斩波串级调速系统万能机械特性的研究.pdf

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1、E I，E C T R T CD R I V E2 010V 0 1 4 0N o 2电气传动2 0 1 0 年第4 0 卷第2 期斩波串级调速系统万能机械特性的研究张军伟1 2，王兵树1，刘治安2，万军1，张晓东1(1 华北电力大学控制科学与工程学院，河北保定0 7 1 0 0 3；2 华北保定电力职业技术学院，河北保定0 7 1 0 5 6)摘要：高频斩波串级调速系统在高压大功率风机、水泵的节能改造中应用广泛。系统机械特性曲线的绘制对斩波串调系统的设计有重要意义。传统的绘制方法公式繁杂，计算量大，应用不方便。在传统计算方法的基础上，利用计算机械特性各参量的相对值推导了系统在一、二两个有效下

2、作区的相对机械特性方程，并以此为依据绘制了不同占空比下斩波串调系统的万能机械特性曲线，通过与传统方法绘制的机械特性曲线比对非常吻合，证实了该方法的可行性。关键词：斩波；串级调速；机械特性；占空比；相对值中图分类号：T M 3 4文献标识码：AS t u d yo nt h eR e l a t i v eM e c h a n i c a lC h a r a c t e r so fH i g h f r e q u e n c yC h o p p e dW a v eC a s c a d eS p e e dC o n t r o lS y s t e mZ H A N GJ u n

3、w e i l，W A N GB i n g s h u，L I UZ h i a n 2，W A NJ u n l，Z H A N GX i a o d o n 9 1(1 C o l l e g eo fC o n t r o lS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g，N o a hC h i n aE l e c t r i cP o w e rU n i v e r s i t y，B a o d i n g0 7 1 0 0 3，i，C h i n a；2 N o r t hC h i n aB a o d i n gE l e c t r i

4、 cP o w e rV O C&T E C H C o l l e g e，B a o d i n g0 7 1 0 5 6，H e&i，C h i n a)A b s t r a c t：T h eh i g h f r e q u e n c yw a v ec h o p p e dw a v ec 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 nw i d e l yu s e do nt h ee n e r g ys a v i n ga n di m p r o v e m e n to fh i g hv o l

5、 t a g e，h u g ep o w e rf a nb l o w e ra n dw a t e rp u m p I ti sv e r yi m p o r t a n tf o rt h ed e s i g no fs y s t e mt od r a wt h em e c h a n i c a lc h a r a c t e r sc u r v eo fi t H o w e v e r，t h et r a d i t i o n a ld e s c r i p t i o na r i t h m e t i ci sn o tc o n v e n i e

6、 n tf o ru t i l i t yb e c a u s eo fi n c l u d i n gt h ei n t r i c a t ef o r m u l aa n do v e r m u c hc a l c u l a t i o n T h er e l a t i v em e c h a n i c a lc h a r a c t e r se q u a t i o na b o u tc h o p p e dw a v es p e e dc o n t r o ls y s t e mw a sd e r i v e db ym e a n so f

7、u s i n gt h er e l a t i v ev a l u e so fp a r a m e t e r sa b o u tt h es y s t e mo nt h eb a s eo ft h ea n a l y s i so ft r a d i t i o n a lm e t h o d A tl a s t，a c c o r d i n gt ot h ea b o v ec o n c l u s i o n s，t h ec u r v ea b o u tt h em e c h a n i c a lc h a r a c t e r so fc h

8、 o p p e dw a v ec a s c a d es p e e dc o n t r o ls y s t e mw a sp a i n t e da n dt h ep r a c t i c a b i l i t yw a sp r o v e d b yt h ec o m p a r i s o nw i t ht h em e c h a n i c a lc h a r a c t e r sc u r v ep a i n t e di nv i r t u eo ft h et r a d i t i o n a ld e s c r i p t i o na

9、r i t h m e t i c K e yw o r d s：c h o p p e dw a v e；c a s c a d es p e e dc o n t r o l；m e c h a n i c a lc h a r a c t e r s；d u t yr a t i o；r e l a t i v ev a l u e1引言斩波串级调速装置是一种调速性能优良、性价比高的调速节能产品，在交流调速中得到了广泛的应用。由于斩波串级调速的转子整流器有一、二两个工作区，系统整个工作区域的机械特性是由这一、二两个工作区的机械特性组成，在绘制系统机械特性时，需要分别使用各自的公式来描述，

10、公式的形式都比较复杂，而且转矩一电流、转矩一转速都是非线性关系，所以绘制机械特性曲线的工作量非常大，给工程和设计带来了很大麻烦。本文提出了另一种绘制斩波串级调速机械特性曲线的算法相对值机械特性曲线方法，也称为万能机械特性曲线，使用它可以非常方便地绘制斩波串调系统在任何占空比下的机械特性曲线理一厂(M)；同时也可以作出咒一厂(I d)l 肛常数和转子整流器换相重叠角p 与直流电流J a 的关系曲线。2高频斩波串级调速系统结构及运行原理众所周知，串级调速系统调速原理就是在转基金项目：科技型中小企业技术创新基金(0 6 C 2 6 2 1 1 3 0 0 0 6 5)作者简介：张军伟(1 9 7 4

11、 一)。男博士研究生讲师E m a i l：Z h a n g j u n w e i 2 1 3 1 6 3 t o m1 3 万方数据电气传动2 0 1 0 年第4 0 卷第2 期张军伟，等：斩波串级调速系统万能机械特性的研究子侧串接反电势，通过调节反电动势的大小，改变转子电流大小，从而改变转矩，以达到调速的目的，由于转子电势的频率和大小都随转差率变化而变化，所以采用将转子三相电势整流得到直流电压，再串以反电势来达到改变转子电流、控制转速的目的。其基本电路结构如图1 所示。与转子相连的是由二极管组成的三相桥式不可控整流电路，完成将转子电流整流为直流引入到斩波回路中，右侧为由晶闸管组成的有源

12、逆变器，完成附加电动势的引入，中间直流回路为典型的升压斩波回路。系统采用绕线式三相异步电机。回路中电抗器L，起滤波和储能作用，L：主要在逆变回路中起平波保护的作用，电容C 储能滤波同时稳定逆变桥两侧电压。L 电源j幸I L负瓣蝴挚图1高频斩坡串级调速系统结构图F i g 1S t r u c t u r eo fh i g h-f r e q u e n c yc h o p p e dw a v ec a s c a d es p e e dc o n t r o ls y s t e m斩波器V T 工作在开关状态，在一个周期内按照给定的占空比开、关。当它导通时反电动势被短路，关断时反电动

13、势接入到主回路中，改变占空比大小就能够改变一个周期内串入反电势的平均值，从而使得转子电流发生变化，改变电磁转矩，以达到调速目的。3系统主回路分析图2 所示电路是斩波串调系统主回路的等效电路。它是一个典型的升压斩波回路，其输入为转子电势经整流后的六脉波电压，考虑滤波电感L 1 的作用，输入基本上为其直流分量，又将换相重叠角引起的换相压降计入，则该输入电压可表示为L，d 0 2 3 4 s E 2 0 3 s X D j d(1)7【式中：E。为转子开路相电势的有效值；(3 s X D)丌为换流重叠角所引起的等效换相电阻，X D 为折算到转子侧s 一1 时电动机每相等效电抗；I a 是在一个斩波周

14、期流经电感L，电流的直流平均值；s为异步电机转差率。】4图2 斩波串级调速系统主回路等效电路图F i g 2E q u i v a l e n tc i r c u i tf o rm a i nc i r c u i to fc h o p p e dw a v ec a s c a d es p e e dc o n t r o ls y s t e m同样逆变侧因为滤波电感I。：的作用，逆变电压可以近似用其直流分量代替，而逆变角固定在其最小值上，如果也计人变压器漏感产生的换相重叠作用，逆变电势表示为一2 3 4 E 2 s c o s 陆+I 口6 A T(2)式中：E。e 为逆变变压器

15、二次侧相电压；风i。为最小逆变角，一般取3 0。3 5。；L 为逆变直流电流；X T为折算到逆变变压器二次侧的每相等效感抗。由升压斩波电路特性知道，电容C 相当于一个受控的电压源，它的变化为三相不控整流输出电压减去电感线路电阻和折算到转子侧等效电阻的比例压降。电容电压可表示为U c-堕丛笔掣(3)式中：RL l 为滤波电感L。线路电阻；R D 为折算到转子侧的电动机每相等效电阻，为简化分析，忽略定子电阻影响，近似取R D 一，：，r 2 为转子每相电阻。D 为斩波器的占空比；这样整个斩波回路的右侧可以看成是由两个电源、电感和电阻组成的一个简单电路，此时逆变直流电流表达式为如=筹羔(4)式中：R

16、 h 为滤波电感L。线路电阻。R T 为折算到逆变变压器二次侧每相等效电阻。由图2 可知，在斩波器开通期间，电容C 提供逆变直流电流，电容放电；在斩波器关断期间，电感电流提供负载电流，给电容充电，在一个斩波周期内，电容电荷的总改变量的平均值应为0。写出两个区间流经电容C 电流的表达式，分别为i(：()一一I BO f D T(5)i c()=i L()一1 日D T T(6)稳态时在整个开关周期上对电容电流积分应当为0，即Ii c(t)d r 一0。将式(4)和式(5)代入式(6)得：l一工p d r+I i L(r)一I a d r 一0(7)万方数据张军伟。等：斩波串级调速系统万能机械特性

17、的研究电气传动2 0 1 0 年第4 0 卷第2 期化简后，得到：L 一(1 一D)-I d(8)将式(1)、式(2)、式(3)、式(8)代人式(4)，得到了回路的整流、逆变电压与输出直流电流平均值J a的关系如下：r 一2 3 4 5 E 2 0 一(1 一D)E 2 B c o s I i i I 上d垫+2 R。十R L。+(卜D)2(坐+2 R T+乩)4斩波串调系统万能机械特性方程的推导根据转子整流器的不同工作状态，斩波串级调速系统分为两个工作区，系统机械特性由两个工作区的机械特性分别组成，因此需要分别进行讨论。4 1系统第一工作区万能机械特性的计算推导系统的转差功率可以用转子整流器

18、的直流输出电压和电流的乘积来表示2 1：P。一U 加-j d一(2345E203 s*X D L)L(9)将式(9)写成机械功率的形式为T e c c J ls=P。与式(2)联立，解得电磁转矩T e 的表达式为T e：1(2 3 4 E 2 0m 坐J d)I d(1 0)把上面推导得到的输出直流电流平均值f。的关系式变换为下式所表达的形式：r。：!：!垄!二!：!二旦!垦!：!旦!l d坐s+2 R。+R L，+(卜D)2(堡+2 R T+氏)一垦!生里独!：!：!垦!r：垦!坠。s+p。：了2 丌3 4 E 2 0 5 s I(1 1)-2 丽。5 豇1 1)E 2 B(1 一D)C O

19、$风。s s I 一1 堡堡一(1 2)2 R。+R L，+(1 一D)2(3 X T+2 R T+R L。)D 2 1 汉旦一(13)其中轴称为第一工作区综合转差率。将直流电流的变换形式(I I)代入到式(1 0)得到串级调速系统第一工作区的转矩表达式为L：丝型芷(卜5 研)s 田3 XDc，1 3 1“，1整理后得到优=(1 5 s I)5 5 3(1 4)其中m 为相对转矩T。m 一某(1 5)己一警竽，旦J)l X D(1 6)式中：T e 为计算转矩，是用来表征转矩相对值的基准参量。式(1 4)就是串调系统第一工作区的万能机械特性的表达式，它是一条二次曲线。该工作区内实际最大转矩位于

20、第一工作区和第二工作区交界处。求该点的相对转矩和综合转差率：将式(1 1)代入到换相重叠角的计算公式c o s)，：1 一2=X 一I d。6 E 2 0得到：C O Sy 一1 2 s s I(1 7)又因为交界处换相重叠角)，一6 0。，所以此时的综合转差率为s 研一1 4，代人到式(1 7)得到第一工作区的最大相对转矩为m 1。=0 7 5 0 7 5(1 8)第一工作区的电流J。相对值也可以由式(1 1)得到：i d I d I j 一5 S I(1 9)I j 一2 4 5 E 2 0 X D(2 0)式中：五为计算电流，是用来表征电流相对值的基准参量。根据以上讨论，分别利用式(1

21、4)、式(1 7)和式(1 9)可以绘制第一工作区内的相对机械特性曲线m。=f(s 目)，相对重叠角曲线y f(s 两)和相对直流电流曲线i。一厂(s 研)。4 2系统第二工作区万能机械特性的计算推导串级调速系统在第二工作区的机械特性与转子整流器的第二工作区状态相对应，重叠角y 恒等于6 0。，固有滞后角口。在o。3 0。范围内。此时的转子整流桥相当于一个“全控”桥，滞后口。角度导通3 4 。因此在第二工作区内，J d 可以写成如下形式：r。：!：!塑坠垦!二!：!二旦!垦!塑!垫上d坠5+2 R。+R L，+(卜D)z(坐+2 R T+R L。)易B(1 一D)c o s 风m：塑堕r S

22、C O Sa pE 2 0 二3 X D。s+p。】5 万方数据电气传动2 0 1 0 年第4 0 卷第2 期张军伟，等：斩波串级调速系统万能机械特性的研究=鼢n，式中：5。为第二工作区综合转差率。其值为E 2 B(1 一D)C O S 风i。跚一_ 鬲产 一(2 2)式中：口。为固有滞后角。第二工作区的相对电流也可以类似求出：i d=了Id S s(2 3)式中：f i 为计算电流，由式(2 0)确定。在第二工作区内转子整流器的换相重叠角)，恒等于6 0。，固有滞后角a。与电动机参数间的关系为1 0 c o s(6 0 0+口p)_ 旷矬(2 4)将式(2 1)代入式(2 4)得到：c o

23、s(6 0。+口p)一C O S 口p-2 s s(2 5)将式(2 5)代入到式(2 3)得到电流相对值为i d=寺 c o s 口p-c o s(6 0。+口P)=寺s i n(3 0。+c r p)(2 6)同样第二工作区内的转矩可以表示为T e。一去(2 3 4 E 2 0 C O$a p-姜剐a(2 7)将式(2 3)、式(2 0)代入式(2 7)后得到：m 一专斗=(c o s 口p s s)s s(2 8)1e i其中L：一5 7 3 88 5 兰争(2 9)lA D根据以上讨论，分别利用式(2 3)、式(2 5)、和式(2 8)可以绘制第二工作区内的相对机械特性曲线m 一，(s

24、 s)，相对滞后角曲线c r p 一，(s s)和相对直流电流曲线i a 一厂(s。)。由以上分析可知，串级调速万能机械特性与传统计算串级调速的机械特性曲线完全一样，所不同的是前者全部用相对值，后者都用绝对值表示。5算例及分析可以利用串调系统的万能机械特性曲线方法绘制系统机械特性曲线和其它特性曲线，下面使用具体算例进行说明，已知异步电动机的技术参数为：额定功率5 6 0k W，定子额定线电压60 0 0V，定子额定电流6 5 1A，转子开口线电压9 7 7】6V，转子额定电流3 5 4A，额定转速7 4 1r m i n，过载能力=l 一2 0，效率，7=9 4 2 1，额定功率因数C O S

25、 中一0 8 0 4，折算到转子侧的每相电阻R D=0 0 4 63 2Q，折算到转子侧的每相漏抗X I，=O 4 0 45Q。逆变变压器参数为：变压器容量1 6 0k V A；逆变二次侧电压6 2 6V，逆变二次侧电流2 1 3A，滤波电感L 1=2 1m H，滤波电感L 2 7 1m H，电容C 一24 0 0 肛F，折算到二次侧的每相电阻R T=0 0 0 3n；折算到二次侧的每相漏抗X T=0 0 2 95Q。忽略电感线路电阻。负载为泵、风机类负载，负载全速功率4 0 8k W。如前所述，先分别绘制第一、二两个工作区的相对机械特性曲线、相对重叠角曲线和相对直流电流曲线，其中第一工作区综

26、合转差率s 豇从0 变化到交界处的1 4，以步长A s s I 一0 0 1 计算；第一工作区内，c r p 一0，而在第二工作区c r p 不再固定，逐渐增长到3 0。，因此以口。一1 0 为步长，逐步计算，以占空比D 一5 0 为例，绘制系统的相对特性曲线如图3 所示。图35 0 占空比F 斩波串级调速系统相对特性曲线F i g 3C u r v e sf o rr e l a t i v ev a l u ec h a r a c t e r so fc h o p p e dw a v ec a s c a d es p e e dc o n t r o ls y s t e mw h

27、 e nD 一5 0 然后根据式(1 3)、式(1 6)和式(2 0)计算l D，T。和L：p 一0 2 6 19(这里取D 一5 0)；T e：5 7 4 X 了卫一一5 74 7 6N m3 0 4 0 45X7 8 4Q 7 7，；一2 4 5 I=_ 二_ 一一34 1 6 6A。4 3 0 4 0 45第一、二工作区内的转差率s 可以分别由式(1 2)和式(2 2)得到：挈(1-D)c o s 舟-,m 1 n、产粤+垒L 1 二(3 0)，一盥。+笠!=!竺竺：，C O S 口p s s I IC O Sc r p s s 最后，从图3 的曲线上查到不同s。下的m，i a，y 万方

28、数据张军伟，等：斩渡串级调速系统万能机械特性的研究电气传动2 0 1 0 年第4 0 卷第2 期与口。的值，如表1 所示。再根据有关公式计算出D=5 0 为例，列举了相关数据，见表1，其余数据绘制各种特性曲线所要求的数据，本文以占空比的计算与占空比为5 0 的类似，这里不再列举。裹I5 0 占空比下使用相对值方法得到的相对特性曲线部分结果T a b 1P a r t i a lr u l t so fr e l a t i v e-v a l u c h a r a c t e r sc u r v eo fc h o p p e dw a v e s d es p e e dc o n t

29、r o ls y s t e mw h e no c c u p a t i o ne q u a l st o5 0 第一工作区第二工作区黯00 0 40 0 80 1 20 1 60 2 00 2 50 2 80 3 20 3 50 4 00 4 3 3m00 0 3 80 0 7 40 1 0 60 1 3 40 1 60 1 8 80 20 2 1 30 2 1 70 2 0 80 1 8 8l d00 0 40 0 80 1 20 1 60 2 00 2 50 2 80 3 20 3 50 4 00 4 3 3，(。)O2 33 3 94 0 54 7 25 3 16 06 06 0

30、6 06 06 0U p(。)000000041 01 52 33 00 2 7 70 30 3 2 40 3 5 10 3 80 4 10 4 5 70 4 8 80 5 4 50 6 0 40 7 3 30 9 0 3n r-r a i n 一15 4 25 2 55 0 6 74 8 6 84 6 54 4 14 0 73 8 3 73 4 1 12 9 6 82 0 0 27 3T e N m02 2 04 2 36 0 77 7 39 2 010 7 8l1 5 412 2 6I2 4 412 0 011 5 4l a 氏01 3 6 72 7 3 34 1 05 4 6 76 8

31、3 38 5 4 29 5 5 310 9 8I2 0 813 6 414 7 9图4 分别使用传统方法和本文提出的万能机械特性方法绘制了系统机械特性曲线，根据实际运行情况取占空比D 从4 5 1 0 0，比较二者可以看出它们几乎完全重合，这说明斩波串级调速系统万能特性曲线与传统算法得到的机械特性曲线一致，而且绘制过程更加简单。从上述分析可以知道利用斩波串级调速系统万能机械特性曲线可以很方便地绘制任意给定条件下的系统其他相关特性曲线，从而大大简化了计算工作，对定量分析系统不同调速工况下各工程参量变化有一定的意义。：I鼍N m图4 斩波串级调速系统万能机械特性曲线与传统曲线比较F i g 4C

32、o m p a r i s i o no fc u r v e sf o rm e c h a n i c a lc h a r a c t e r si nc h o p p e dw a v em o d ea n dt r a d i t i o n a lm o d e6结论根据传统机械特性曲线绘制方法理论，对原有系统参量的表达式做变换，使用取相对值的方法，推导出系统各参量的相对特性方程，进而绘制出斩波串级调速系统的机械特性曲线以及其他物理特性曲线。这些特性曲线的精度与理论曲线完全一致，只是把理论曲线相对化。这为进一步优化调速系统的设计、深入研究内反馈电机的斩波串调系统特性提供了必要的

33、理论依据，具有重要的工程实用价值。1 3 2 3 4 5 6 3 7 3 8 3 9 3D o 1 1 参考文献赵仁感应电机串级凋速机械特性方程 J 云南民族学院学报(自然科学版)，2 0 0 0，9(I)：4 3 4 4，5 3 谢军，孙忠献。温晓玲斩波串级调速系统主电路的分析 J 机电工程，2 0 0 7。2 4(9)：5 I 一5 4 谢军，王清灵绕线式异步电动机转子斩波串级调速系统的研究 J 安徽理工大学学报(自然科学版)，2 0 0 4，2 4(Z I)：7 1 7 5 张晓东，王兵树，马永光，等斩波串级调速系统机械特性曲线研究 J 机电工程，2 0 0 7，2 3(1 2)：5 5

34、 5 6，5 9 魏泽国交流电动机可控硅串级调速系统机械特性曲线的简便绘制和动态模型的简便线性化方法 J 西安矿业学院学报1 9 8 I 9(1)：6 8 8 1 赵忠生斩波式串级调速系统的研究与改进 D 北京：华北电力大学，2 0 0 5 崔健内反馈串级调速系统的研究与应用 D-保定：华北电力大学，2 0 0 2 杨春芳用计算法确定异步电动机等效电路图的工作参数 D 沈阳：沈阳机电学院，1 9 7 8 徐德鸿，马皓。汪裰生电力电子技术 M 北京：科技出版社，2 0 0 6 王君艳交流调速 M 北京：高等教育出版社，2 0 0 3 魏泽国串级调速系统及其应用 M 北京：冶金工业出版社。1 9

35、8 5 硬福百两互丽乒丽修改稿日期：2 0 0 9-0 8 2 21 7 万方数据斩波串级调速系统万能机械特性的研究斩波串级调速系统万能机械特性的研究作者：张军伟，王兵树，刘治安，万军，张晓东，ZHANG Jun-wei，WANG Bing-shu，LIUZhi-an，WAN Jun，ZHANG Xiao-dong作者单位：张军伟,ZHANG Jun-wei(华北电力大学,控制科学与工程学院,河北,保定,071003;华北保定电力职业技术学院,河北,保定,071056)，王兵树,万军,张晓东,WANG Bing-shu,WANJun,ZHANG Xiao-dong(华北电力大学,控制科学与工程

36、学院,河北,保定,071003)，刘治安,LIU Zhi-an(华北保定电力职业技术学院,河北,保定,071056)刊名：电气传动英文刊名：ELECTRIC DRIVE年，卷(期)：2010,40(2)参考文献(11条)参考文献(11条)1.徐德鸿;马皓;汪槱生 电力电子技术 20062.杨春芳 用计算法确定异步电动机等效电路图的工作参数 19783.崔健 内反馈串级调速系统的研究与应用 20024.赵忠生 斩波式串级调速系统的研究与改进 20055.魏泽国 交流电动机可控硅串级调速系统机械特性曲线的简便绘制和动态模型的简便线性化方法 1981(09)6.张晓东;王兵树;马永光 斩波串级调速系

37、统机械特性曲线研究期刊论文-机电工程 2007(12)7.谢军;王清灵 绕线式异步电动机转子斩波串级调速系统的研究期刊论文-安徽理工大学学报(自然科学版)2004(z1)8.谢军;孙忠献;温晓玲 斩波串级调速系统主电路的分析期刊论文-机电工程 2007(09)9.魏泽国 串级调速系统及其应用 198510.王君艳 交流调速 200311.赵仁 感应电机串级调速机械特性方程 2000(01)本文读者也读过(10条)本文读者也读过(10条)1.甄亚.王兵树.殷利杰.ZHEN Ya.WANG Bing-shu.YIN Li-jie 斩波串级调速系统功率因数的分析期刊论文-电机与控制应用2009,36

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