提升串级调速性能的仿真研究

2022-09-11

1 研究的意义和任务

1.1问题的提出1.2本课题所要开展的研究工作

温总理在今年的政府工作报告中指出:今后要把节能降耗作为社会可持续发展的战略举措, 鼓励开展多项节能技术改造和新技术应用。目前交流拖动应用最为广泛, 其中在电机调速节能方面存在着很大的可以挖掘的节电潜力。

串级调速是指绕线电机转子回路通过串入可调附加电势来改变电机的转差率, 从而达到调速的目的。大部分转差功率被附加电势所吸收, 再利用产生附加电势的装置, 把吸收的转差功率反馈回电网。由于该方案是在电机转子侧进行调节, 电压等级相对较低, 所需调速系统的功率等级也相对较低并且会随着调速范围的减小而减小, 所以较之变频调速具有很好的经济性。对于功率大、调速范围窄的传动系统, 例如在广泛使用的大容量风机、泵类负荷采用调速控制流量时, 应用串级调速方案更为合理。

但是, 传统串级调速技术在性能及品质上存在一定缺点。首先就是系统功率因数相对较低, 在高速满载运转时系统总的功率因数大约只有0.6左右, 而在低速时系统总的功率因数更低, 致使调速范围较小, 这限制了串级调速系统的应用和推广。

抑制和消除谐波, 提高功率因数, 提升串级调速品质和性能是本课题的研究任务。据此, 采用理论分析和仿真分析相结合的方法, 首先对传统串级调速性能和品质进行分析, 进而对新型串级调速性能和品质进行分析, 并探讨如何进一步采取技术措施来提升新型串级调速性能和品质。通过仿真, 以期获得明确效果。本文只研究电机工作在次同步的情况。

2 对传统串级调速系统的性能品质的理论分析与仿真分析

传统串级调速系统虽然具有效率高的优点, 但系统的功率因数却较低。从原理上分析可知:逆变导通角越小, 附加的反相电势越大, 转速越低, 回馈电网的电能越大;而且随着转速的降低, 系统的功率因数更低。

原因主要有如下几个方面。

(1) 异步电机本身的功率因数会随着转速降低而降低。电机所吸收的无功一般来说不随电机的转速变化而变化, 它约等于激磁功率, 而电机的有功功率会随着电机转速的降低而减小, 所以电机本身的功率因数会随着转速的降低而变小。

(2) 不考虑谐波情况下, 逆变器的功率因数为, 逆变器吸收的无功功率随着电机转速的增大而增加。

(3) 整流器和逆变器引起的电流畸变, 高次谐波分量要消耗一定的无功。

(4) 整流器由于交流侧电感较大而导致较大的换相重叠角使电压电流不同步要吸收一定的无功功率。

本文应用M A T L A B 7.0, 在S I M U L I N K环境下建立传统串级调速开环仿真系统。系统仿真电路如图1所示。为了模拟平方负载, 利用电机测量模块获得转速信号, 通过数学运算后把转矩信号反馈到电机的负载输入端, 电机在额定负载时所带的转矩大小为额定转矩, 随着转速的降低, 负载转矩的大小与转速成平方关系下降。逆变单元使用三相六脉冲发生模块来控制, 该触发模块通过三个线电压过零信号和所给定的触发角大小可以方便地产生不同相位的触发信号。电机参数如表1所示。

在理论分析传统串级调速系统功率因数和谐波的基础上, 通过仿真, 分析了不同逆变导通角下的电机转速。不同逆变导通角下的电机转速, 逆变导通角, 各个主要电气量的仿真波形如图2所示。由图可知转子电流的频率和谐波均随转速的变化而变化, 该图同时包含了触发角从向以及向转换的过渡过程。随着转速的降低, 电磁转矩成平方关系减小, 逆变电流也随转速的降低相应减小。当触发角为时电机的转速为750rpm。

并利用在MATLAB中的PowerGUI (功率图形用户接口) 模块中的FFT分析功能来对电气量进行频谱分析, 从而得出系统在不同状态下各个电气量以及电磁转矩的谐波情况。仿真结果见图1。仿真分析表明, 选取不同的平波电抗和导通角, 网侧的交流电流总谐波畸变率水平将会不同;逆变器直流侧电流的谐波还会在转子电流中产生300Hz的谐波分量, 使电机产生相应的脉动转矩;同时, 仿真分析还表明, 该系统的功率因数随转速的降低而降低, 最大值只有0.62。

3 提出改进的串级调速系统, 并进行性能和品质的理论及仿真分析

斩波式串级调速系统中, 转子电流中300Hz谐波分量接近于零, 而出现了相应开关频率的2500Hz谐波分量, 从仿真数据可以看出电流的THD明显减小, 提升了串级调速的品质。结果表明:对于斩波式串级调速系统来说, 控制量 (占空比) 与被控制量 (转速) 是成线性关系的;转子侧、网侧电流的谐波畸变率水平明显下降;功率因数得到了明显改善;逆变器所吸收的无功功率明显降低并保持不变, 从而, 可以采用并联电容器固定补偿该系统的无功功率。

4 采用无功补偿进一步提升斩波串级调速系统品质的仿真研究

采用并联电容的方法进行无功补偿;针对抑制谐波, 采用LC滤波器进行滤出。使该系统网侧能达到高功率因数和正弦电流。经计算系统需要补偿的无功功率为430kVAR, 滤波电路接在变压器低压侧。依据上一节所介绍的方法, 设计5、7次单调谐滤波器和截至频率为10次的高通滤波器。10次高通滤波器的截止频率为500Hz, 用于滤除11次及以上次数的谐波。斩波式串级调速系统在加入所设计的滤波装置以后系统仿真的THD随不同占空比下变化的结果表明, 与补偿前相比较, 系统的THD大为降低。另一方面, 在补偿系统的无功功率以后, 系统的功率因数在调速范围内均达到0.99以上, 进一步提升了串级调速的性能与品质。

在能源日益紧张的今天, 占工业用电量1/3的风机、泵类负荷的节能运行必将对缓解能源紧张的局面产生巨大影响。随着电力电子技术的快速发展, 出现了不断改进的新型串级调速技术和相关的无功补偿技术、滤波技术, 使其品质和性能比传统串级调速都有很大提高, 相信在风机、泵类负荷调速节能方面一定具有更好的应用前景。

摘要：为了提升串级调速品质和性能, 需要抑制和消除谐波, 提高功率因数。据此, 本文采用理论分析和仿真分析相结合的方法, 深入系统的对传统串级调速、新型串级调速的性能和品质进行了分析对比, 并进一步采用无功补偿来提升新型串级调速的性能和品质。通过仿真, 获得了明确的结果, 对串级调速技术实践有积极的参考意义。

关键词：串级调速,品质,仿真