《高功率因数串级调速系统设计【论文】》

高功率因数串级调速系统设计目录TOC\o"1-3"\h\u14423第一章前言 588191.1研究的背景及意义 5122131.1.1研究的背景 5260151.1.2研究的意义 5106251.2国内外文献综述 6289061.2.1国外研究综述 6219371.2.2国内研究综述 7229831.3研究的内容 819446第二章串级调速系统设计研究 9309762.1系统组成与工作原理 9108292.2主电路设计 11254942.3控制电路设计 12114852.4元器件选型及参数计算 1570602.5软件设计 18127992.6系统应用与调试说明 2616510第三章结论 3229549参考文献 331100致谢 34第一章前言1.1研究的背景及意义1.1.1研究的背景交流异步电动机调速研究始于20世纪60年代，取得了许多可喜的成果。近年来，电力电子技术、大规模集成电路和计算机技术的飞速发展，为交流调速技术的发展创造了有利条件，使交流电动机的调速控制水平提高到了一个新的水平。在国内外，交流电动机调速技术的发展和研究受到了广泛的重视。首先，由于交流调速的发展受到其材料基础——静止变流器和相应的电子逆变器技术的限制，交流调速装置还没有得到推广应用，有的甚至没有走出实验室。自20世纪60年代以来，随着电力电子技术和电子技术的发展，交流调速的发展出现了飞跃。特别是70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，为交流调速的发展创造了有利条件。目前，在发达国家，许多直流调速已被交流调速取代，从而避免了直流电机换向困难、维护不便等缺点。世界上约60%的发电量由电动机消耗。据统计，我国各类电动机装机容量已超过4亿千瓦，其中异步电动机约占90台，驱动风机、水泵、压缩机等机械的电动机约占1.3亿千瓦。目前约有50%的4亿千瓦电机负荷是可变的，其中30%可由交流电机调节。因此，交流电动机调速节能技术受到广泛关注。1.1.2研究的意义在各种工业领域，它已经准备好用可调速交流驱动器取代直流驱动器。特别需要指出的是，交流调速驱动系统在能源中起着非常重要的作用。在当今世界能源短缺、能源成本高的情况下，交流调速技术作为一种重要的节能手段受到了广泛的关注。交流驱动负荷占各国总用电量的很大比例（发达国家占总用电量的60%以上）。为实现此类负荷的节能，可实现可观的节能效益。交流传动本身具有很大的节能能力，可以挖掘出来。交流调速技术具有优良的调速性能，但也能带来节能、降低维护成本和节省空间的优点。特别是在大容量或恶劣环境下工作时，交流调速比直流电动机调速更具优势。因此，交流调速技术的应用具有广阔的前景。在我国电力、石化、矿山、冶金、给排水等领域，风机、泵等负荷是应用最广泛、能耗最高的生产机械。据统计，风机、泵用电占工业用电总量的40%以上，调节阀、电网电压降用电占风机、泵用电总量的30-40%。使用中存在着运行效率低的缺点，造成了电能的巨大浪费，与经济运行标准存在较大差距。因此，这种负载的节能潜力相当大。风机、水泵负荷节能措施主要有变频调速和串级调速两种。在低压小容量电机调速系统中，变频调速装置得到了广泛的应用和认可。在高压大容量系统中，变频调速成本很高，体积大，存在许多问题。另外，由于国内适用于风机、泵等负载的高压变频器还没有成熟定型的产品，国外高压变频器的价格非常昂贵，其推广应用非常普遍。大功率风电机组和水泵的节能调速由于其局限性较大，尚未得到推广。对于风机和泵的调速，合理的方案应是绕线电机的串级调速。电动机的定子绕组直接与中压电网和变压器相连，无网侧。转子绕组电压较低，易于与电力电子器件匹配。在串级调速中，转子回路的功率为转差功率。风机和泵需要约30%的小速度范围，因此电力电子设备的功率仅为电机功率的30%或15%。但常用的串级调速系统有绕线电机、不可控整流器、有源逆变器和逆变变压器。换流变压器与电网相连，导致绕组电机、不可控整流器、有源换流器、换流变压器和电网出现不必要的滑差功率循环。此外，有源逆变器通常由滞后相位控制触发，通过改变反向角来实现电机转速的变化。因此，低功率因数和高次谐波电流是串级调速的主要缺点。此外，系统设备复杂、成本高，在不同程度上制约了这种负载节能调速的推广应用。因此，如何控制串级调速系统的成本，提高其功率因数具有十分重要的意义。1.2国内外文献综述1.2.1国外研究综述目前工业生产中有大量的风机和泵负荷。它们对控制系统的调速范围和动态性能要求较低，但系统必须安全可靠、容量大。根据现有的调速方法，该串级调速系统很适合满足这种负载的要求。串级调速系统利用电机转子回路中的附加电位实现调速。因此，虽然电动机是高压电动机，但控制装置是低压的，可以大大节省投资。理论分析表明，级联调速系统可以用更简单，更准确的速度-转矩特性理论公式来描述。以前没有这么简单准确的公式。通过用强制转换器代替自然转换器，可以提高级联调速系统的低功率因数。通过实践验证了提高功率因数的理论和设计方案。在大多数情况下，新的级联速度控制系统具有高功率因数，大约0.9，负载范围在50％和100％之间。因此，它可以在许多场合使用以节省电力。它可以每年节省110,000度电力（从提高功率因数和减少传输损耗）。与滑动电机相比，每年可节电440,000度。电压和电流波形仍存在波动。过载能力与强制换向能力有关，因此适用于相对稳定的负载。JawadFaiz（2001）利用dq-abc混合模型对串级调速系统谐波进行分析，并指出引起传统串级调速功率因数低的主要原因是逆变器会消耗大量无功功率。[1]SeshagiriR.Doradla和Sudarshan（2001）认为整流引起的转子电流畸变，该畸变电流产生的旋转磁场在定子回路中产生感应电流，该电流发生畸变而且从电网吸收无功功率。其中逆变器消耗大量无功功率是串级调速系统功率因数低的主要原因。针对这种情况，出现了几种改善串级调速系统功率因数的措施:在逆变器交流侧接入无功补偿装置，在逆变和整流电路中使用全控器件强迫换相，三相四线制方案中通过调整逆变器换流期间的导通次序使逆变器发出无功来补偿系统的无功，在整流器和逆变器之间加入升压斩波器，改变斩波器的连接方式等。[2]1.2.2国内研究综述传统的串级调速系统，晶闸管串级调速系统，它主要由三相桥式二极管整流器UR和绕组转子异步电动机M组成。其中，三个相桥式晶闸管由山源逆变器UI，逆变变压器TI，平波电抗器Ld组成。该系统的核心部分是有源逆变器UI和转子整流器Uβ。逆变器电压Uβ是引入转子电路的反电动势。当电动机稳定运行并忽略直流电路的电阻时，整流器电压UR在大小和相反方向上等于逆变器电压Uβ，即Ud=Uβ。当级联速度控制系统运行时，逆变器总是处于反转状态，可以将转子的能量反馈回电网并改变触发脉冲（反转角度β），然后可以改变逆变器电压Uβ。可以调节电机的速度。该系统的缺点是：功率因数低，无功功率损耗大，高速满载运行，总功率因数约为0.6，低速总功率因数较差;晶闸管级联调速，会产生高次谐波，影响电网质量。因此，为了提高系统的功率因数，有必要改进传统的串级调速系统，提高其效率。新型三相四线双IGBT串级调速系统和新型三相四线串级调速系统是对传统级联调速系统的改进，以提高系统的功率因数。电机转子的三相绕组通过整流器，平波电抗器，逆变器和逆变变压器连接到电网。在传统的级联速度控制系统的基础上，两个全控制部件IGBT在直流侧并联连接。连接逆变器变压器次级侧的中性点以提供无功功率的路径。马小亮，刘志强

（2002）认为交流调速用于风机、泵类负载可以节省大量能源,考虑到这类负载的特点,采用绕线式异步电机的串级调速是较为理想的调速方法.由于其定子、转子绕组都从电网中吸收无功功率,所以其功率因数很低,影响了该技术的应用.提出了一种新型的串级调速方案,其最大的优点是转子回路不再从电网吸收无功电流,相反它向电网发出无功电流,所以功率因数得以大大提高.给出了工作原理、参数选择以及实验结果.[3]刘志强，刘进永

（2001）为了克服传统串级调速系统功率因数低的缺点,提出了一种新型斩波式串级调速方案。该方案中的逆变电压与逆变电流的夹角可以在150°与180°之间变动，有效地提高了串级调速系统的功率因数。[4]巩保峰（2004）认为晶闸管串级调速系统作为一种高效、节能的调速方案,具有装置结构简单、维护容易、能实现连续平波地调速等优点,尤其是对风机、泵类等大容量平方转矩负载进行控制时,其节能效果是十分可观的.从普通串级调速原理入手,简要分析了影响串级调速系统功率因数的主要因素,提出了带斩波环节的内反馈串级调速系统.[5]孙淑凤（2000）介绍了一种串级调速系统，由普通三相全控桥逆变器加转子侧短路开关组成。用改变转子侧短路时间的控制方法，实现高功率因数运行。[6]1.3研究的内容第一章研究了因数串级调速系统的背景及意义，介绍了交流调速技术的应用具有广阔的前景。在我国电力、石化、矿山、冶金、给排水等领域，风机、泵等负荷是应用最广泛、能耗最高的生产机械。提出为什么控制串级调速系统的成本等的意义，并进行了国内外相关文献的整理和综述。第二章对于串级调速系统设计，从异步电动机串级调速系统系统组成与工作原理，到IGBT和晶闸管的控制和触发脉控制电路设计，对元器件选型及参数计算，计算普通串联调制系统限制电流纹波的电感，建立内反馈电机在坐标系下的数学模型。通过imulink模块的内部状态，计算每个连续状态的值，并用离散状态方程计算分离。最后进行系统应用与调试说明，用存储示波器记录变压器绕组中的反向电压，在相同条件下，新系统和传统斩波串级调速系统的功率因数，建立了内反馈串级调速电机模型，并将其应用于PWM变换器串级调速系统中。第三章对整个串联系统的功率因数对电网的影响进行总结。从普通串级调速原理入手，分析了串级调速系统功率因数机理，提出了PWM变流式串级调速系统。给出了系统的工作原理，分析了新型调速系统对系统功率因数的改善情况，对PWM变流器的控制方式进行设计，并对系统中各个环节的参数进行了分析计算，并考虑工程上的可行性等。高功率因数串级调速系统设计研究的背景高功率因数串级调速系统设计研究的背景研究的内容串级调速系统设计研究系统组成与工作原理主电路设计原理控制电路设计元器件选型及参数计算软件设计系统应用与调试说明国内外研究综述国内外研究综述串级调速系统设计研究2.1系统组成与工作原理异步电动机串级调速系统是将与绕线式异步电动机转子回路中的转子回路频率相同的交流附加电位连接起来，如图1所示。通过改变附加电位的振幅和相位，可以实现速度调节。图1：串级调速附加电势工作原理图假设电机驱动恒定扭矩负载，则每相的转子电流为：式中=电动机转子开路电势s=转差率=转子绕组每相电阻=转子绕组每相漏抗当转子与附加电势串联时，电机的转速会因负载转矩恒定而变化，即恒定，因此电机的转差率会发生变化。当转差率变为时，转子电流恢复到初始值，电机进入新的稳定状态。当等效反电动势引入电机时，电机转速变化过程如图2所示。增加反相附加电势增加反相附加电势转子电流减少电磁转矩减少转速下降机械转矩减少机械转矩=电磁转矩？新的稳定转速图2：串级调速原理此时，应建立以下方程当串联附加电动势为正相时，电动机转速增大，而当串联附加电动势为反相时，电动机转速减小。这是串级调速的基本思想。在转子电路中引入可控交流附加电动势可以改变电动机的转速，但由于电动机转子电动势的频率是其转速的函数，因此附加电动势的频率也必须随着转速的变化而变化，并应与频率相一致。电动机转子电动势在动态调速过程中的cy。由此可见，在转子回路中串联附加交流电动势的调速方法，相当于在转子侧增加变频变幅电压的调速方法。在工程中很难实现这种可控电源。人们经常用一些间接的方法来完成“传”。直流电路是工程中最常用的处理方法之一。由于直流不存在频率和相位问题，直流电压容易获得，转子电动势可以先整流到直流电压，然后再引入直流附加电动势，通过控制附加电动势的幅度来调节异步电动机的转速。将交流变压变频问题转化为与频率无关的直流电压问题。该方案利用二极管整流桥将转子滑差功率整流为直流功率输出，然后将直流功率转换为由晶闸管整流桥组成的相控逆变器，将直流功率转换为交流功率，再反馈给电网。在稳定状态下，交流侧有功功率为负值，其中为A相电流基波有效值，表明其反馈回电网。如果不考虑直流电路和变换器的损耗，向电网反馈的有功功率就是电动机的转差功率。当负载转矩恒定时，电机的电磁功率恒定，电磁功率等于机械功率和转差功率之和，因此，在不计电动机的机械损耗时，电动机轴输出功率可近似地表示为:可见，当改变角时，必随之改变。在负载转矩恒定时，的变化也就是电动机转速的变化。这是串级调速的基本原理。图中：D=电动机；T=变压器；UR=整流桥；UT=逆变桥；Ld=平波电抗器；=整流器输出电压；=逆变器输出电压。图3：工作原理框架2.2主电路设计图4为新型串级调速系统主电路示意图。VTR、VT、零桥臂上的两个辅助开关IGBT、RCD网络起着限制IGBT两端峰值电压的作用。图4：主电路原理图2.3控制电路设计IGBT和晶闸管的控制和触发脉冲如图5所示。从图中可以看出IGBT和晶闸管的控制顺序。图中还给出了相应的逆变电压波形。IGBT的控制脉冲从自然换相点开始，VT7和VT8管交替开启。控制脉冲宽度为，其变化范围为0°~120°。晶闸管（1,3,5）的触发脉冲沿VT8控制脉冲的下降沿触发；晶闸管（04,6,2）的触发脉冲沿VT7控制脉冲的下降沿触发；当IGBT打开时，输出反向电压为相应的相电压；当IGBT关闭时，输出反向电压为CO。相应的线路电压。输出电压由IGBT控制角决定。图5:控制触发脉冲和逆变器电压波形由图5可知，输出的逆变电压的大小与脉冲宽度有关，其逆变电压的平均值计算如下:图6给出了逆变变压器电网侧相电压与相电流的波形。图6：相电压电流波图7是电压和电流的相量图。可以看出，由于电流滞后和电压超过180，转子电路不再吸收电网的无功功率，而是向电网提供无功功率。图7：电压电流相量图从图6可得:2.4元器件选型及参数计算为了计算限制电流纹波的电感，首先将逆变电压展开成傅立叶级数：6次谐波电压的有效值为：采用数值算法计算出=86°时。达到最大值u6，。从半导体变换器技术中可以看出是：式中=300普通串联调制系统，其电感值为=0.8，因此可以得出该方案的电感值为传统串联调制方案的82%。变压器容量可以表示为:式中：=变压器相电压最大均方根=变压器相电流最大均方根当忽略的影响时，转子开路电压与变压器二次相电压的关系如下：当取=15°时，逆变电压最大(S=Smax)，对应的为:式中=转子电流的有效值对于风机和泵负载，假设额定转速对应于额定电流，则：式中=转子额定电流由于则：通过数值计算，可以近似地发现在、=56°时，达到最大值，=0.5136逆变变压器的容量如下：新串联调压系统中换流变压器的容量为传统串联调压系统容量的50%。对于风机泵负载，流过IGBT的电流的有效值为：而：当时，I最大，即Imax=/0.816.对于风机泵负载，流经晶闸管的电流的有效值：式中=转子相电流额定值当=80°时，I最大，Imax=0.28386。2.5软件设计由于内反馈电机的定子除主绕组外还有一套调节绕组，所以其数学模型不同于普通电机。在普通电机ABC坐标数学模型的基础上，建立了内反馈电机在坐标系下的数学模型。其中,,转子绕组的三相电压、电流和磁通。式中，（k=1,2）,p=微分算子。磁链方程式为其中定子与调节绕组之间的互感为：和用于定子和转子漏感；和用于定子和转子互感。电机在恒转矩负载下的运动方程如下：式中J为转动惯量，P为极对数。电机的电磁转矩可以表示为:从该公式出发，建立了恒转矩负载下内反馈电机的数学模型:从串级调速异步电动机相量图可以看出，转子电压的空间矢量始终与转子电流的空间矢量相反，可以表示为：式为转子电流的单位矢量；为转换成转子整流电路的附加电位；为转换成转子侧的转子电压矢量；为转换成转子侧的转子电流矢量；为转换成转子整流电路的平波电抗器的电感。上述公式说明了串级调速的特点，即转子电压空间矢量的相位由转子电流空间矢量确定，由上式可得:当平波电抗器的影响被忽略时，近似等于转换为转子整流电路的附加电动势。改变附加电动势的大小可以改变电动机的转速。图8:串级调速异步电动机相图采用坐标等效变换法，等效原理是功率不变。等效变换后，两个轴相互垂直，且不存在耦合关系。互感磁通量只与轴上的绕组有关。所以每个相的通量只剩下两个分量。在dqo坐标系中，d轴和q轴相互垂直，它们之间没有互感耦合关系，0轴上的量对dq轴没有影响。假设坐标轴在转子上，d轴直，q轴在前面90°，基准轴与定子绕组轴之间的夹角为，可得到一组由be坐标到dqo坐标的变换矩阵。因此，可以得到dqo坐标系中的电压方程：其中磁链方程为：假设所有的互感器都相等，公式中的子矩阵为：由上述变换矩阵可以得出内反馈电机定子和调节绕组的电压方程如下：转子电压方程式为其中磁链方程式为其中为激磁电感。在dq0坐标系中，电磁转矩可以表示为：将磁通方程代入电压方程，消除磁通项，得到内反馈电机的矩阵方程：P是微分算子。该方程是dq0坐标系中任意速度下的电机方程。当时，可以得到同步旋转坐标系中的内反馈电机方程。为了在MATLAB/Simulink仿真中使用内反馈电机的数学模型，还应将其写成状态方程：其中公式上标表示调节绕组或转子对定子侧的折减值。对于内反馈串级调速电机的电磁过程和方向矢量的空间位置分析，上述公式是不完整的。还应补充，这对应于两个非线性方程：在斩波串级调速系统中，由于直流回路串联了升压斩波器，因此式变为式中为斩波器的占空比。每个Simulink模块可以表示为输入信号U、输出信号Y和内部状态X之间的关系，如图9所示。输入输入X状态uy输出图9：s一函数模块基本结构在一定时间t，simulink模块的内部状态由两部分组成：连续状态和离散状态，以及。此时，输出信号，连续状态导数离散状态。simulink根据连续状态导数方程计算每个连续状态的值，并用离散状态方程计算分离。分散状态的当前值。这样，Simulink可以随时获取状态和输出信号，并实现仿真结果的求解。在仿真过程中，每个Simulink模块的执行可以分为四个阶段：初始化阶段、仿真阶段、仿真循环阶段和仿真结束阶段。在初始化阶段，Simulink将每个模块调用到内存中，检查模块的数据类型和长度，设置模拟时间间隔，设置模拟模块的执行顺序，并进行分配。在模拟周期阶段，Simulink按照初始化阶段的顺序执行每个模块，计算当前离散状态和输出信号，并通过小步积分计算每个离散状态的值和产生的输出。这个过程一直持续到仿真过程结束，然后Simulink进入仿真结束阶段，清理各种分配的资源，同时保护仿真过程中生成的数据。S-函数的模块中，仿真结构如图10所示：图10：内反馈串级调速电机仿真结构2.6系统应用与调试说明模拟波形如图11所示。起动转速的模拟波形在上升阶段振荡，主要是由于过渡过程中电机电流的瞬态过程，导致电流和电磁转矩振荡，转速也随之振荡。图11：空载起动时波形新的系列调节方案已在实验室进行了试验。实验装置由绕线式异步电机和直流发电机组成。绕线式异步电动机功率为4千瓦，功率因数为0.77。用存储示波器记录变压器绕组中的反向电压（图12）和电流（图13）波形。=100°的电压波形=60°的电压波形=20°的电压波形图12:逆变桥电压波形=100°的电流波形=60°的电流波形=20°的电流波形图13:逆变变压器电流图14：PWM变换器串级调速系统的MATLAB仿真模型图15：PWM变换器控制模型逆变器侧不消耗无功功率，因此在相同条件下，新系统的功率因数高于传统斩波串级调速系统，达到0.8，如图16所示。图16：PWM变换器附加绕组侧A相电压和电流图17：PWM变换器向附加绕组输出有功和无功功率在系统运行过程中，PWM变换器的直流侧电压稳定在1200V，如图18所示，稳定的直流侧电压有利于串级调速系统的速度控制。图18：PWM变换器直流侧电压表1给出了功率因数的测量结果，从中我们可以看出，新的串级调制方案确实可以大大提高功率因数，验证了前面分析的结论。转差率s视在功率S有功功率功率因素cos0.067534240600.760.12495836680.740740.19429129180.680.23408627370.670.31363022870.630.34277417200.62表1：测试结果建立了内反馈串级调速电机模型，并将其应用于PWM变换器串级调速系统中。新系统的仿真结果表明，新系统的功率因数大大提高，可以达到1。证明了该系统的可行性。本文提出的新的三相四线制串联调压方案可以大大提高整个串联调压系统的功率因数，同时也可以降低谐波对电网的影响，大大降低变频器变压器在风机和泵负载上的容量。尽管增加了两个可切换元件，但传统的串调晶闸管的功率仅为3000。与其它串级调速方法相比，该方法具有明显的优越性，具有良好的应用前景。

结论本文提出的新型三相四线串联调节方案可以大大提高整个串联系统的功率因数，同时减少谐波对电网的影响。逆变器变压器的容量可以应用于风机泵的负载大大减少了。尽管增加了两个可关闭组件，但晶闸管的功率仅为普通串的30%。与其他级联速度控制方法相比，该方法具有明显的优势，具有良好的应用前景。绕线式异步电动机串级调速技术作为一种高效节能的调速方式，已在我国得到广泛应用，但是由于其功率因数较低这一弱点，影响了它在更广泛范围内的推广应用。从普通串级调速原理入手，分析了串级调速系统功率因数机理，提出了PWM变流式串级调速系统。给出了系统的工作原理，分析了新型调速系统对系统功率因数的改善情况，对PWM变流器的控制方式进行设计，并对系统中各个环节的参数进行了分析计算。建立了内反馈串级调速电机的数学模型并对其进行了仿真，仿真结果证明了该数学模型的正确性。并把内反馈电机应用到新型串级调速系统中，其结果显示PWM变流式串级调速系统能使系统的功率因数达到1，验证了新理论的可行性。本论文涉及整个串级调速系统的理论分析和仿真验证，进一步的工作希望做出硬件在工程上检测新系统是否能达到电力系