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1、华北电力大学（保定） 硕士学位论文 斩波式串级调速系统的研究与改进 姓名：崔健 申请学位级别：硕士 专业：电力电子与电力传动 指导教师：朱凌 20031201 华北电力大学硕士学位论文 II 摘 要 晶闸管串级调速系统是一种廉价简易的调速系统但是传统串调系统存在 着诸如功率因数低谐波污染严重等弊端本文在分析其原理及结构的基础上 讨论了影响其功率因数的主要因素比较了近年来出现的若干高功率因数串级调 速方案进而对一种采用 IGBT 斩波器和逆变器同步控制方式的串级调速方案进 行了详细讨论分析并计算了系统各环节的参数并对系统功率因数的改善情况 作了理论计算以此为依据搭建了串调系统的功率电路试验平台设
2、计了一套由 双片 C8051F310 SoC 实现的全数字控制系统分析计算及试验结果表明改进后 的方案能够较大程度的提高系统功率因数并从一定程度上减弱了对电网的谐波 污染 关键字串级调速系统IGBT斩波控制数字 PID数字触发器 ABSTRACT Speed regulation system using cascade control method with thyristor is a low-cost system, but the classic system has some shortages, such as low power factor, serious harmonic
3、pollution and etc. In this paper, the primary factors affecting the power factor of the system is discussed; Some novel schemes with high power factor proposed in recent years are compared, and a novel scheme using chopping control method with IGBT is discussed in detail, its parameters of each link
4、 and power factor calculated in theory; in the last, a power electric circuit test platform is set up, and a digital control scheme based on integral separated PI algorithm is designed and actualized with double pieces of C8051F310 system. The results produced by calculation and examination shows th
5、at the novel scheme can raise power factor in a great deal. In addition, the capacity of the reverse transformer is smaller than that of classic system, so the harmonic pollution is restrained in certain degrees. Cui Jian(Power Electronics and Electric Drive) Directed by prof. Zhu Ling KEY WORDS: sp
6、eed regulation systemcascade control, chopping control with IGBT, digital PID control, numerical trigger 华北电力大学硕士学位论文 V 主要符号表 主要符号表 (按正文中的出现顺序先后排列) s 异步电动机的转差率 Ir 转子电流 Er0 转子不动时的相电动势， 或称转 子额定电压 Er(Ur)转子相电动势 Rr 转子绕组每相电阻 Xr0 s=1 时转子绕组每相漏抗 U 有源逆变器输出电压 Ud 整流器输出电压 Id 整流器输出直流电流 U2T 逆变变压器 2 次侧相电压 晶闸管逆变器的逆变
7、角 P2 电机轴上的输出功率 Pin 串级调速系统的输入功率 Pmech 电机的机械功率 Pmech电机的机械损耗 P1 定子的输入功率 PF 串级调速系统的回馈功率 PM 电机气隙中的电磁功率 P1 定子损耗 Ps 转差功率 P2 转子损耗 Q1 定子吸收的无功功率 QF 串级调速系统中逆变器通过变 压器从电网吸收的无功功率 Qin 串级调速系统吸收的无功功率 IGBT 斩波的导通时间 T IGBT 斩波的周期 n0 异步电机的理想空载转速 n1 异步电机的同步转速 IGBT 斩波的导通角 Usl 定子线电压 Is 定子电流 UrlN 转子额定线电压 UrN 转子额定相电压 UslN 定子额
8、定线电压 IsN 定子额定电流 IrN 转子额定电流 Smax 临界转差率 nN 电机额定转速 D 调速范围 URRM 二极管的反向重复峰值电压 IF 二极管的正向平均电流 IIGBT 流过 IGBT 的电流 ISCR 流过逆变器的电流 I2T 逆变变压器二次侧相电流 U2Tl 逆变变压器 2 次侧线电压 usr 测速发电机的输出电压 Ud0 s=1 时整流器输出电压 Rd 转子直流回路等效电阻 Xd 折算到转子侧的电机每相电抗 Rd 折算到转子侧的电机每相电阻 XT 折算到二次侧的逆变变压器每相 电抗 RT 折算到二次侧的你变压器每相电 阻 Te 电机的电磁转矩 0 电机的同步角转速 Tl
9、电机的负载转矩 Il 负载电流 GD2 折算到电机轴上的飞轮惯量 ci 转速环的截止频率 华北电力大学硕士学位论文 1 第一章 引 言 1 . 1 异步电机调速系统的发展及现状 直流电机传动和交流电机传动在 19 世纪中先后诞生在 20 世纪的大部分年代 里约占整个电力传动容量 80%的不变速传动系统都采用交流电机而只占 20%的 高控制性能可调速传动系统则采用直流电机虽然交流电机结构简单性能可靠 造价低廉但在很长一段时期里交流调速系统的调速性能始终无法与直流调速系统 相匹敌直到 20 世纪 80 年代随着电力电子技术和计算机控制技术的发展以及 现代控制理论的应用高性能交流调速系统应用的比重才
10、开始逐年上升并已经在 越来越多的工业部门中取代了直流传动 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这也是本论文所要研究 的调速对象由于前段中所述的历史原因这类负载大都是依赖挡板或阀门来调节 流量损耗掉大量电功率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 20%以上这是相当可观的 对于本文所研究的异步电动机而言 其调速系统发展到今天 主要有以下六种 降电压调速电磁转差离合器调速绕线转子异步电机转子串电阻调速 绕线转子异步电机串级调速变极对数调速变频调速 另外按照交流异步电动机的基本原理从定
11、子传入转子的电磁功率可分为有 效功率和转差功率slip energy两部分从能量转换的角度上看转差功率是否 增大是消耗掉还是得到回收显然是评价调速系统效率高低的标志从这点出发 可以把异步电机的调速系统分成三大类 1) 转差功率消耗型调速系统全部转差功率都转换成热能的形式而消耗 掉上述的第三种调速方法都属于这一类这类调速系统的效率最低 现在已很少采用 2 ) 转差功率回馈型调速系统转差功率的一部分消耗掉大部分则通过变 流装置回馈电网或者转化为机械能予以利用转速越低时回收的功率也越多上述 第种串级调速便属于这一类其效率比第一类要高但增设的变流装置总要多消 耗一部分功率因此还不及下一类 3 ) 转差
12、功率不变型调速系统转差功率中转子铜损部分的消耗是不可避免 的但在这类系统中无论转速高低转差功率的消耗基本不变因此效率最高上 述的第两种转速方法属于此类其中变极对数只能有级调速应用场合有限 华北电力大学硕士学位论文 2 只有变频调速应用最广可以构成高动态性能的交流调速系统取代直流调速最 有发展前途 1.2 研究的意义和主要工作 变压变频调速尤其适用于要求精度高调速性能好的场合目前国内市场上多 见的 GTR-SPWM 方式的小功率变频调速装置特别是各种通用变频器价格尚可 但是大功率变频调速装置价格仍较高而且维修困难在国内的应用较少因此 对于本文所要研究的风机水泵这类对调速性能要求并不高的负载如果盲
13、目采用 现在的变频调速系统很可能会产生得不偿失的效果尤其是在高压大容量的情况 下另外在中大功率的此类负载中多是绕线式异步电机由于绕线式电机的结 构特点使得有可能采用一种性能价格比更优良更适合于中大功率风机水泵 调速节能运行的系统所以就目前而言这仍是交流调速系统的一个非常广阔的 应用领域1 绕线转子异步电机的转子绕组和定子绕组一样也是由绝缘导线组成的对称三 相绕组接成星形并引出到三个集电环上再通过电刷与外电路接通绕线转子 异步电机的这种结构特点使得其转子可接入附加电阻或其他控制装置以改善电机 的启动和调速性能所以绕线转子异步电机除可采用变频调速外更常用的是转 子侧的串级调速这时串级调速与变频调速
14、相比较则有以下优点 1 ) 在串级调速系统中逆变器功率为全功率的 1/21/3 左右如果采用变频调 速其逆变器的功率则至少为全功率 2 ) 对高压大容量电机而言采用串级调速时由于属于转子侧的低压调速 相对于定子侧的高压变频调速来讲可节省很大的投资 3 ) 串级调速系统在装置出现故障时可方便的退出运行使绕线式异步电机转 换到转子侧短接状态下全速运行 但是传统的串级调速方案存在着一个突出的缺点就是系统功率因数较低 高速满载运行时总功率因数约为 0.6 左右低速时总功率因数更差可降到 0.40.5 对调速范围为 2:1 的系统 2 随着对绿色电力系统认识的增深提高电力 电子装置的功率因数减少电力电子
15、装置产生的谐波污染这是当前设计和制造电 力电子装置首要考虑的关键问题之一3据此本论文主要进行以下几个方面的工 作 1 ) 在分析传统串级调速技术的原理及其系统结构的基础上详细分析影响串 级调速系统功率因数的主要因素 2 ) 分析并比较近年来出现的若干高功率因数串级调速方案在此基础上对一 种采用 IGBT 斩波器与逆变器同步控制方式的串级调速方案进行详细讨论 华北电力大学硕士学位论文 3 3 ) 分析计算该方案所构成的系统中各环节的参数并对系统功率因数的改善 情况作理论分析 4 ) 构建斩波式串级调速系统的试验平台其中包括了改进的调速系统功率变 换电路 和以双片C8051F310 SoC为核心器
16、件所实现的全数字调速系统的控制电路 5 ) 进行实验验证并对实验结果作出分析 华北电力大学硕士学位论文 4 第二章 绕线式异步电机串级调速理论分析及其改进 串级调速技术作为一种高效节能的调速技术在国内已有近二十年的应用历 史并且曾经在一段时期里担当过电机节能调速的主流方案这与串级调速系统的 独特优点密切相关但同时由于串调系统本身的弊端使得此种调速系统的应用日 渐减少本章就对其优缺点作详细分析进而对几种近年来出现的改进方案作相应 讨论 2.1 异步电机串级调速理论 在电机的定子侧或转子侧引入控制变量后可以改变电机的转速根据绕线式 异步电机的转子绕组可与外电路相连接的特点在其转子回路中串入一个与转子回 路频率相同的交流附加电势
