（电力系统及其自动化专业论文）内反馈式串级调速系统的理论研究及系统设计.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文内反馈式串级调速系统的理论 研究及系统设计，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：盟j 圣经日期：丝! 芏! ! ：；， 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；同意学校可以用小同方 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：丝堡鳇导师签名：盏，l 丝蛰 日期：矽o y - f 7 ；口 华北电力大学硕士学位论文 1 1 交流调速的发展与现状 第一章引言 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 $ 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“”。 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木。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 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 直流拖动的形式己指日可待。特别应该指出的是，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：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”“。 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。 华北电力大学硕士学位论文 1 2 研究的意义和主要工作 1 2 1 研究的意义及调速方案的选择 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，风机和泵类负载的耗电量占到整个工业 用电量的4 0 以上，而风机、泵用电量的3 0 一4 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53 。在能源曰趋紧张的今天，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，在风机和泵类负载的节能措旌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“3 。因此，高压大功率电动机驱动的 风机、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泵类负载，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。 对于风机和泵类负载的调速，合理的方案应是绕线电机串级调速。电机定子绕 组直接接中压电网、无网侧变压器，转子绕组为低压，易和电力电子器件相匹配。 在串级调速时，转子电路的功率为转差功率。风机和泵类负载所需的调速范围小， 一般为3 0 左右，这样电力电子装置的功率仅为电机功率的3 0 或1 5 。但普通的串 级调速系统包括绕线电机、不可控整流器、有源逆变器和逆变变压器等，逆变变压 器接电网，造成转差功率在绕线电机、不可控整流器、有源逆变器、逆变变压器和 电网中的无谓循环。而且有源逆变器通常采用滞后相控触发，电机转速的改变是通 过改变逆变角来实现的。因此，在深调速时系统功率因数低、谐波电流大，这是普 通串级调速最主要的缺点。再有系统装备复杂，进而成本高。这些都在不同程度上 限制了这类负载节能调速的推广和应用。 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、动态均压问题川。为了避开串并联的困难和减少转矩脉振， 华北电力大学硕士学位论文 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0 1 。 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 ，i o k v 高 压系统，电机转予侧电压大约在1 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、泵类 负载”。 1 2 2 主要完成的工作 针对普通串级调速系统的上述缺点，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几个方面。 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 主绕组和调节绕组。它的安装尺寸和技术特点与普通绕线电机相同。主绕组接电网， 调节绕组可以产生感应电势作为附加电源通过有源逆变器、不可控整流器与转子相 连。调节绕组在为转子提供附加电势的同时，吸收转予的转差功率，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、逆变变压器和电网中的无谓循环，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。 另外，针对普通串级调速系统功率因数比较低的缺点，在转子直流回路加入了 直流斩波器，转子整流器通过斩波器与逆变器相连。斩波器采用了新型可关断电力 电子器件i g b t ，它综和了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。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为 最小值，且固定不变，故无功损耗减少到最低程度，从而提高系统了的功率因数。 华北电力大学硕士学位论文 同时也避免了因调速深而带来的功率因数进一步降低的因素。 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，从而定子电流谐波成分减少，而且，由于转差功率反馈到了电动机 的定子侧，不是反馈回电网，避免了传统的串级调速系统中转差功率通过逆变变压 器馈入电网，然后通过电网又送回转子的无谓循环，大大减少了对电网的谐波污染， 提高了整个系统的效率。同时，直流斩波器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。 第四控制系统的结构简单，不需要逆变变压器和其他外辅电机，更不需要建配 电室或变压器室，节省了投资由于，这种调速系统的控制装置承受的只是部分转子 电压，远远低于电源电压，因此，电力电子元器件所承受的工作电压很低，有利于元 器件的可靠运行，提高了系统的可靠性。 而且，串级调速使用绕线式电机，能够有效控制电机起动电流，这对于大中型 电动机来说，是非常重要的。 在设计了主电路后，给出了系统主要设备的选择原则和设计方法，并进行了调 速系统中各种电容、电感、二极管、晶闸管等电力电子器件的参数计算和设计。 同时本文针对内反馈电机定子结构比较特殊的特点，在普通绕线电机数学模型 的基础上结台参考文献 1 1 建立了内反馈电机的数学模型即定子六相感应电机的 数学模型，并对其进行了仿真。由仿真和现场调试结果，进一步验证了通过改变串 入转子绕组的附加电势可以改变电机的转速。 然后本文对高频斩波内反馈式串级调速系统的应用实例，进行了详细的测试和 分析，证明该调速系统完全完成了课题的设计思想，在大功率风机和泵类负载的节 能调速方面具有广阔的应用前景。 4 华| t 电力大学硕士学位论文 第二章异步电动机串级调速系统的原理及特性 2 1 串级调速系统的工作原理 绕线式异步电动机的转子能通过集电环与外部电气设备相连接“，因此可以在 其转子回路串入不同数值的电阻，从而获得不同的机械特性，来实现电气传动的转 速调节。这种调速方法由于方法简单、价格低廉，曾得到相当多的应用。但是，这 种调速方法极不经济，转速的降低是以转差功率消耗在调速电阻的铜损耗上作为代 价换来的。转子串电阻调速范围不大，电机机械特性变软，无法实现平滑的无极调 速。如果在绕线式感应电动机的转子回路中串入一个与转子感应电势疋相位相反 ( 或相同) 的附加电势e r ( 如图2 1 所示) e f 图2 1 串级调速原理图 当调节电动机的转速时，转子的转差功率大部分被附加电势e ，吸收，若能有效 的利用或回收这部分功率，就可以节约电能，提高调速系统的效率。串级调速就是基 于这种思想，把转子感应电压通过整流器变换为直流电压，然后用一个直流的附加 电势与之作用，以调节感应电动机的转速。这个附加电势根据它的相位的不同，可 能对电机的运行情况产生不同的影响。如果附加电势的相位正好和电流的相位相 反，它是吸收功率的，其作用和串电阻相似，增加这个电势，可以使转差功率增加， 电机转速下降。如果电势与转子电流同相，则产生附加电势的装置将有功功率输入 电机的转子回路，起到负电阻的作用，可使转子回路中转差功率减少，甚至变为负 值，这时电机转速升高，甚至超过同步转速。所以习惯上把前面一种调速方法称为 亚同步调速；而把后一种方法称为超同步调速。 在电机转子回路中引入可控的交流附加电动势，虽然可改变电机的转速，但由 于电机的转子电动势的频率是其转速的函数，所以附加电动势的频率也必须能随转 s 华北电力人学硕士学位论文 速而变化且在调速的动态过程中，也应与电机转子电动势的频率保持一致。由此可 见，在转子回路中附加交流电动势的调速方法，相当于在转子侧加入可变频、可变 幅值电压的调速方法。在工程上实现这样的可控电源是有相当难度的，人们常用一 些间接的方法来完成“。工程上最常用的一种方法是，利用直流回路来处理。由于 直流电量不存在频率与相位的问题，直流电压又容易获得，所以可以将电机转子电 动势先整流成直流电压，然后引入一个直流附加电动势，而控制此直流附加电动势 的幅值，就可以调节异步电机的转速。这样，就把交流变压变频的问题，转化为与 频率无关的直流变压问题。经常采用的一种方案，就是用硅二极管整流桥把转子转 差功率整流为直流功率输出，然后把该直流功率输送给由可控硅整流桥构成的相控 逆变器，由后者把直流功率又变成交流功率回馈绘电网。 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“。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 2 所示) ，其转子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。 工d 4 iu d 整流器 逆变器 图2 2 传统的晶闸管调速系统原理图 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 + j d r 华北电力大学硕士学位论文 k l s e 2 0 = k 2 u 2 t c o s 声 ( 2 一1 ) 式中：k ，k ：一一分别为整流器和逆变器的电压整流系数； ，一一逆变变压器二次相电压； 口一一逆变器的逆变角。 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p 。当卢角增大时，逆变电压u i 相应减少，但受机械惯性作用，电机转 速不会立即变化，所以比仍维持原值。这样，根据式( 2 - 1 ) ，转子直流回路电流如就 要增大，转子电流和电磁转矩都会相应增大，而电磁转矩未变，电机加速。在加速 过程中，转子整流电压随之减少，又使电流“减少，直到u d 与b 间依式( 2 1 ) 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，减小口角时，电机将降低转速运行。这就是绕线转子异步电机电气串级调速 系统的工作原理。在串级调速系统中，通过调节口角的大小来改变转速，由于逆变 角口可平滑连续调节，所以异步电机的转速也能被平滑连续的调节。 2 2 串级调速系统的特性 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15 以内，则变流装置的容量更可以减少到 只有电机容量的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。 能量指标是衡量调速系统技术经济指标的重要方面。异步电动机串级调速由于 转子上的转差功率大部分得到回收，所以这种调节转差的调速方法具有系统总效率 较高的特点。 晶闸管亚同步串级调速系统的主要缺点是整个调速装置的总功率因数很低，通 常只有0 3 0 5 。即使在高速满载运行时，其功率因数也往往达不到0 6 ，造成功 率因数低的原因有三方面。其中最主要的是因为晶闸管逆变桥采用电网电压换流， 逆变桥触发角n 在9 0 0 18 0 0 之间，相位滞后，需从电网吸收大量的无功电流，再加 上电动机本身和逆变变压器为产生磁场的需要也要吸收相当数量的无功电流，所以 串级调速系统从电网吸取的无功电流比异步电动机单独运行时多得多而有功功率 华北电力大学硕士学位论文 在串级调速系统中由于转差功率的回收而减少，于是功率因数就变得很低。而且调 速越深，系统从电网吸收的无功电流越多“”，系统效率就越低。此外，串级调速系 统中转子整流电路存在的严重换流重叠现象以及串级调速系统中电流波形发生畸 变也会使系统的功率因数变坏。 改善异步电动机串级调速系统功率因数的办法有两类“”：一类是尽量减少逆变 器由于调压而引起的无功功率，使系统的功率因数接近于异步电动机的功率因数： 另一类是采用晶闸管强迫换流，使逆变器工作在超前功率因数状态。这样逆变器的 存在不但不会使系统的功率因数降低，而且还可以用逆变器吸收的超前电流去补偿 异步电动机吸收的滞后磁化电流，从而使整个系统的功率因数提高，直至接近于1 。 由上面分析得知，调速越深，系统功率因数就越低。因此对于调速范围比较宽 的串级调速系统，提高系统的功率因数就显得尤为重要，这也是关系到串级调速系 统能否被广泛推广应用的关键问题之一。改善功率因数的具体措施通常有以下几 种： 1 逆变器的不对称控制。这是利用两组可控整流器组成逆变器的纵序连接并进 行不对称控制。这种方法适用于大功率系统。 2 采用具有强迫换相功能的逆变器，在逆变器工作时使晶闸管在自然换流点之 后换相，这时逆变器的输入电流呈容性，可以补偿异步电动机从电网吸收的电感性 无功电流，从而使系统的功率因数大大提高。但是这种方法电路比较复杂，价格昂 贵。 3 在电动机转子直流回路中加斩波控制。采用这种方法可以把逆变器的逆变角 固定为某一最小值，这样就把逆变器从电网吸收的无功功率减少到最低，从而提 高系统的功率因数。而且线路比较简单。本课题即采用这种方法。 华北电力火学硕士学位论文 第三章内反馈电机斩波式串级调速系统 3 1 内反馈串级调速电动机 3 1 1 概述 内反馈串级调速电动机是近年来出现的一种新型的绕线电动机。由于内反馈串 级调速与传统的串级调速相比，具有很大的优越性，避免了转差功率在电机定子绕 组、转子绕组、整流逆变装置、逆变变压器和电网中的无谓循环现象；而且，在大、 中容量，尤其是在高压情况下，还具有变频调速无法比拟的优势因此，发展十分迅 速。 内反馈串级调速电机的基本结构如图1 所示，内反馈串级调速电机在其基础电 1 轴承2 主绕组3 转子绕组4 定 子5 转子6 调节绕组7 集电环 8 调节绕组出线盒9 主绕组出线盒 图3 1 内反馈串级调速电动机 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“。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 华北电力大学硕士学位论文 组，用以提供附加电源。 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 3 = 4 4 4f t n 3 k n3 m ( 3 一1 ) 式中i 一一电源频率； n ，一一调节绕组的串联匝数； k 3 一一调节绕组的绕组系数 “一一电机主磁通 这是一个恒频恒压源。 对于异步电机，由于随着转差率( 即电机转速) 的变化，电机转子频率也将改变。 为了使电机获得调速，必需使e 、反映给转子绕组的附加电势与转子电势保持同频 率，并且大小可以调节，因此在调节绕组和转子之间需要串接整流逆变装置。调节 绕组在为转子提供附加电势的同时，吸收转予的转差功率，然后通过电磁感应的方 式，将这部分功率传输给定子绕组。这种将转差功率通过整流逆变装置反馈给电机 内部( 而不是电网) 的电动机，我们称之为内反馈调速电机。 由此可见内反馈电机是一种能够自身产生附加电势源的特种异步电机。其调速 原理为：将电机的转子绕组通过整流逆变装置与定子上的调节绕组相连，使之能够 产生功率交换。如果整流装置采用不可控电子器件，则功率只能从转子传递给调节 绕组，即电机只能完成低同步调速。由于风机和泵类负载一般调速都从额定转速往 下调，所以在调速中采用不可控整流器件即能满足系统的要求。内反馈调速电机在 调速过程中，除机械功率和基本铜耗以外，转差功率在电机内部传输平衡，因此是 一种封闭保守的电磁系统。 由于定子上有两套绕组，因而其磁势平衡方程式与普通绕线电机有所不同，但 原理上仍遵循感应电动机的基本理论。“。对于异步电机，磁势平衡是永远成立的， 因此内反馈电机的磁势平衡方程式为： e + 疋+ e = 吒 式中i 一一定子主绕组磁势 再一一转子磁势： 万一一调节绕组磁势： o 华北电力大学硕十学位论文 石一一激磁磁势 故有 m l k _ 1 n l i i + m 2 k 2 n 2 1 2 + ，”3 k 3 n 3 1 3 = m l k 1 n l ， 即n 器_ 2 + 篇k 7 m ( 3 2 ) 式中j ；一一折算到定子主绕组的转子电流： 7 ；一一折算到定子主绕组的调节绕组电流 为方便计算和讨论，需要将调节绕组附加电势折算到转子回路。图3 2 为内 反馈串级调速系统电路图，电机的转子电势与附加电势相叠加，由于直流传输不含 图3 2 内反馈串级调速系统电路图 无功功率，故两者的功率交换完全为有功性质。由调节绕组电势岛，作外附电源经 交一直一交换向装置提供给转子以附加电势，该电势在转子交流回路中恒与转子电 势反相，它仅起调速作用，而不改变转子的功率因数。假设整流装置和逆变装置都 采用三相桥式电路，则由变流技术可知， u = 1 3 5 局c o s p = 13 5 岛j = 13 5 5 岛。 式中岛一一调节绕组线电势； s 一一转子转差率： 华北电力大学硕士学位论文 e ：。一一转子开路电压 如果忽略换相重叠压降和电阻损耗，则有 = q 即s e 2 0 = 岛c o s 卢 ( 3 3 ) 在这里逆变变压器二次侧电压听：被调节绕组电压岛所代替，这是因为该调速 系统采用了内反馈电机，附加电势的交流电源不是由电网提供，而是由内反馈电机 的调节绕组所提供。 转子直流回路等效电路如图3 3 所示。图中的为转子相电阻，x ：，为转子电 抗，局为调节绕组及换向装置的折算电阻，由前述可知不存在无功功率的交换，图 中附加电势中不含折算电感。 图3 3 附加电势折算到转子侧的等效电路 通过以上分析可以看出，如果采用交一直一交逆变型相控方式的换向装置时， 折算到转子交流侧的附加电势，大小随逆变角声变化，而相位保持与转子相反，与口 角的大小无关。 3 1 2 内反馈电动机的功率关系 内反馈电动机不同于普通的电动机，它的转差功率通过调节绕组直接反馈回电 网，不仅没有使转差功率形成热损耗，反而减少了主绕组从电网吸收的功率。根据 功率平衡原理，内反馈电机主绕组从电网的吸收功率p 。等于调节绕组和转子绕组 上各种损耗功率之和。即： p i = p 2 + 岛+ b 式中p ：一一转予绕组的电磁功率 尸，一一调节绕组的电磁功率 p ，一一铁耗、铜耗以及其它损耗功率之和 l2 华北电力大学硕士学位论文 按照电动机惯例及电磁功率的能流方向，电磁功率中，吸收电能为e ：释放电 能为负。显然，转子电磁功率、损耗功率为吸收功率，应取正号：而调节绕组的电 磁功率为释放电能，应取负号。如前所述，调节绕组作为附加电源，在低同步调速 时吸收转差功率而使其处于发电状态。因此，p ，为负值，为方便理解取其绝对值， 于是上式可改写为： 尸1 = 吃一马+ p f 如果略去转子及整流逆变装置的损耗，调节绕组的电磁功率应于转子的转差功 率相等。 即：p s = b且p 。= 妒2 所以p l = p 2 一马+ p f = ( 1 一s ) p 2 + r = + 毋 ( 3 4 ) 式中 j d 。一一机械输出功率 上式表明，内反馈调速电机的输入功率为机械功率与损耗功率之和，如果忽略 各种损耗，则近似与轴端输出功率相等。对于恒转矩负载，电机输入功率近似与电 机转速成正比，这样在电机转速调节时，电机轴端功率发生变化，电机的输入功率 也随之改变，总是跟随并满足轴端功率的变化需要，而不增大损耗，显然是最合理 的功率平衡。以上分析虽然基于恒转矩负载，但同样适用于风机、泵类负载，只不 过对于风机、泵类负载，由于转矩随转速的平方率变化，而转差功率与转速的三次 方成比例。因此输入功率与电机转速不再保持严格的正比变化，但变化趋势仍然不 变，即随着转速的升高或降低，输入功率也相应增大或减少。 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。 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气- 和p 。，则通过电磁感应传输给电机转子的功 率为： e 。= 日一最。l p 矗 1 3 华北电力大学硕士学位论文 电动机轴端输出功率：p 肘= ( 1 一s ) p 。 轴端输出功率扣除摩擦损耗p 一，和杂散损耗p 。a 后得到电动机净输出功率p 2 p 2 = p m p p p 口d 转差功率只为：b = s 转差功率扣除逆变回路各部分损耗p ： ( 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 f = p s p 整个系统从电网吸收的功率为：p i 2p 1 一p f 则系统的总效率为： ”。鲁。卉 ( 3 5 ) 当然，这里效率的计算是粗略的，串级调速系统的效率除与系统参数和转速有 关外，还与负载和调速范围有关“”。 2 内反馈电动机的效率 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尸t ，这个功率扣除逆变回路各部分损耗后，不是 经逆变变压器传输回电网，而是直接反馈回内反馈电动机的调节绕组，因此此时逆 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p ；大于p ，所以 电动机的输入功率p ，要小于普通异步机的输入功率j p 。所以内反馈串级调速系统 的总效率为： 口：鲁：0 每 ( 3 - - 6 ) p lp 、一p f 由上式可以看出，内反馈电动机串级调速系统的效率要比普通串级调速系统的 高，这也是在串级调速系统采用内反馈电动机的主要因素之一，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地方之一。 华北电力大学硕士学位论文 3 2 带斩波环节的内反馈电机串级调速系统 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o “，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。正如第 二章所分析的，常规的晶闸管串级调速系统也有其本身存在的明显的不足，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电机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，可以取得其它调速不能比拟的节电效果，而且系统的性价比很高。 3 2 1 工作原理 带斩波器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 图3 4带有斩波器的内反馈串级调速系统的主电路 速，这就是本系统的调速原理。 图3 4 为带有斩波器的内反馈串级调速系 厶 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 叫2 “。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 b t 斩波器的占空比r ， 来改变斩波器的输出电压，即改变串入转予的附 加电势来改变电动机的转速，实现对电机调速。 其中电抗器厶起滤波作用，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， 矿卯 图3 5 i g b t 电流，d 电容c 和二极管一起组成斩 华北电力大学硕士学位论文 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电。电抗器：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。 普通串级调速系统调速是通过改变逆变角卢来实现的，但随着卢角的增大，系统 无功损耗增加，功率因数降低，系统性能恶化。而带有斩波器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1 5 度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 的串级调速系统功率因数低的缺陷。 图3 5 n 流过i g b t 的电流，。的波形，设i g b t 斩波开关的工作周期为t ：在时间r ， 斩波开关闭合，整流桥被短路，而在时间r r 里，斩波开关断开。 整流桥的输出电压为： u d = 23 4 s e 2 0 逆变器输出电压为： u f = 2 3 4 u r 2c o s 卢。h u 一；竿u ， 有 2 3 4 s e 2 0 = 2 3 4 u r 2 c o s t i m i n s = 生t 堕e 2 0c o s 。= 丘竿 “1 7 t 其中：k ：绝。卢。 所以n = 1 0 ( 1 一k 三)( 3 7 ) 由式3 7 显然可见，改变斩波器开关闭合时间r 的大小就可以改变电机转速h 的 大小。当r = r 时，也就是斩波开关直处于闭合状态，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r ：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： n m i n = n o 【1 一k ) 此时电机处于串级调速运行状态。当占空比r 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。 华北电力大学硕士学位论文 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 2 带斩波器的内反馈串级调速系统的性能 出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固定在最小值风。，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n o 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， 但对于风机和泵类负载来说，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。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，因此最小逆变角鼬。的选择必须 满足s m a x 岛o = u t 2c o s p m i 。的条件，其中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 0 左右。 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。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，卢角越小，电压谐波越 小，调速越深即逆变角越大，谐波分量越大，在卢：9 0o 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 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硬些。 具有斩波环节的串级调速系统的另一个突出优点，就是逆变器的容量比普通串 级调速系统要小的多。串级调速系统的调速范围d 与最大工作转差率。的关系为： d ；一 l s m 1 7 华北电力大学硕士学位论文 在最大工作转差率s 。的情况下，逆变器的最大输出直流电压u ，应与转子整流 器的输出电压u 。相平衡，故有 z 。生c o s 寺 口 对于风机和泵类负载来说，通过逆变器的最大电流发生在额定转速时，设在额 定负载时电动机转子整流器的输出电流为，。，则变压器次级线电流 i t2 = 08 1 6 i d r a ，= 1 2 r a 所以，逆变器的次级容量为： s 一3 u t2 t 2 叫器如w z 血卜土- p 。 c o s 卢m h lc o s i = s i r t l a xs r2 0 ( 3 - 8 ) 式中，= 3 e 2 0 ，。，c o s 九为电动机的额定功率： c o s 卉为电动机功率因数； s t 2 0 = 勺磊。艋。卉为在全范围( 从。转速开始) 调速的逆变变压器次级容量。 从式( 3 - 8 ) 可以看出，逆变变压器的容量与电动机额定容量如，和最大工作 转差率成正比，而与c o s 成反比。同样，逆变器的可控硅参数也是按1 2 。，和岛。 来选择的。对于恒转矩负载来说，上述分析同样成立。 对于斩波式内反馈串级调速系统来说，情况就不同了。逆变变压器的次级电压 同样由u r 2 = s m a x e 2 0c o s t i m i 。求出，这是因为在最低转速下工作时，r = 0 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r ：r 时，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。 对于风机和泵类负载，在某一转速n 时的负载功率 p _ 】l ，= p 批，( l ) 3 n r a l 转差功率：只= # 一嘞= # 一，( l ) 3 = ( 1 一s ) 2s ， j jl 一5 t l r a t 华北电力大学硕士学位论文 此时，逆变器容量为： 曲：= ( 1 _ s ) 2 s i 再；：= ：1 而只n t 上式在s = l 3 时有极大值， s r ，一：一4 五一：o 1 4 8 二l m 一。万忑蒜钏1 4i 蒜 因此在风机、泵类负载下斩波式逆变器串级调速系统的逆变变压器容量 ( s 。x i 1 ) 1( 3 9 ) ( s m “) 将s ，2 = 3 u r 2 i r 2 和= 3 e 2 0 7 2 c o s 而带入上式可求得逆变变压器的次级电流 i ( 1 一s m a x ) 2 ，2 朋f i t 2 = io 4 “7 2 f o m h ：1 ) 3 1(310)1 ( s m “2 尹 逆变器u i 的可控硅电流参数相应按上述电流选择。由式( 3 8 ) 和( 3 一1 0 ) 可知，在负 载为风机、泵类的情况下，斩波式逆变器串级调速系统虽然比传统的串级调速系统 多了一个斩波器环节，但斩波式逆变器容量和可控硅容量都比传统的串级调速要小 的多，所节约的资金足以抵偿斩波器的成本。 上面简单讨论了带斩波器的内反馈串级调速系统的功率因数、谐波电流、机 械特性以及逆变器容量等方面的特性。可以看出内反馈斩波式逆变器串级调速装置 与各类采用有源逆变器串级调速系统相比，不仅逆变器容量小，而且无功功率消耗 也小，具有较高的功率因数和较小的谐波。其次这种电路方案比采用强迫换相逆变 器的串级调速线路简单，工作可靠，易于实现。因此在风机、泵类的节能调速方面 得到广泛应用。 裔| 莒 ! 瞄羹书 些! ! 皇垄查堂堡主堂垡笙苎 第四章系统主回路主要元器件的选择与计算 4 1 斩波器件的选择 为了提高串级调速系统的功率因数，提出了带斩波器的串级调速系统。斩波器 可以采用晶闸管、晶体管或功率场控器件等。”。但各种器件由于其本身结构的不 同具有不同的特性”“。 1 晶闸管斩波器 当采用晶闸管斩波器时，因为元件自身无关断能力，需要附加强迫换相电路。 另一方面，受元件自身开关速度的约束，斩波频率的上限受到限制不能太高。而斩 波频率低又会引起转子电流低频脉动大，进而导致定子电流高次谐波分量增大，并 会引起电网波形畸变。为了抑制转予电流脉动，必须增大平波电抗器的数值。因此 晶闸管斩波器的线路比较复杂，进而成本较高。 2 g t r 斩波器 采用晶体管g t r 斩波器时，由于元件自身具有自关断能力，不需要强迫换相电 路，斩波频率仅受元件开关特性的限制，斩波频率有所提高。与晶闸管斩波器相比 具有滤波电感、电容变小，线路简单，谐波成分小等优点。但g t r 元件存在耐冲击 浪涌电流能力差、易受二次击穿而损坏，并且开关损耗大、效率低等缺点。 3 绝缘栅双极性晶体管斩波器 绝缘栅双极性晶体管简称i g b t ，由于它的导通是靠加在第三极的电压来控制， 因此属于电压控制型器件。这类器件主要有i g b t 以及m o s f e t 等。而象g t r 等晶体管 则属于电流控制型器件。由于电压型控制型器件本身的特点，使i g b t 作为开关元件 具有控制功率小，控制电路简单的特点。另外绝缘栅双极性晶体管是8 0 年代中期发 展起来的一种新型复合器件。它综合了m o s f e t 和g t r 的优点，即具有开关速度快、 输入阻抗高、驱动功率小、热稳定性好和控制简单的特点，又具有通态压降低、耐 压高和承受电流大等优点，因而用作斩波开关具有良好的特性。本次设计即采用 i g b t 元件作为斩波开关。 4 1 1l6 8 t 开关元件的特性 1 结构和工作原理 i g b t 相当于个m o s f e t 驱动的厚基区p n p 晶体管，它的简化等效电路如图4 - 1 所 示，图中r 。为p n p 晶体管基区内的调节电阻。从等效电路可以看出，i g b t 是用晶体 2 0 华北电力大学硕士学位论文 g 。j e c 图4 1i g b t 的简化等效电路图4 2i g b t 电路图形符号 管和m o s f e t 组成的复合器件。i g b t 的电路图形符号如图4 - 2 所示。i g b t 是一种场控 器件，它的开通和关断由栅极和发射极电压决定，当栅射电压为正且大于开 启电压时，m o s f e t 内形成沟道并为p n p 晶体管提供基极电流进而使i g b t 导通。此时， 从p + 区注入到n 一的空穴对n 一区进行导电调制，减小n 一区的电阻，使高耐压的i g b t 也具有低的通态压降。当栅射极间不加信号或加反相电压时，l l i i o s f e t 内沟道消失， p n p 晶体管的基极电流被切电阻断，i g b t b i j 关断。因此，i g b t 的驱动原理与m o s f e t 基本相同。 2 擎住效应 为简明起见，曾用图4 一l 的简化等效 电路说明i g b t 的工作原理，但是，i g b t 的 更复杂现象则需用图4 - 3 来说明。图中示 出，i g b t 内还有一个寄生的n p n 晶体管， 它与作为主开关器件的p n p 晶体管一起组 成一个寄生晶体管。在n p n 晶体管的基极 与发射极间存在着体区短路电阻r ，在该 电阻上，p 形体区内的横向空穴电流会产 生一定压降。对 结来说，相当于施加 个正偏置电压在额定的集电极电流范围 内，这个正偏压很小，不足以使 结导通， n p n 晶体管不起作用。如果集电极电流大到 c 图4 3 具有寄生晶闸管的i g b t 等效电路 定的程度，这个正偏压将上升至使p n p 晶体管导通，进而使n p n 和p n p 晶体管都处 华北电力大学硕士学位论文 于饱和状态，造成寄生晶体管导通，i g b t 栅极失去控制作用，这就是所谓擎住效应， 也称自锁效应。i g b t 一旦发生擎住效应，器件失控，集电极电流增大，造成过高的 功耗，将导致器件损坏。由此可知，集电极电流有一个临界值切，大于此值后i g b t 即会产生擎住效应。集电极通态电流的连续值超过i 临界值i c m 时产生的擎住效应称 为静态擎住效应。值得指出的是，i g b t 在关断的动态过程中会产生所谓关断擎住或 称动态擎住效应，这种现象在负载为