24脉波整流的直流电机供电与控制系统研究
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单元触发电路如图 3 所示。 A，B，C 分别接三 相 电 源 ；alpha 模 块 可 设 定 触 发 角 ，pwidth 模 块 可 设 定 脉 冲 宽 度 ；freq 模 块 可 设 定 工 作 频 率 ； double_pulse 模 块 可 选 择 单 、 双 脉 冲 触 发 方 式 ， pulses 输 出 6 路 触 发 脉 冲 ， 后 端 接 选 择 器 selector。 只 需 延 时 或 超 前 15°即 可 构 成 另 几 组 触 发 电 路 。
可近似为：
Uo=Uorms≈
3
姨
π
3
Um′≈1.654Um′
（ 10 ）
整 流 器 输 出 电 压 为 24 倍 工 频 脉 动 的 直 流 电
压 ，脉 动 系 数 仅 为 0.001 9。
3 直流电机供电与控制系统电路结构
直流电机供电与控制系统主电路如图 2 所 示。 主电路由三相电源、移相变压器、4 个三相整 流桥组成的整流单元、平衡电抗器单元等组成。
3
Um′≈1.654Um′
（8）
最后的输出电压为：
uo （ t ） =
1 2
[ ud （ t ） + ue （ t ） ] =
Σ Σ 3姨 3 π
Um′
1-
2 23×25
cos （ 24ωt ） …
（9）
由 式 （9） 可 见 ， 输 出 电 压 周 期 分 量 为 24 次 脉
波的整数倍，且幅值小，几乎为直流。 所含有效值
供电与控制系统结构，分析了系统整流单元的输出特性，并将所设计系统在不同转速下网侧电压、电流谐波含
量与传统直流电机调速系统谐波含量进行了对比。 实验证明，所提出的直流供电与控制系统能够有效降低对
网侧的谐波污染，提高直流电机运行的平稳度。
关键词：直流电机； 直流调速系统； 双闭环； 谐波
中 图 分 类 号 ：TP202
（China University of Petroleum， Dongying 257061， China） Abstract：This paper presents a 24-pulse rectifying DC power supply and control system based on autotransformer. Phase-shifting autotransformer is conducted to generate DC voltage with 24-pulse waves for the power supply of DC motor.PI controller is adopted in speed loop and current loop of DC motor regulating system.Voltage and current harmonic components are analyzed and compared with traditional double-loop DC speed regulating system.The experimental results prove that the proposed system can reduce the harmonic pollution and smooth the operation of DC motor effectively. Keywords：direct current motor； direct current speed-regulating system； double-closed loop； harmonic
1引言
随着电力电子技术飞速发展， 三相大功率整 流技术已广泛应用于直流电机调速系统[1]。 在该系 统采用的各种整流电路中，6 脉波三相桥式全控整 流电路应用最为广泛。 但大多数整流电路如带电 容滤波的三相不可控整流和晶闸管相控整流装置 均为典型的非线性负载，引起了网侧电流、电压波 形畸变，导致较严重的电网谐波污染[2]。 文献[3-5] 提出了多种改善整流电路输入电流波形的方法， 其中 24 脉波整流电路能消除传统三相 桥 式 全 控 6 脉 波 整 流 电 路 中 所 含 有 的 5，7，11，13，17，19 等 次 谐波，降低了输入电流的谐波含量，减少了所串平 波电抗器的电感量，提高输出电流的连续性。 在此 提 出 了 一 种 24 脉 波 整 流 直 流 电 机 供 电 与 控 制 系 统，分析了对整流环节输入电流特性、输出电压特 性，以及系统结构、工作原理，实验证明该系统具 有较好的谐波抑制能力，能提高电机运行平稳度。
定 稿 日 期 ： 2011-05-30 作 者 简 介 ： 马 西 庚 （1957- ）， 男 ， 山 东 桓 台 人 ， 教 授 ， 研 究 方 向为电力电子技术及其应用。
2 系统整流电路结构及特性分析
2.1 系统整流电路结构与网侧电流特性 直流电机供电与控制系统基于自耦变压器的
24 脉 波 整 流 电 路 如 图 1 所 示 。 自 耦 变 压 器 初 级 绕 组与三相主电源三角形联接， 次级绕组产生 4 组 幅 值 相 等 ， 相 位 依 次 相 差 15° 的 三 相 电 压 （ua1，ub1， uc1）， （ua2，ub2，uc2）， （ua3，ub3，uc3）， （ua4，ub4，uc4）， 分 别 与整流桥相连， 再通过 3 组平衡电抗器并联 4 组 整 流 桥 组 成 24 脉 波 整 流 电 路 。
图 2 主电路仿真图
3.1 整流环节电路结构 输入端电源经过移相变压器后， 形成 4 组幅
值 相 等 、对 应 相 相 差 15°的 电 压 ， 输 出 端 通 过 3 组 平 衡 电 抗 器 并 联 4 组 整 流 桥 组 成 24 脉 波 整 流 电 路 。 Simulink 无 自 带 自 耦 移 相 变 压 器 模 块 。 该 仿 真 采用饱和变压器构造移相变压器，可以实现自耦 变压器移相原理和输入输出特性的模拟。 移相变 压 器 移 相 -22.5° ， -7.5° ，7.5° ，22.5° ， 其 中 7.5° 和-7.5°可共用一组变压器模块实现。
图 3 触 发 电 路 的 Matlab 模 型
102
24脉 波 整 流 的 直 流 电 机 供 电 与 控 制 系 统 研 究
3.2 控制环节仿真模型设计 双闭环直流调速系统具有良好的稳态和动态
性能。 所设计的直流电机供电与控制系统控制电 路采用典型的转速、电流双闭环系统，转速调节器 ASR 设 置 输 出 限 幅 ，以 限 制 最 大 起 动 电 流 。 根 据 系 统 运 行 需 要 ， 当 给 定 电 压 Un* 后 ，ASR 输 出 饱 和 ， 电机以最大允许电流起动，使电机转速很快上升， 而 达 到 给 定 的 速 度 后 转 速 超 调 ，ASR 退 饱 和 ，电 机 电枢电流下降，经过两个调节器的调节作用，使系 统很快达到稳态。 为获得良好的静、动态性能，转 速 和 电 流 调 节 器 都 采 用 具 有 输 入 、 输 出 限 幅 的 PI 调节器，且转速与电流都采用负反馈闭环。
差 30°，故 有 ：
uVD4 （ t ） =
3
姨
π
3
Um′Q
（4）
Σ Σ Σ Σ 式 中 ：Q =1 + 2 cos6 5×7
ωt-
π 12
-
2 11×13
cos12
ωt-
π 12
+
Σ Σ Σ Σ 2 cos18
17×19
ωt- π 12
- 2 cos24 23×25
ωt- π 12
+…。
两 组 三 相 桥 经 L1 以 后 输 出 电 压 瞬 时 值 为 ：
101
第 45 卷第 11 期 2011 年 11 月
电力电子技术 Power Electronics
Vol.45， No.11 November 2011
Σ Σ Σ ΣΣ ∞
iA （ t ） = 4
n=1，3，5…
Io cos nπ
nπ 6
·Msin（nωt）
（1）
Σ Σ Σ Σ Σ Σ Σ Σ 式中：M= k1 sin 1.717
摘 要 ： 提 出 了 一 种 基 于 自 耦 变 压 器 的 24 脉 波 整 流 直 流 电 机 供 电 与 控 制 系 统 。 该 系 统 利 用 自 耦 变 压 器 移 相 输 出
24 脉 波 动 的 直 流 电 压 为 直 流 电 机 供 电 ， 采 用 PI 调 节 的 转 速 、 电 流 双 闭 环 方 式 控 制 直 流 电 机 。 给 出 了 直 流 电 机
图 1 基 于 自 耦 变 压 器 的 24 脉 波 整 流 电 路 图
自耦变压器每相次级有 6 个绕组， 设初级绕 组 匝 数 为 n1，次 级 绕 组 匝 数 为 n2~n7， 则 有 ：n1∶n2∶n3∶ n4∶n5∶n6∶n7=1.717 23 ∶0.130 53∶0.130 53∶0.347 13∶0.347 13∶0.078 02∶0.078 02。 由 此 设 置 变 压 器 初 、次 级 绕 线 参数比。 网侧电流最终表达式为：
文 献 标 识 码 ：A
文 章 编 号 ：1000-100X（2011）11-0101-04
Research on DC Motor Power Supply and Control System with 24-pulse Rectification
MA Xi-geng， XU Jun-tao， LU Mao-zeng， ZHANG Hao
2nπ 3
sin
nπ 24
+ k2 sin 1.717
2nπ 3
sin
nπ 8
-
Σ Σ Σ Σ Σ Σ Σ Σ k3 sin
1.717
可近似为：
Uo=Uorms≈
3
姨
π
3
Um′≈1.654Um′
（ 10 ）
整 流 器 输 出 电 压 为 24 倍 工 频 脉 动 的 直 流 电
压 ，脉 动 系 数 仅 为 0.001 9。
3 直流电机供电与控制系统电路结构
直流电机供电与控制系统主电路如图 2 所 示。 主电路由三相电源、移相变压器、4 个三相整 流桥组成的整流单元、平衡电抗器单元等组成。
3
Um′≈1.654Um′
（8）
最后的输出电压为：
uo （ t ） =
1 2
[ ud （ t ） + ue （ t ） ] =
Σ Σ 3姨 3 π
Um′
1-
2 23×25
cos （ 24ωt ） …
（9）
由 式 （9） 可 见 ， 输 出 电 压 周 期 分 量 为 24 次 脉
波的整数倍，且幅值小，几乎为直流。 所含有效值
供电与控制系统结构，分析了系统整流单元的输出特性，并将所设计系统在不同转速下网侧电压、电流谐波含
量与传统直流电机调速系统谐波含量进行了对比。 实验证明，所提出的直流供电与控制系统能够有效降低对
网侧的谐波污染，提高直流电机运行的平稳度。
关键词：直流电机； 直流调速系统； 双闭环； 谐波
中 图 分 类 号 ：TP202
（China University of Petroleum， Dongying 257061， China） Abstract：This paper presents a 24-pulse rectifying DC power supply and control system based on autotransformer. Phase-shifting autotransformer is conducted to generate DC voltage with 24-pulse waves for the power supply of DC motor.PI controller is adopted in speed loop and current loop of DC motor regulating system.Voltage and current harmonic components are analyzed and compared with traditional double-loop DC speed regulating system.The experimental results prove that the proposed system can reduce the harmonic pollution and smooth the operation of DC motor effectively. Keywords：direct current motor； direct current speed-regulating system； double-closed loop； harmonic
1引言
随着电力电子技术飞速发展， 三相大功率整 流技术已广泛应用于直流电机调速系统[1]。 在该系 统采用的各种整流电路中，6 脉波三相桥式全控整 流电路应用最为广泛。 但大多数整流电路如带电 容滤波的三相不可控整流和晶闸管相控整流装置 均为典型的非线性负载，引起了网侧电流、电压波 形畸变，导致较严重的电网谐波污染[2]。 文献[3-5] 提出了多种改善整流电路输入电流波形的方法， 其中 24 脉波整流电路能消除传统三相 桥 式 全 控 6 脉 波 整 流 电 路 中 所 含 有 的 5，7，11，13，17，19 等 次 谐波，降低了输入电流的谐波含量，减少了所串平 波电抗器的电感量，提高输出电流的连续性。 在此 提 出 了 一 种 24 脉 波 整 流 直 流 电 机 供 电 与 控 制 系 统，分析了对整流环节输入电流特性、输出电压特 性，以及系统结构、工作原理，实验证明该系统具 有较好的谐波抑制能力，能提高电机运行平稳度。
定 稿 日 期 ： 2011-05-30 作 者 简 介 ： 马 西 庚 （1957- ）， 男 ， 山 东 桓 台 人 ， 教 授 ， 研 究 方 向为电力电子技术及其应用。
2 系统整流电路结构及特性分析
2.1 系统整流电路结构与网侧电流特性 直流电机供电与控制系统基于自耦变压器的
24 脉 波 整 流 电 路 如 图 1 所 示 。 自 耦 变 压 器 初 级 绕 组与三相主电源三角形联接， 次级绕组产生 4 组 幅 值 相 等 ， 相 位 依 次 相 差 15° 的 三 相 电 压 （ua1，ub1， uc1）， （ua2，ub2，uc2）， （ua3，ub3，uc3）， （ua4，ub4，uc4）， 分 别 与整流桥相连， 再通过 3 组平衡电抗器并联 4 组 整 流 桥 组 成 24 脉 波 整 流 电 路 。
图 2 主电路仿真图
3.1 整流环节电路结构 输入端电源经过移相变压器后， 形成 4 组幅
值 相 等 、对 应 相 相 差 15°的 电 压 ， 输 出 端 通 过 3 组 平 衡 电 抗 器 并 联 4 组 整 流 桥 组 成 24 脉 波 整 流 电 路 。 Simulink 无 自 带 自 耦 移 相 变 压 器 模 块 。 该 仿 真 采用饱和变压器构造移相变压器，可以实现自耦 变压器移相原理和输入输出特性的模拟。 移相变 压 器 移 相 -22.5° ， -7.5° ，7.5° ，22.5° ， 其 中 7.5° 和-7.5°可共用一组变压器模块实现。
图 3 触 发 电 路 的 Matlab 模 型
102
24脉 波 整 流 的 直 流 电 机 供 电 与 控 制 系 统 研 究
3.2 控制环节仿真模型设计 双闭环直流调速系统具有良好的稳态和动态
性能。 所设计的直流电机供电与控制系统控制电 路采用典型的转速、电流双闭环系统，转速调节器 ASR 设 置 输 出 限 幅 ，以 限 制 最 大 起 动 电 流 。 根 据 系 统 运 行 需 要 ， 当 给 定 电 压 Un* 后 ，ASR 输 出 饱 和 ， 电机以最大允许电流起动，使电机转速很快上升， 而 达 到 给 定 的 速 度 后 转 速 超 调 ，ASR 退 饱 和 ，电 机 电枢电流下降，经过两个调节器的调节作用，使系 统很快达到稳态。 为获得良好的静、动态性能，转 速 和 电 流 调 节 器 都 采 用 具 有 输 入 、 输 出 限 幅 的 PI 调节器，且转速与电流都采用负反馈闭环。
差 30°，故 有 ：
uVD4 （ t ） =
3
姨
π
3
Um′Q
（4）
Σ Σ Σ Σ 式 中 ：Q =1 + 2 cos6 5×7
ωt-
π 12
-
2 11×13
cos12
ωt-
π 12
+
Σ Σ Σ Σ 2 cos18
17×19
ωt- π 12
- 2 cos24 23×25
ωt- π 12
+…。
两 组 三 相 桥 经 L1 以 后 输 出 电 压 瞬 时 值 为 ：
101
第 45 卷第 11 期 2011 年 11 月
电力电子技术 Power Electronics
Vol.45， No.11 November 2011
Σ Σ Σ ΣΣ ∞
iA （ t ） = 4
n=1，3，5…
Io cos nπ
nπ 6
·Msin（nωt）
（1）
Σ Σ Σ Σ Σ Σ Σ Σ 式中：M= k1 sin 1.717
摘 要 ： 提 出 了 一 种 基 于 自 耦 变 压 器 的 24 脉 波 整 流 直 流 电 机 供 电 与 控 制 系 统 。 该 系 统 利 用 自 耦 变 压 器 移 相 输 出
24 脉 波 动 的 直 流 电 压 为 直 流 电 机 供 电 ， 采 用 PI 调 节 的 转 速 、 电 流 双 闭 环 方 式 控 制 直 流 电 机 。 给 出 了 直 流 电 机
图 1 基 于 自 耦 变 压 器 的 24 脉 波 整 流 电 路 图
自耦变压器每相次级有 6 个绕组， 设初级绕 组 匝 数 为 n1，次 级 绕 组 匝 数 为 n2~n7， 则 有 ：n1∶n2∶n3∶ n4∶n5∶n6∶n7=1.717 23 ∶0.130 53∶0.130 53∶0.347 13∶0.347 13∶0.078 02∶0.078 02。 由 此 设 置 变 压 器 初 、次 级 绕 线 参数比。 网侧电流最终表达式为：
文 献 标 识 码 ：A
文 章 编 号 ：1000-100X（2011）11-0101-04
Research on DC Motor Power Supply and Control System with 24-pulse Rectification
MA Xi-geng， XU Jun-tao， LU Mao-zeng， ZHANG Hao
2nπ 3
sin
nπ 24
+ k2 sin 1.717
2nπ 3
sin
nπ 8
-
Σ Σ Σ Σ Σ Σ Σ Σ k3 sin
1.717
