（电力电子与电力传动专业论文）新型串级调速系统的研究与应用.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t a p p l i c a t i o nq u a n t i t y o ff a na n dw a t e rp u m pi sn u m e r o u s ，i t s e l e c t r i c i t y c o n s u m p t i o ni sh u g e ，a n di th a st h es e r i o u st h r o t t l el o s s i nd i f f e r e n ts e c t i o n so ft h e n a t i o n a le c o n o m y t h e r e f o r e ，p o w e rs a v i n ge f f e c to fs p e e da d j u s t i n go p e r m i o no ff a n a n dw a t e rp u m pi s v e r yo b v i o u s ；t h ea v e r a g e e n e r g ys a v i n ge l e c t r i cq u a n t i t yi s a p p r o x i m a t e l y3 0 a cs p e e dr e g u l a t i o na p p l i c a t i o ni sm o s t l y 行e q u e n c yc o n t r o la t p r e s e n t ，b u th i g h - v o l t a g ef r e q u e n c yc o n v e r t i n gs y s t e mi sl i m i t e di na c t u a lu s eb e c a u s e o ft e c h n o l o g ya n dh a r m o n i cp o l l u t i o n c a s c a d es p e e dc o n t r o li sak i n do fr e a s o n a b l e s c h e m ea sf a na n dw a t e rp u m pe t c b a s i cp r i n c i p l eo ft h ed o m e s t i ca n df o r e i g nt r a d i t i o n a lc a s c a d es p e e dc o n t r o la n d i t s a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sh a v e b e e na n a l y z e di nt h ea r t i c l e ，a l t h o u g ht h e e f f i c i e n c yh a sb e e ne n h a n c e d ，p o w e rf a c t o ri sl o wa n dt h ev o l u m ei sh u g e b a s e do n t h i s ，i n n e r - f e e d i n gm o t o rh a sb e e nu s e di nt h ea r t i c l e s e n s e l e s ss l i pp o w e r sc y c l eh a s b e e np r e v e n t e de f f e c t i v e l yi ni n d u c t i o nm o t o r , r e c t i f i e r ，i n v e r t e rt r a n s f o r m e ra n dp o w e r n e t w o r k p o w e rf a c t o rh a sb e e ne n h a n c e d , n o to n l yd e v i c ev o l u m ea n d p r o d u c t i o nc o s t h a sb e e nr e d u c e d ，b u ta l s os y s t e mp o w e rf a c t o rh a sb e e ne n h a n c e d i nm a i nc i r c u i t sd e s i g n i n g ，t r a d i t i o n a lt h y r i s t o ra c t i v ei n v e r t e rh a sb e e nr e p l a c e d o fp w mr e c t i f i c a t i o nt e c h n o l o g y w i t ht h eh e l po fi n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e rt h e o r y , t h ep r i n c i p l et h a tp w mr e c t i f i c a t i o nt e c h n o l o g yc a ne n h a n c ec a s c a d es p e e dc o n t r o l s y s t e mp o w e rf a c t o rh a sb e e na n a l y z e d t h et e c h n o l o g yh a se n h a n c e ds y s t e mp o w e r f a c t o ra n dr e d u c e dl i n es i d eh a r m o n i cc o n t e n t p a r a m e t e r so fm a i np o w e rd e v i c e s w h i c hi n c l u d ed i o d e ，i g b t , c a p a c i t o r , i n d u c t a n c ea n db u f f e rs n u b b e rc i r c u i th a v eb e e n c a l c u l a t e di nm a i nc i r c u i ti nt h ea r t i c l e d s pc o n t r o lp a n e lh a sb e e nu s e dt oc a r r yo u td i g i t a ld o u b l ec l o s e dl o o pc o n t r o li n c h o p p e ro fi n t e r n a lf e e d b a c kc h o p p e rc a s c a d es p e e dc o n t r o ls y s t e m ，n a m e l yc u r r e n t a n ds p e e dd o u b l ec l o s e dl o o pc o n t r o l ；c u r r e n tr e g u l a t o r , s p e e dr e g u l a t o ra n dr e l a t e d h a r d w a r er e a l i z a t i o nc i r c u i th a v eb e e nd e s i g n e d p l ch a sb e e nu s e di np r o c e s s c o n t r 0 1 t h es y s t e mh a sb e e nd e b u g g e da n dt h em a s s i v ee x p e r i m e n t sh a v eb e e nd o n ei n t h el a b o r a t o r y , a n da d j u s t a b l e s p e e df u n c t i o nh a sb e e nr e a l i z e d d e v e l o p e di n t e r n a l f e e d b a c kc h o p p e rc a s c a d es p e e dc o n t r o ls y s t e mh a sb e e nu s e di np r a c t i c a li n d u s t r i a l 1 1 a b s t r a c t f i e l d ，t h ew h o l es e r i e s w o u n dt i m i n gs y s t e mc a l lo p e r a t es u c c e s s f u l l y b u tt h e r ea l e s o m eq u e s t i o n si ns p e e dc o m r o l ，t h r o u g ht h ea n a l y s i s ，t h ec o r r e s p o n d i n gs o l u t i o nh a s b e e np r o p o s e d f i g u r e 【5 9 】t a b l e 【3 】r e f e r e n c e 【3 6 】 k e y w o r d s ：c a s c a d es p e e dc o n t r o l ，i n t e m a lf e e d b a c km o t o r , i g b tc h o p p e r , d o u b l e c l o s e dl o o pc o n t r o l ，d s p c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t p 2 7 2 - 1 1 1 - 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 为获得塞邀理王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：鱼啦垦 日期：竺坚年j 月j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞邀堡王太堂有保留、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立 邀堡王太堂。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。本人授权安徽理工大学可 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：氧胁签字日期：砷年月日 导师签名：谈l 秒沙 签字嗍沦7 月日 | 1 绪论 1 绪论 1 1 交流调速相关技术的发展现状 1 9 世纪中期，先后产生了直流电气传动和交流电气传动，直流电动机具有诸 多优点，如起制动性能良好，可以实现广范围内平滑调速等。直流调速技术在理 论上和实践上较成熟，而交流调速技术却始终无法与直流调速相比【l j 。因此，在 2 0 世纪的大部分年代里，直流传动所具有优越的调速性能，使得高性能调速传动 都使用直流电动机，而不变速传动则多采用交流电机，交流电动机所具有的结构 简单、成本低廉、工作可靠、维护方便及效率高的优点无法得到应用。直到2 0 世纪7 0 年代初，人们开始投入大量的人力和财力去研究高效节能的交流调速系 统，这种格局才被打破，交流调速系统的应用比重逐年上升【l 翊。 与此同时，在过去大量应用的所谓不变速传动系统中，有相当一部分是风机、 水泵等传动系统，这类负载约占工业电力传动总量的一半，也是本论文所要研究 的调速对象。在传统中，这类负载用电量的3 0 - 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。如果采用电机调速来改变流量，则消耗在挡板阀门上的 功率就可以节省下来，每台约可节能2 0 以上【3 】。对于我国是一个电力资源相对 缺乏的国家来说，作用是相当可观的。 众所周知，在风机和泵类负载的节能措施中调节运行是最有效的。在低电压 小容量电机系统的节能中变频调速装置得到了广泛的应用和认可，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。而且国内风机、泵类负 载的高压变频器还没有普及，国外高压变频器价格十分昂贵。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，合理的方案是采用串级 调速技术。 1 1 1 我国串级调速系统的发展状况 上世纪6 0 年代末期我国的一些单位开始进行晶闸管的试验，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 局批准了半导体串级调速装置的国标( g b l1 2 6 6 9 9 0 ) ，规范了这类装置的设计、 试验要求。 安徽理：r 大学硕十学位论文 串级调速系统在我国应用主要有以下几种类型【1 3 】： ( 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 ( 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。 ( 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调系统。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 。高速线材轧机的串调设备( 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) ( 3 ) 恒转矩位能负载启动调速型 矿井竖井提升机、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，还要求启动、制动、加速、减速平稳，一般还带有动力制动功能。要利 用晶闸管串调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 汶矿务局南冶矿井，汶南矿井提供的主斜井钢绳牵引带式输送机串调设备较好地 解决了这些问题。单台电动机容量达到6 3 k w ，分别于1 9 8 3 年、1 9 8 9 年投入运 行至今。 8 0 年代后期，国内最先是由屈维谦提出内馈串级调速方案的。但内馈串级调 速系统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 通过论证实验才得以实现的。9 0 年代中期以后，保定北方调速有限公司又推出斩 波式内馈串调。随着电力电子技术和控制策略的发展，新的拓扑结构和控制策略 被不断提出。到目前为止有上海科棋、哈尔滨九州、保定北方调速等多家生产高 压大功率内馈串级调速系统的公司。 1 1 2 国外串级调速系统的发展状况 2 0 世纪6 0 年代以来，由于高压大电流晶闸管的出现，串级调速系统获得了空 前的发展。6 0 年代中期，w s h e p h e r d 和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， 称为“定子反馈 方案，而把通过变压器将转差功率反馈到电网称为“电网反馈” 1 绪论 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，就是我们所说的“内馈串 调。其后在1 9 6 6 、1 9 6 9 年还有论文介绍这种“定子反馈”串级调速 目前，国外进口到我国的高压调速产品主要是高压变频器产品，而这一产品 也只是在上个世纪9 0 年代后期随着电力电子技术的发展才产生的。目前尚未见到 国外串级调速产品在我国销售，但有很多外国资本在国内某些串级调速生产厂家 投资 1 2 串级调速的控制策略 本文研究的系统是在传统的串级调速系统的基础上做了很大的改进，包括选 用绕线式内反馈电机、采用双闭环数字控制、采用p w m 整流技术等。 1 2 1 异步电动机的选择 对于绕线式三相异步电动机调速的原理是从其转子绕组处取出能量的多少以 改变电动机转差率来实现调速的。传统的调速方式是将取出的能量部分经过变换 后通过逆变变压器、高压开关柜回馈高压电网。其优点是：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，节省投资。这种系统的缺点就 是系统结构复杂庞大，而且更重要的是，转差功率在电机定子绕组，转子绕组、 整流装置、逆变变压器和电网间进行循环，而转差功率在上述的循环中，必然产 生一定的损耗，造成系统效率降低，电机温升较高。 内反馈调速电机将转差功率通过整流逆变装置后送至电机反馈绕组。这种电 机调速不仅具有传统串级调速的全部优点，而且没有逆变变压器和向电网反馈所 需的高压操作柜，使得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。由于能量反馈给电机本身再利用，而不 是通过逆变变压器反馈给电网能量循环途径，所以没有变压器损耗，调速效率相 对提高了。 基于上述理由，本文采用了内反馈绕线式异步电动机作为调速对象。选用的 电机参数为：定子额定电压电流为6 k v 9 2 a ：转子电压电流：8 3 4 v 6 15 a ；反馈 绕组电压电流：4 9 6 v 1 7 3 a ；额定转速：1 4 8 6 r p m ；电机功率因数：0 8 9 。 安徽理丁大学硕十学位论文 1 2 2 双闭环控制方式的采用 由于串级调速系统机械特性的静差率较大，所以开环控制系统只能用于对调 速精度要求不高的场合。为了提高静态调速精度，并获得较好的动态特性，须采 用闭环控制，和直流调速系统一样，通常采用具有电流反馈与转速反馈的双闭环 控制方式。本文也如此采用了电流反馈与转速反馈的双闭环控制方式。 本文采用d s p 控制板对内馈斩波串级调速实现了数字式双闭环，其作用分别 是： 电流环作用是使电流紧紧跟随其给定电压变化。在转速动态过程中，保证电 动机允许的最大电流，从而加快动态过程。当电机过载或堵转时，限制电枢电流 的最大值； 速度环作用是使转速可以很快地跟随占空比变化，稳态时可以减小转速误差。 对负载变化起抗扰动作用。其限幅值决定电动机允许的最大电流。 1 2 3 逆变结构的选择 虽然采用斩波控制技术可以提高串级调速系统的功率因数，但是没有改变晶 闸管逆变桥通过电网电压换流的本质，依然有相位滞后，还是需要从电网吸收大 量的无功功率，功率因数再次想提高很难，其归纳起来有【4 】： ( 1 ) 晶闸管逆变存在一个最小逆变角，功率因数依然不高。 ( 2 ) 定子电流依然存在晶闸管逆变器产生的5 、7 次谐波及二极管整流器产生 的低频谐波。 ( 3 ) 容易发生逆变颠覆故障。 基于上述缺点，本文引进了p w m 整流控制方式代替传统的晶闸管逆变方式， 用p w m 整流方式进行逆变。p w m 整流的控制思路是：保证直流侧输出电压为恒 定值的情况下，使交流侧输入电流尽可能为与输入电压同相位的j 下弦波，从而达 到提高功率因数和消除谐波的目的。因此p w m 技术从电力电子装置本身入手， 通过调整功率因数来消除谐波，与传统的相控整流和不控整流相比，能够有效的 减少谐波污染和能量损耗。 按照不同的p w m 整流器拓扑结构在串级调速中的不同，分为三种类型： 1 电压型p w m 整流技术在串调中的应用 电路拓扑结构如图1 所示，电压型p w m 整流采用电力电子器件i g b t 构成 的逆变器，将转子回馈的能量返回电机反馈绕组。利用p w m 整流技术，可以分 1 绪论 别对有功功率和无功功率进行独立控制，不仅可以使整流器逆变侧电流正弦化， 减小谐波分量，还可以提供容性补偿，提高系统总的功率因数。 图l 电压型p 删整流结构的串级调速主电路 f i g lm a i nc i r c u i to f c a s c a d es p e e dc o n t r o lo f v o l t a g es o u r c ep w mr e c t i f y i n gc o n t a c t 2 电流型p w m 整流技术在串调中的应用 图2 为基于电流型p w m 整流技术的串级调速主电路示意图。长期以来，电 压型p w m 整流器以其结构简单、较低的损耗、方便的控制等一系列优点，一直 成为p w m 整流器研究的重点。而电流型p w m 整流器需要较大的直流储能电感， 以及结构和控制相对复杂化，从而制约了电流型整流器的研究与应用。随着超导 储能技术的应用与发展，电流型p w m 整流器也取得了应用。 和图l 不同的是后端的p w m 整流器由电压型换成了电流型，反馈部分增加 了一个自耦变压器，用来提供合适的电压来进行调速。这种拓扑结构同样可以达 到基于电压型p w m 整流技术的串级调速的性能，只不过逆变器容量比较大，它 需要按照最大电压和电流的乘积来选取逆变器容量。 图2 电流型p w m 整流结构的串级调速主电路 f i 9 2m a i nc i r c u i to fc a s c a d es p e e dc o n t r o lo fc u r r e n ts o u r c ep w mr e c t i f y i n gc o n t a c t 安徽理下火学硕十学位论文 3 基于双p w m 整流器在串调中的应用 基于双p w m 整流技术的串级调速主电路示意图如图3 所示。这种拓扑结构不 仅在逆变侧采用p w m 整流器结构，在转子整流侧也采用了p w m 整流器结构，因 此能量可以双向流动，不仅可以在次同步转速下运行，还可以运行在超同步状态， 可以实现四象限运行，即双馈调速。这种主电路拓扑结构的另外一个优点是在同 样的额定功率和调速范围之下，其附加的串级调速装置容量可比单纯采用次同步 串级调速时的装置容量小。另外，基于双p w m 整流技术的串级调速主电路拓扑结 构可以用于风力发电系统，因此这种主电路拓扑在风力发电系统中将有很大的发 展前景。 图3 双p w m 整流结构的串级调速主电路 f i 9 3m a i n c i r c u i to f c a s c a d es p e e dc o n t r o lo fd o u b l ep w m r e c t i f y i n gc o n t a c t 基于串级调速容量大，节约成本考虑，本文采用了电压型p w m 整流器作为串 级调速的逆变结构。 1 3 本课题的主要工作 在客观上分析了国内外相关调速技术的基础上，并结合中国国情，认为高压 大功率风机、泵类负载适合采用的调速方式是串级调速方式。基于此，本文对串 级调速技术进行了深入研究，对如何提高串级调速功率因数进行了深入探讨，采 用内反馈电机双闭环斩波串调方案。 针对普通串级调速系统的缺陷，本文设计了带有斩波器的内反馈串级调速系 统，主要有： 1 采用了内反馈电机，内反馈电机定子有2 组绕组( 主绕组和反馈绕组) 。主 1 绪论 绕组接外电网，调节绕组主要作用是吸收转子的转差功率，然后通过电磁感应的 方式，将这部分功率传输给主绕组。与普通异步电机相比，不仅可以节省逆变变 压器的成本以及其所占的体积，还避免了转差功率在异步电机、整流器、逆变变 压器和电网间无谓的循环，提高了功率因数。 2 本文采用了t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 芯片作为内反馈串级调速系统斩波器实 现数字双闭环控制的核心，采用了可编程逻辑器件作为串调工艺控制处理器。控 制方式采用了电流和速度双闭环控制，文中设计了电流调节器和速度调节器，并 设计了相关的硬件实现电路。 3 采用了p w m 整流结构代替传统的晶闸管整流方式。传统的晶闸管逆变桥 没有改变通过电网电压换流的本质，很难提高功率因数。选用了电压型p w m 整 流拓扑结构，依据瞬时无功功率理论，分析了基于p w m 整流技术的串级调速系 统提高功率因数的原理，并进行了m a t l a b 仿真验证。 4 本文设计了串调主电路，同时对系统的主要功率元器件进行了参数计算以 及设计方法，主要包括二极管、i g b t 、电容、电感、缓冲吸收电路参数等。 5 本文设计了斩波d s p 与p l c 之间通信程序。由于本系统中有斩波d s p 处 理器与p l c 工艺处理器，两个c p u 之间就涉及到通信问题。结合本课题特点， 本文设计了两者的通信程序。 6 对内反馈斩波串级调速现场调速并对调试及运行过程中发现的一些问题 进行了分析，并提出了相应的解决方案。 安徽理1 ：人学硕十学位论文 2 内反馈异步电机串级调速系统 2 1 异步电机串级调速系统的原理 异步电动机串级调速系统就是在绕线式异步电动机的转子回路中串入一个与 转子回路相同的交流附加电势勘如图4 所示。 图4 串级调速原理图 f i 9 4c a s c a d es p e e dc o n t r o ls c h e m a t i cd i a g r a m 通过改变这个附加电势来实现调速。当电机低速运行时，转子中的转差功率 只有小部分在转子绕组上消耗了，而转差功率的大部分被串入的附加电势吸收。 把所吸收的部分回馈电机就能使电机在低速运行时具有较高的效率。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，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 至超过同步转速。我们把前一种调速称为亚同步调速，后一种调速称为超同步调 速【5 1 。 在电机转子回路中引入可控的交流附加电动势，虽然可以改变电机的转速， 但由于电机的转子电动势的频率是转速的函数，所以附加电动势的频率也必须能 随转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、可变幅电压的调速方法。在工程上实现这种可控电源非常困难。所以工程上 最常用的一种方法是，利用直流回路来处理。直流回路不存在频率和相位的问题。 所以在工程常常先将转子电动势整流成直流电压，然后引入一个直流附加电动势， 8 一 2 内反馈异步电机串级调速系统 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。所以，串级调速 常用的方案就是用整流二极管把转子转差功率为直流功率输出，然后把该直流功 率进行斩波变换升压，后由可控硅构成的逆变器把直流功率又变成交流功率回收。 2 2 内反馈串级调速电动机 2 2 1 内反馈电机结构 内馈反馈串级电动机是近年来出现的一种新型的绕线式电动机。在传统串级 调速中，绕线电机转子附加电势是通过逆变变压器和逆变装置来提供的。同时， 逆变变压器将转子的转差功率逆变回电网。这种系统很明显的缺点就是结构复杂 庞大，而且，系统存在转差功率在电机定子绕组、转子绕组、整流逆变装置、逆 变变压器的无谓循环现象，而转差功率在上述的无谓循环传输过程中，必然产生 一定的损耗，造成系统效率降低，电机温升较高。而内反馈串级调速电机则克服 了上述缺点。 内馈电机是利用电机绕组多重化技术，在异步电机定子绕组中增设一套辅助 电源绕组，称之为调节绕组，原来的定子绕组称为主绕组1 6 1 。由调节绕组向逆变器 提供电源，并接受由转子返回来的能量。在串级调速系统中需要给绕线异步电机 转子提供附加电势，由于普通异步电机是按恒速设计运行设计的，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。如果采用普通异步电机，附加 电动势需要由外附的电源设备产生。而内反馈电机是在定子铁心上，增设一套调 节绕组，用来提供电源。 2 2 2 内反馈电机磁平衡方程 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 4 f ln 3 k j 3 ， ( 2 一1 ) 式中：五电源频率 厂调节绕组的串联匝数 幻吩一电机主磁通 这是一个恒频恒压源【7 】 对于异步电机，由于随着转差率的变化，电机转子频率也将改变。为了使电 机获得调速，必须使历反映给转子绕组的附加电势与转子电势保持同频率，并且 安徽理i ：人学硕七学位论文 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，吸收转子的转差功率，然后通过电磁感应的方式， 将这部分功率传输给定子绕组。这种转差功率通过整流逆变装置反馈给电机内部 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。 内馈电机转子结构和绕线电机转子一样，由于定子上有两套绕组，虽然磁势 平衡方程式与普通绕线电机有所不同，但仍然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【8 】： e + 丘+ f 3 = 吒 ( 2 - 2 ) 瓦定子主绕组磁势 瓦转子磁势 只调节绕组磁势 l 激磁磁势 故有： m l k 1 n l 五+ m 2 k n 2 n 2 丘+ m 3 k 3 i 3 = m l k 1 n l l ( 2 3 ) 毗 五+ 精- im 3 k n 3 n 3j3m knmkn = l ( 2 4 ) j lj v ll z 1 ll 用 、7 ，i + 厶+ 1 3 = ，肘 ( 2 5 ) 式中五折算到定子主绕组的转子电流 五折算到定子主绕组的调节绕组电流 2 2 3 内反馈电机功率平衡方程 内反馈电机主绕组从电网的吸收功率尸，等于调节绕组和转子绕组上各种损耗 功率之和。即： 墨= 最+ 忍+ p i ( 2 6 ) 1 0 2 内反馈异步电机串级调速系统 p 广转子绕组的电磁功率 p 厂调节绕组的电磁功率 罗用铁耗、铜耗以及其它损耗功率之和 按照电动机惯例及电磁功率的能量流动方向，吸收为正，释放为负。显然， 转子电磁功率、损耗功率为吸收功率，应取正，而调节绕组的电磁功率为释放电 能。 所以，式( 2 6 ) 改写为： 只= 昱一只+ p i ( 2 7 ) 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等于转子的转差 功率 即：p s = p s 且p s = s p 2 只= 罡一只+ p f = ( 1 - s ) p 2 + n = + p i ( 2 8 ) 式( 2 8 ) 中p 厂机械输出功率 式( 2 8 ) 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变化需要，而不增大损耗，显然 是最合理的功率平衡。 2 3 内反馈斩波串级调速系统的数学建模 内反馈斩波串级调速是通过改变b o o s t 斩波器的占空比来调节电机转速的。因 此，很有必要对斩波器进行数学建模，方便双闭环控制器的设计。对斩波器的建 模有多种方法，包括开关函数分析法、平均模型法、状态空间平均模型法等。根 据本文串级调速特点，采用状态空间平均模型分析法对b o o s t 斩波器进行数学建 模。 根据b o o s t 斩波器在本论文论述的串级调速的特点，斩波式串级调速主回路的 等效电路图如图5 所剥9 1 。 安徽理t 人学硕士学位论文 图5 斩波式串级调速主回路的等效电路 f i 9 5e q u i v a l e n tc i r c u i to fm a i nc i r c u i to fc h o p p e rc a s c a d es p e e dc o n t r o l 开关s 有两种状态。可以用两个线性非时变电路来表示。分为当斩波i g b t 导通时和当斩波i g b t 截止时的两种状态。 1 斩波i g b t 导通时 i g b t 导通时，其等效电路如图6 所示。 f j s 一 图6 斩波i g b t 导通时等效电路图 f i 9 6c h o p p e ri g b tg u i d ec i r c u i te q u i v a l e n tc i r c u i td i a g r a m 可以得到其状态方程式： u d i i r - + 厶鲁 刮z 三：等+ u 式中：尺j 、工厂一转子整流回路等效电阻及电感； i l 转子整流电流； 彤、三厂有源逆变回路等效电阻及电感； f 广逆变电流； 访一转子整流电压； ( b 一电容电压； ( ，广有源逆变电压。 1 2 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 一 2i 4 反馈异步电机串级调速系统 二二= - 一 2 斩波i g b t 截止时 斩波i g b t 截止时，可以画出等效电路图如图7 所示。 圈7 研厦l g b t 夭酚时等效电路图 f i 9 7c h o p p e ri g b tt u r n - o f f e q u i v a l e n tc i r c u i td i a g r a m 可以得到此时的状态方程式为： 训- 鲁+ ( 2 - 1 1 ) u ri 2 r 2 + l 2 d m i - - - l + u 1 ( 2 - 1 2 ) 将( 2 9 ) d + ( 2 1 1 ) ( 1 一d ) 可得状态空间平均式 鲁一鲁+ 警半 仁 对状态空间平均式进行摄动 学一等 讲学一坠学p 式( 2 1 4 ) 中有上标的表示其对应的扰动量。但由于u o 、u c 比较稳定，可以认 为其扰动量为0 。式( 2 1 4 ) 减去式( 2 - 1 3 ) 可得其动态行为的状态方程式如式( 2 1 5 ) ： 堕：一争盂+丁ducd(2_15)t 厶1厶 卜， 由此可得占空比同转子直流斩波电流的传递函数如下 g = 螋l _ l s + 1 = 鲁 l i ，a l 玛 式( 2 1 6 ) q h 乃；厂一转子直流回路的时间常数，7 0 ：三艘，； 配广转子直流回路的放大系数，k l ：，。,uor 安徽理工大学硕十学位论文 2 4 串级调速功率因数 衡量串级调速最重要的指标之一就是节能效果，就传统的串调系统角度对总 功率因数角度对串调系统进行分析，并提出了改善串调功率因数提出了方案。 2 4 1 串调系统的总功率因数分析 功率因数即为有用功和视在功率的比值，即功率因数为正弦电压( 电流) 的相位 差的余弦。低同步可控硅串级调速装置的结构就决定了它本身的功率因数低，这 是它的主要缺点之一，高速运行时总功率因数为0 伽6 5 ；低速时总功率因数更低。 下面就传统的串级调速装置功率因数做出分析。 在串调系统中，由电网吸收的电压为下弦波，而由电网吸收的输入电流却具 有非正弦的波形。主要是由于转子回路接有整流器和有源逆变器。它们分别使转 子电流和变压器二侧的电流的波形发生了畸变的结果，这样只能用傅立叶级数的 分析方法，将电流分为基波和谐波，取其基波分量，我们画出了电流的矢量图， 如图8 所示。 o 6 图8 电流矢量图 f i 9 8c u r r e n tv e c t o rd i a g r a m 假设负载为恒转矩，所以转速变化时，可以认为电动机的定子电流乃基本不 变，其相位滞后定子电压u 一个角，( 电动机的功率因数角) 。从电网输入的总电 流，等于定子电流 和逆变变压器的电流矗的向量和。 在调速时，改变角的大小，即可改变了厅的相位，其端点轨迹在弧口6 上。 由于厅相位的改变，改变了总电流，的相位，u 向量端点轨迹在弧耐上) ，从而改 变了串级调速装置的功率因数。各电流间的相位关系如图8 所示。从图中可以看 出，即使胪= 9 0 0 ，逆变电压为o 时，串级调速的功率因数也低于电动机的功率因数， 1 4 2 内反馈异步电机串级调速系统 而且转速越低，c o s q 籍越低，即功率因数也就越低。 2 4 2 改善串级调速功率因数的措施 由于内反馈串级调速系统的总功率因数比较低，因此在系统容量较大时，应 设法提高电网的功率因数。改善串调装置功率因数的方法归纳为两类，一类是利 用电力电容器来改善功率因数；一类是改变串级调速系统的结构，如采用p w m 整 流结构等1 1 2 1 4 1 。 ( 1 ) 加电力电容器 利用电容器改善功率因数方便易行的，所以其应用较广。这种方法的原理是： 利用电容器产生相位超前的电流，以补偿串级调速装置中电流相位过大的滞后。 下面以接进电网处为例来说明如何其作用。如图9 所示，串级调速总电流为l ， 它滞后于定子电压“的相位较大，所以功率因数较低；若电容器产生的超前电流 为七，则总电流将变为名。显然，滞后于定子电压u 的相角变小了，功率因 数也就因此而提高。 ab 图9 电容器提高功率因数的原理图 f i 9 9s c h e m a t i cd i a g r a mo fc a p a c i t o ri m p r o v i n gp o w e rf a c t o r 由图9 可知，因为藏 c o s q ，r ，于是功率因数得到了改善， 将功率因数由c o s q ，k 提高n e o s # 髟。 ( 2 ) 改变串级调速系统的结构 例如以采用p w m 整流结构为例，将p w m 整流器应用到内反馈串级调速系统 中，代替晶闸管逆变器。如图l o 所示 安徽理 ：人学硕七学 ) = 论文 图1 0p w m 整流式串级调透系统原理图 f i g los c h e m a t i cd i a g r a mo fp w mr e c t i f i e rt y p ec a s c a d es p e e dc o n t r o ls y s t e m p w m 整流器是一种交、直流侧可控的四象限运行的变流装置。当以电网电动 势矢量为参考时，通过控制交流电压矢量v 即可实现p w m 整流器的四象限运行。 若假设l ，l 不变，因此i 巧i _ c o i l 也固定不变，在这种情况下，p w m 整流器交流电 压矢量v 端点运动轨迹构成了一个以i 圪l 为半径的圆。当电压矢量v 端点位于圆轨 迹a 点时，电流矢量，比电动势矢量腊后9 0 0 ，此时p w m 整流器网侧呈纯电感特 性，如图1 1 所示；当电压矢量y 端点运动至圆轨迹b 点时，电流矢量屿电动势矢 量e 平行且同向，此时p w m 整流器网侧呈现正电阻特性，如图1 2 所示；当电压矢 量v 端点运动至圆轨迹c 点时，电流矢量，比电动势矢量胞前9 0 0 ，此时p w m 整流 器网侧呈现电容特性，如图1 3 所示；当电压矢量v 端点运动至圆轨迹d 点时，电 流矢量，与电动势矢量e 平行且反向，此时p w m 整流器网侧呈现负阻特性，如图 1 4 所示。 j dd 图1 1 纯电感特性运行 f i g l1p u r ei n d u c t a n c ec h a r a c t e r i s t i c sr u n n i n g c 图1 2 正阻特性运行 f i 9 12p o s i t i v er e s i s t a n c ec h a r a c t e r i s t i c sr u n n i n g 1 6 2 内反馈异步电机串级调速系统 o c o i d c b8 图1 3 纯电容特性运行图1 4 负阻特性运行 f i g l 3p u r ec a p a c i t o rc h a r a c t e r i s t i c sr u n n i n gf i g l 4n e g a t i v er e s i s t a n c ec h a r a c t e r i s t i c sr u n n i n g 因此，在保证直流侧输出电压为恒定的情况下，就可以使交流侧输入电流和 交流侧电压呈负阻特性或容性，即使q r = o 或q r = 一q 1 ，从而提高系统的功率因数。 安徽理j r 人学硕+ 学位论文 3 内反馈斩波串级调速的数字控制系统的设计 本章在对内反馈串级调速系统的功能需求分析的基础上，详细说明了双闭环 控制器的设计过程、p w m 整流器控制系统的设计过程以及p l c 与斩波d s p 之间 的串行通信的实现过程，设计了控制方式和系统的启动方式。 3 1 微控制芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 3 1 1 微处理器d s p 概述 d s p 是数字信号处理( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 的缩写。1 9 7 8 年世界第一块d s p 芯片$ 2 8 11 在美国微系统( m i c r o s y s t e m ) 公司的a m i 子公司诞生。自d s p 芯片产生 以来，其