整流装置的电压整流系数，如果都是三相桥式电路，则瞄- - c 2 = 2 3 4 ； 删变器直流侧电压( 即直流附加电动势) ； ( 0 一直流整流电压； 厂逆变变压器的二次相电压； 俨一工作在逆变状态的可控整流装置n 的逆变角： 砖子直流回路总电阻： 艄予直流回路电流。 式( 2 1 ) e p 并未计及电机转子绕组与逆变变压器漏抗对整流电路的影响，所以它是个简 7 矿井提升机交流电机斩波串调系统的研究 化公式，但足以用于定性分析系统的工作。从式( 2 1 ) 可以看出，在- u d c f 包含了电机的转差 率；又从变流技术知i d 与电动机转子交流电流1 2 间有固定的比例关系，因而它近似地反映了 电机电磁转矩的大小，而b 角是控制变量。所以该式可看作是在这种接线形式下电机机械 特性的间接表达式s i ， 国。 在串级调遽系统中，通过调节陋改变电机转速，由于逆变角p 的可平滑连续调节性， 所以异步电动机的转速也能被平滑连续地调节，这一点优于异步电机转子回路串电阻调速 方法。此外，由于电机的转差功率能通过转子整流器变换为直流功率，再通过逆变器变化 为交流功率而回馈到交流电网，这样转差功率不再被浪费而可予以利用，因而具有高效率 的调速性能。 串级调速系统的功率因数与系统中的异步电机、不可控整流器以及逆变器三大部分有 关。异步电机的功率因数由其本身的结构参数、负载大小以及运行转差率而定。逆变器是 利用移相控制改变其输出的逆变电压，使其输入电流与电压不同相，消耗了无功功率，逆 变角越大，消耗的无功功率也越大。在给定的逆变角下，串级调速系统从交流电网吸收的 总有功功率是电机吸收的有功功率与逆变器回馈至电网的有功功率之差；然而从交流电网 吸收的总的无功功率却是电机和逆变器所吸收的无功功率之和。随着电机转速的刚氏，所 吸收的无功功率虽然减小了，但从电网所趿收的总有功功率也减d , - g ，结果使系统在低速 时的功率因数更差。 传统的串级调速系统的主要的缺点是整个调速系统的总功率因数低，高速运行时总功 率因数为0 6 0 6 5 ，低速时总功率因数更低。 串级调速系统总功率因数可用下式表示： 叩r 。吾2 丽考焉券丽 p 2 ， 式中：尸一串调系统从电网吸收的总有功功率 s 一串调系统总视在功率 p 厂- 电动机定子吸收的有功功率 】p 厂逆变变压器回馈到电网的有功功率 q 一电动机定子吸收的无功功率 q 日一逆变变压器吸收的无功功率 下面分析功率因数低的原因： ( 1 ) 串调系统中的逆变变压器需要由电网吸收无功功率函，是造成总功率因数低的主 要原因。 由式( 2 6 ) 可知，串调系统从电网吸收的总有功功率为p = 一呷日，而从电网吸收的总 无功功率为q = 9 1 l 函，电动机自然接线时的功率因数为 8 矿井提升机交流电机斩波串调系统的研究 c o s 炉志 p 3 ， 由式( 2 2 ) 和( 2 3 可见，串调系统总功率因数较电动机直接运行时的功率因数低的多。 ( 2 ) 串调系统中转子整流电路存在严重的换流重叠现象，引起电动机转子电流落后于 转子电压相位“2 角，使电动机本身运转的功率因数变差。 c o s ( p d = c o s q 7 c o s ( 2 ) ( 2 - - 4 ) 式中伽妒为转子电流和电压未出现重叠角引起相位落后时电动机功率因数。 ( 3 ) 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，使串调系统的总功率因数亦变坏。 其中，第一个因素( 即逆变变压器需要由电网吸收无功功率) 是造成系统功率因数变坏 的主要因素，有关资料指出，后两方面因素仅使功率因数刚氐约1 6 。由此看来，提高功 率因数的关键是如何减少从电网中吸收的无功功率硎雕埘。 2 2 新型斩波串级调速系统工作原理 2 2 1 斩波串调原理 具有斩波控制的串级调速原理图如图2 - 2 所示。 + 图2 - 2 斩波控制串级调速系统原理图 与普通串调系统的区别是在直流回路中增加开关器件c h 、隔离二极管) 、滤波电容 c 。此三个元件构成斩波升压电路。有源逆变器u i 的逆变角d 选择可以一个最小的固定的 厩。，因此u 为固定电压。 u = 2 3 4 u z rc o s 成。 在c h 导通时，五增加、v d 截止。在衄截止时，跏霞过v d 流入逆变器，e 下降。直流 回路各点波形如图2 3 所示。图中伪c h 的开通时间，t # j c h 的开断周期，以为斩波器c h 的驱动信号，沈为c h 两端的电压波形，f m 为流经二极管v 【) 的电流波形，也为流经斩波器 c h 的电流波形。改变c h 的开通占空比以就可以改变觇的平均电压。在交流电f ，啭速一 9 矿井提升机交流电机斩波串调系统的研究 定时，改变以就可以改变历的大小，即改变电动机的转矩疋，从而达到调速的目的。 斩波电路和逆变器u i 的共同作用相当于普通串调系统中的声可调的有源逆变器的作 用。只是后者u i 的功率因数比较高，接近0 9 ，且f 匿定。另外斩波串调系统还有一个显著的 优点是l 及整流变压器的容量小，因为仅有部分i d 留入逆变器f i i j 12 j 【蛳1 4 1 。 o 0 i c h 0 圈2 - 3 斩波串调主电路波形 2 _ 2 2 机械特性 直流回路的等效电路如图2 4 所示。 图2 _ 4 斩波串调系统等效电路 由图2 4 可得电压平衡方程： l o ( a ) ( b ) t ( c ) ( e ) u o b o 矿井提升机交流电机斩波串调系统的研究 。 u d o u2 = i d2 r ? + 毛s x ，+ r 而 u d o = 2 3 4 s e ，o 吣竿啦f 一t 1 2 3 4 u 2 r c o s 式中：厂_ 逆变变压器的二次相电压有效值。 e 广啭子绕组开路相电压有效值； 怒- 转子绕组电阻； 。配转子绕组漏抗； r 厂直流平波电抗器的电阻。 将式( 2 - 6 ) 代入式( 2 5 ) 可得 。：2 ：( ：出：兰：2 1 1 ：竺1 2 3 4 e m 一二x ? id 将s = 型代入上式，得斩波串调时的转速特性为( 在第一工作区) 丹。n o z ，4 e 。一( ，一手 ：c 。s 风。 一l ( 昙j ? + z r ，+ r a 2 3 4 e ，。一- 3 x 7 4 石 ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) r 2 - 8 ) 由转子整流器的输出功率( 即转差功率) 只= ( 2 3 。蛾一昙l 卜 ( 2 9 ) 可得电磁转矩为 t = 去= * ，。耻昙z l 卜 式中：岛广理想空载机械角速度r a a y s ： 卟鲁 对( 2 一l o ) x - 式，令! 磐：o ，可求出电磁转矩的计算晟大值7 赢，经数学推导，得第一 d j 。 工作区的机械特性方程式 矿井提升机交流电机斩波串调系统的研究 式中：竭矿给定们_ 日寸，从理想空载到计算最大转矩点的转差率增量，a s 。 一瓣相应的们值下，由负载引起的转差率增量，a s 。= 卜- s ，。： s ，r 一对应于计算最大转矩疋，。的临界转差率，其表达式为 咄。+ 鬻 根据式( 二1 1 ) ，可画出斩波串调系统的机械特性曲线，如图2 5 所示【1 1 【1 5 】。 2 2 3 功率因数 s o s i o s 2 d o 图2 - 5 斩波串调系统的机械特性 砜 ( 2 1 1 ) ( 2 - - 1 2 ) 图2 - 6 示出了在叵转矩负载下、串级调速系统总电流聊逆变变压器反馈电流切向量端 点随转速变化的轨迹。对于传统的串级调速系统来说是圆弧n ，。对于工作在恒转矩负载 下的斩波式逆变器串级调速系统来说，逆变器的控制角多书。保持不变，当转速变化肘， 系统从电网输入电流砌向量以及j 坡器返回电网的电流而j 向量的端点勒迹就是线段厨。 例如在没有斩波器环节的情况下，在，气目运行，逆变器电流为d s a n ，系统总输入电流为 。= o a ，。加入斩波器环节以后，若系统仍旧工作在，嘲b 么系统总输入电流的端点必在 过吩点平行于横坐标轴的直线和d ，嘞的交点q ，上。d 1 岛l 就是在，= 品时逆变器返回电网的电 流，0 哮威是系统相应的总输入电嚣l 乇，。国和的长度就是这两种系统消耗的无功功率的差值， q 印的长度表示了输入逆变器的无功功率函。随着转速的增加，在f 书幽 劫时，系统总输 入电流的端点必在过啦点平行于横坐标轴的直线和d 隅的交点幻上。d j a k s 就是在，；龈时逆 变器返回电网的电流，就是系统相应的总输入电流k 。鳓帕的长度就是这两种系统消 耗的无功功率的差值，珊锄的长度表示了输入逆变器的无功功率o 。可见具有斩波器环节 的串级调速系统比传统的串级调速系统节约的无功功率多。 为提高系统的功率因数，可将可控整流器的逆变角设定在卢= 风。，这样可使逆变 器从电网吸收的无功功率减到最小程度。 1 2 矿井提升机交流电机斩波串调系统的研究 图2 6 恒转矩负载下，转速变化时串级调速系统总电流k 和逆变变压器反馈电涧t l 的向量轨迹 有关资料提供了在恒转矩负载下斩波控制串级调速系统在不同转差率下的功率因数， 如图2 7 所示： c c u 1 0 9 0 9l 瓣钐二二 0 , 4 卜_ 0 3 卜 0 2 卜 0 , 0 1 b 卜j 一， o r 爿芦亩寸5 由图2 _ 6 和图2 7 可见，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 电动机的自然功率因数，达到o 8 以上，远较传统的串级调速系统为好f 1 1 1 1 6 。 1 3 矿井提升机交流电机斩波串调系统的研究 第三章斩波串调系统的理论研究 本文提出了利用整流桥和i g c t 构成直流斩波电路来连续无级改变电机转子回路电阻， 在此基础上设计了双环调速系统内环采用电流自适应调节器夕h 环采用速度调节器，并利用 仿真整定参数。以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 为核心，组成一个全数字新型串级调速控审4 系统， 针对改进方案所要求的控制和触发脉冲。斩波式串调系统结构图见图3 1 。绕线式异步电动 机转子电压经整流后与- * n 桥式晶闸管逆变器相联，v 管并联于逆变桥直流侧，通过控制 i g c t 的导通时刻来改变逆变电压。 u g b 整流器斩波器 逆变器 图3 1 斩波式串调系统结构图 在圈3 1 所示的系统中，整流器为二极管整流桥，叻为三相桥式整流电路的输出电压， 逆变器始终工作在最小逆变角状态。为简化问题分析，设和u 均为纯直流电压。 直流斩波器由集成门极换向晶闸管i o c 缃成。电容电压比的平均值改等于逆变电压 “，当改奎舀g c 珊的导通时间& 口改变i g 田蠲电匿淞的平均电压阮( 也即是斩波器的输出 电压) ，就可以达到调速的目的。 上，的作用是滤波，玩为纯直流电匿，油蹰动的直流电压，则甜。，= u 。一。c 自起 能量缓冲作用。当i g c t 关断时，c 储能，当i c j c t 导通时，c 向逆变器放电。为维持逆变器 的电流连续，设置了滤波电抗嚣i j 2 ，在矿“时，通过逆变器的电流如增加，在虬 酗时，凸 减小。 斩波器输出电压的波形如图3 - 2 所示，图3 2 ( a ) 沏为i g c t 的驱动信号，f ，为g t o 关 断时间。在此期间= “。a 巩；t e 为g t o 导通时间，在此期间“0i i 刀。 1 4 矿井提升机交流电机斩波串调系统的研究 “t 2 ( b ) 图3 - 2 斩波器输出电压波形 3 1 i g c t 斩波式串调方案的主电路参数计算 1 、l i 的选掸 厶的作用是滤波，波形如图3 - 3 所示。这里忽略了u c 的脉动分量即“。“u 。= 己，。 在如期间i g c t 导通，忽略电阻压降础，因此“。= u ，上上的感应电势为 e - 2 厶鲁 因而 = 厶拿 在0 期f m i g c t 关断，u 。= u c ，忽略z 嘏，可得 叱i2 一虬= - li d i a 因为u a u ，“的波形如图3 - 3 ( c ) 所示。 在期间打的最小值为l ，用磕示负载电流相对值，则五= 足，。，那么打交流分量 的峰值可近似为 = 2 ( j 。一目。) = 2 ( 1 一x ) 厶= 2 0 一x 皿，1 1 。 那么为限制毋 饿所需的三，应为 厶= ( u a - u c ) 采矗2 ( 1 3 5 u z o s - u , ) 未矗 j 5 矿井提升机交流电机斩波串调系统的研究 由于在s 。时，打 0 9 s 仍小于e “即的，所以上式应写成 厶= ( u , - 1 3 5 s ) 丽t 1 另外，考虑电动机的漏感，串联电抗器e j 的电感值应为 = 一2 岛， 式中：2 ，电动机漏感折算到转子侧的每相电感。 u 6 u ， ( u o o 0 0 ( b ) l 以八以， vv b 0 _ 一lj j t l t 2 ( c ) 图3 - 3u l 】波形 2 、c 、厶的计算 c 、厶构成能量缓冲电路。能量缓冲电路的波形如图3 4 所示。 f ，期间( g t o 关骱在玎期间g 1 o 元件关断，隔离二极管d 1 导通 电路如图3 5 所示。 根据图3 5 所示可列出如下方程： ”l 2 + u i 一”。= 0 t ：c 堕 破 i 2 = i i - i c 电容c 充电 ( 3 1 ) ( 3 - 2 ) ( 3 3 ) 矿井提升机交流电机斩波串调系统的研究 u 神 u m l o u c v 朱 u 刘0 一，d ： k n 胁 u i 时如增加，在“。 v 时如减小。当厶取值 较大时，i 2 的谐波分量较小。 根据以上的分析可知，在高速时根据恸确定了打、t 2 ，根据要求的以确定了c 。即 是说在式( 3 - 2 0 ) 中，u 、c 、t l 、如、伪为已知，只有上2 桃，是未知的。也就是说，选择 一个幻，就能得到一个相应的厶，指标。由式( 3 2 0 滚换可得【1 7 1 ： ，d = 3 、逆变变压器容量的计算 ( 3 - 2 2 ) 工叩伍恤 悟吨 毋崛 妙 矿井提升机交流电机斩波串调系统的研究 矿井提升的整个运行过程如图3 - 7 所示可以分为五个阶段：加速段、等速段、减速段、 爬行段、停车段。其中t l 是加速段，t 2 是等速段，妇是减速段，4 是爬行段，t 5 是停- 车4 3 t ，等 速段是提升机的主要运行阶段，电动机低速运行时间短。由于逆变器及整流变压器的作用 是将交流电动机的转差功率回馈电网，针对提升机的运行工艺，在加速段、减速段和爬行 段才有转差功率回馈电网，所以逆变器的容量应比电动机的容量小。而电动机在一个提升 循环中的转差功率只占整个提升循环功率雕s 2 5 ，因此，逆变器及整流变压器的容量比较 小，可按均方根容量选择，约为电动机容量的5 0 以下。但逆变桥的容量不能太小，因为 半导体器件的过载能力低。 以某矿主井为例： 主立井为三吨箕斗提升，提升高度5 8 咪，提升机为2 * 3 5 1 7 。电动机技术特征：容量 6 3 旰瓦，定子电压6 千伏，定子电流7 6 3 安，转子电压8 9 5 伏，转子电流4 3 8 安，额定转速 5 9 2 转分，最大力矩枷= j8 。最大提升速度砌嫩= 9 私米 眇，提升循环时间9 0 6 秒，总变 位质；垦4 2 6 0 公斤+ 秒钐k 。其速度图如图3 7 所示【3 】口 = 0 6 5 l j ki 9 4 3 o t 】 t 2 鼻。 b b ；郇 5 7 6 4 7 9 7 i 毋1 l o 1 了 图3 - 7 提升机速度图 由转差功率公式 只= 哦 式中：r 转差率 一f _ 异步电机的电磁功率 可画出转差功率只与时间f 的曲线图，如图3 8 所示 r s p 。 ) 9 5 p 。 l | ot i t 2 b t 4 b自 1 5 7 6 6 3 6 67 2 5 9 8 2 5 99 0 6 图3 - 8 转差功率图 2 l 矿井提升机交流电机斩波串调系统的研究 s = 逆变变压器的容量s 选择可以采用等效功率法计算【1 9 】，如式( 3 2 3 ) 所示。 s = 其e f l t t = 1 5 7 6 s ，t 2 = 6 36 6 s ，t j = 7 2 5 9 s ，t 4 = 8 2 5 9 s ，t 5 = 9 0 6 s ，代入式( 3 - 2 3 ) 可得 ( 3 - 2 3 ) z 4 3 3 e 。 ( 3 2 4 ) 由式(