内反馈串级调速系统使用PWM整流器的方法研究
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Ma Changxiao, Wang Aimeng, Shi Xinchun
(School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China) Abstract: The reason was analyzed that the power factor of self-feedback cascade speed control system is poor. A new cascaded speed-adjusting system scheme based on PWM technique was proposed in this paper. SCR was substituted with IGBT in the system. It can provided capacitive reactive power to compensate inductive reactive power which the conventional cascaded speed-adjusting system produced. So it can improve power factor. PWM rectifier and PWM direct current control strategy were introduced in the paper. At last, simulation result and conclusion were given. Key words: cascade speed control; PWM rectifier; power factor
id
5 3.46
3.50
3.54 /s
3.58
图 10
电网侧 a 相电压与电流
图 7 PWM 整流器控制原理图
5
PWM 内反馈串级调速系统的仿真结果
根据图 1 所示串级调速系统结构， 采用图 7 所 示的直接电流控制策略， 对应用 PWM 整流器的内 反馈串级调速系统进行仿真。其中仿真参数为：内 反馈电机额定功率 710 kW, 定子额定电压 6 000
0
整流桥输出电压为：
1
斩波式内反馈串级调速系统分析
1
2
cos
20
内反馈串级调速以绕线型感应电动机转子串附 加电势进行调速的理论为基础， 其调速电机在定子 上增设了一套三相对称绕组， 称为调节绕组， 而原 来的定子绕组成为主绕组。 附加电势就是由调节绕 组从主绕组感应过来的电势所提供的。 通过可控硅
式中 2 为调节绕组相电压， 为斩波器的占空比。 因此控制占空比就可以调节电动机的转速。
因此，在保证直流侧输出电压为恒定的情况 下， 就可以使交流侧输入电流和交流侧电压呈负阻 特性或容性，即使 =0或 = 1 ，从而提高系统 的功率因数。
4
Ud Ui
PWM 整流器控制系统设计
图 2 PWM 整流式串级调速系统原理图
PWM 整流器是一种交、直流侧可控的四象限 运行的变流装置。当以电网电动势矢量为参考时， 通过控制交流电压矢量 V 即可实现 PWM 整流器 的四象限运行。若假设|I|不便，因此|VL |= 也 固定不变，在这种情况下，PWM 整流器交流电压 矢量 V 端点运动轨迹构成了一个以|VL|为半径的圆。 当电压矢量 V 端点位于圆轨迹 A 点时，电流矢量 I 比电动势矢量 E 滞后 90°，此时 PWM 整流器网 侧呈纯电感特性，如图 3 所示；当电压矢量 V 端 点运动至圆轨迹 B 点时， 电流矢量 I 与电动势矢量 E 平行且同向， 此时 PWM 整流器网侧呈现正电阻 特性，如图 4 所示；当电压矢量 V 端点运动至圆 轨迹 C 点时， 电流矢量 I 比电动势矢量 E 超前 90°， 此时 PWM 整流器网侧呈现电容特性，如图 5 所 示；当电压矢量 V 端点运动至圆轨迹 D 点时，电 流矢量 I 与电动势矢量 E 平行且反向，此时 PWM 整流器网侧呈现负阻特性，如图 6 所示。
0
C
0 VL B I
C
B
图 3 纯电感特性运行
D I 0' E 0 A V B VL C 0'
图 4 正阻特性运行
I V E A D VL 0 C
B
3
PWM 整流内反馈串级调速系统分析
图 5 纯电容特性运行
图 6 负阻特性运行
将 PWM 整流器应用到内反馈串级调速系统 中，代替晶闸管逆变器，可以得到新型串级调速系 统，如图 2 。
图8
PWM 整流器直流侧电压
电压
300 电流 100 100 300 500 2.90
为使 PWM 整流器工作在电容性状态， 补偿电 动机吸收的感性无功功率 Q ，则 可表示为
*
=
/
（6）
2.92
2.94
/s
2.96
2.98
3.00
由式（3） 、 （4） 、 （6）可以得到 PWM 整流器 的控制框图如图 7 所示。
第2期
马长啸，等
内反馈串级调速系统使用 PWM
P
P
+ +
I
*
+ （3） + +
V, 额定电流 72 A, 调节绕组电压为 510 V ，额定 转速 1 487 r/min 。交流侧电感 0.001 H, 直流侧电 容 0.003 3 F, 直流电压给定值 1 200 V 。可以得到 图 8 、 9 、 10 的仿真结果。
6
结
论
本文介绍了应用 PWM 整流器的新型串级调速 系统， 并对所提系统进行了仿真。 由仿真结果可以 看出， 新系统的功率因数比传统串级调速系统有了 较大的提高，这样就省去了无功补偿装置， 对节约 成本， 推广串级调速系统的应用有着巨大的作用。
参考文献： [1] Jiang Youhua, Ning Yu, Gong Youmin. Research on unity power factor inner-feed chopper cascaded speed-adjusting system [J]. Power Electronics, 2005. [2] 宋桂英. 内反馈电动机及其调速系统 [D]. 天津：河北 工业大学，2000. [3] 陈伯时. 电力拖动自动控制系统 [M]. 北京：机械工业 出版社，1997. [4] 张崇巍, 张兴. PWM 整流器及其控制 [M]. 北京：机械 工业出版社，2003. [5] Mariusz Malinowski, Marek Jasin'ski. Simple direct power control of three-phase PWM rectifier using space-vector modulation (DPC-SVM) [J]. IEEE Transaction on Industral
由图 8 可以看出 PWM 整流器直流侧电压稳定 在 1 200 V ，有利于斩波调速。图 9 为交流侧 a 相 电压和电流， 可以看出 PWM 整流器交流侧运行在 容性状态， 即 PWM 整流器在向电网传送有功功率 的同时还产生容性无功功率。因此，如图 10 所示 网侧电压和电流， 整个系统工作在单位功率因数的 状态。 图 11 是传统斩波串级调速系统逆变侧电压和 电流波形，可以看出其工作在感性状态下， 而且由
2
功率因数分析
串级调速系统的功率因数可以表示为
收稿日期：2007-10-12. 作者简介：马长啸 (1982 －), 男, 华北电力大学电气与电子工程学院硕士研究生.
10
电
力
科
学
与
工
程
D E 0' V A D
2008 年
cos =
1
1 2
+
1
+
2
（1）
0' E V A I VL
式中 1为电动机从电网中吸收的有功功率； 为回 馈到电网的有功功率； 1为电动机从电网吸收的感 性无功功率； 为逆变器从电网吸收的感性无功功 率。 由（1）式可以看出，应用斩波器的内反馈串 级调速系统虽然固定了逆变角 ，但由于需要留有 裕度， 一般为 30°，这样逆变侧还会吸收大量的 感性无功功率。而且当电动机低速运行时， 增 大，系统功率因数会进一步的降低。
0.82 0.84 /s 0.86 0.88 0.90
0.82
0.84
/s
0.86
0.88
0.90
图 11 传统串级调速逆变侧 a 相电压与电流
Electronics, 2004. （责任编辑：马坤英）
图 12
传统串级调速电网侧 a 相电压与电流
Research on Using PWM Rectifier in Self-feedback Cascade Speed Control System
坐标系中为直流量， 因而采用 PI 调节器可实现 , 的无静差调节，如下式：
*
=
P
+
I
*
（4）
500
0
1
/s
2
3
电压/V, 电流/A
式中 P , I 分别为电压外环比例调节增益和积分调 节增益； dc为直流电压指令值。 引入瞬时功率的概念， 在 d， q 坐标系下， PWM 整流器网侧瞬时有功功率 p 和无功功率 q 可表示为 = = （5）
0
引
言
电气传动在日常生活、 工业生产中占有很大的 比重， 特别是风机和泵类这些负载的消耗占能源消 耗的比重很大， 因此风机和泵类的节能问题是当今 工业生产中的主要问题之一。 采用晶闸管实现的串 级调速系统是实现风机和泵类节能的有效手段。 这 种调速方法与变频调速相比具有性能良好、 价格便 宜的特点， 它不仅能够实现平稳调速， 而且节约电 能 20%~40%左右。但是功率因数比较低是传统串 级调速系统的一个突出的缺点， 高速满载的情况下 约为 0.6 ，低速时约为 0.4 ，对能源造成了很大的 浪费， 并对电网造成很大的污染， 影响了它的推广 应用。由此，本文提出了新型的串级调速方案，即 用 PWM 整流器代替晶闸管逆变， 从而提高系统的 功率因数。
(School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China) Abstract: The reason was analyzed that the power factor of self-feedback cascade speed control system is poor. A new cascaded speed-adjusting system scheme based on PWM technique was proposed in this paper. SCR was substituted with IGBT in the system. It can provided capacitive reactive power to compensate inductive reactive power which the conventional cascaded speed-adjusting system produced. So it can improve power factor. PWM rectifier and PWM direct current control strategy were introduced in the paper. At last, simulation result and conclusion were given. Key words: cascade speed control; PWM rectifier; power factor
id
5 3.46
3.50
3.54 /s
3.58
图 10
电网侧 a 相电压与电流
图 7 PWM 整流器控制原理图
5
PWM 内反馈串级调速系统的仿真结果
根据图 1 所示串级调速系统结构， 采用图 7 所 示的直接电流控制策略， 对应用 PWM 整流器的内 反馈串级调速系统进行仿真。其中仿真参数为：内 反馈电机额定功率 710 kW, 定子额定电压 6 000
0
整流桥输出电压为：
1
斩波式内反馈串级调速系统分析
1
2
cos
20
内反馈串级调速以绕线型感应电动机转子串附 加电势进行调速的理论为基础， 其调速电机在定子 上增设了一套三相对称绕组， 称为调节绕组， 而原 来的定子绕组成为主绕组。 附加电势就是由调节绕 组从主绕组感应过来的电势所提供的。 通过可控硅
式中 2 为调节绕组相电压， 为斩波器的占空比。 因此控制占空比就可以调节电动机的转速。
因此，在保证直流侧输出电压为恒定的情况 下， 就可以使交流侧输入电流和交流侧电压呈负阻 特性或容性，即使 =0或 = 1 ，从而提高系统 的功率因数。
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Ud Ui
PWM 整流器控制系统设计
图 2 PWM 整流式串级调速系统原理图
PWM 整流器是一种交、直流侧可控的四象限 运行的变流装置。当以电网电动势矢量为参考时， 通过控制交流电压矢量 V 即可实现 PWM 整流器 的四象限运行。若假设|I|不便，因此|VL |= 也 固定不变，在这种情况下，PWM 整流器交流电压 矢量 V 端点运动轨迹构成了一个以|VL|为半径的圆。 当电压矢量 V 端点位于圆轨迹 A 点时，电流矢量 I 比电动势矢量 E 滞后 90°，此时 PWM 整流器网 侧呈纯电感特性，如图 3 所示；当电压矢量 V 端 点运动至圆轨迹 B 点时， 电流矢量 I 与电动势矢量 E 平行且同向， 此时 PWM 整流器网侧呈现正电阻 特性，如图 4 所示；当电压矢量 V 端点运动至圆 轨迹 C 点时， 电流矢量 I 比电动势矢量 E 超前 90°， 此时 PWM 整流器网侧呈现电容特性，如图 5 所 示；当电压矢量 V 端点运动至圆轨迹 D 点时，电 流矢量 I 与电动势矢量 E 平行且反向，此时 PWM 整流器网侧呈现负阻特性，如图 6 所示。
0
C
0 VL B I
C
B
图 3 纯电感特性运行
D I 0' E 0 A V B VL C 0'
图 4 正阻特性运行
I V E A D VL 0 C
B
3
PWM 整流内反馈串级调速系统分析
图 5 纯电容特性运行
图 6 负阻特性运行
将 PWM 整流器应用到内反馈串级调速系统 中，代替晶闸管逆变器，可以得到新型串级调速系 统，如图 2 。
图8
PWM 整流器直流侧电压
电压
300 电流 100 100 300 500 2.90
为使 PWM 整流器工作在电容性状态， 补偿电 动机吸收的感性无功功率 Q ，则 可表示为
*
=
/
（6）
2.92
2.94
/s
2.96
2.98
3.00
由式（3） 、 （4） 、 （6）可以得到 PWM 整流器 的控制框图如图 7 所示。
第2期
马长啸，等
内反馈串级调速系统使用 PWM
P
P
+ +
I
*
+ （3） + +
V, 额定电流 72 A, 调节绕组电压为 510 V ，额定 转速 1 487 r/min 。交流侧电感 0.001 H, 直流侧电 容 0.003 3 F, 直流电压给定值 1 200 V 。可以得到 图 8 、 9 、 10 的仿真结果。
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结
论
本文介绍了应用 PWM 整流器的新型串级调速 系统， 并对所提系统进行了仿真。 由仿真结果可以 看出， 新系统的功率因数比传统串级调速系统有了 较大的提高，这样就省去了无功补偿装置， 对节约 成本， 推广串级调速系统的应用有着巨大的作用。
参考文献： [1] Jiang Youhua, Ning Yu, Gong Youmin. Research on unity power factor inner-feed chopper cascaded speed-adjusting system [J]. Power Electronics, 2005. [2] 宋桂英. 内反馈电动机及其调速系统 [D]. 天津：河北 工业大学，2000. [3] 陈伯时. 电力拖动自动控制系统 [M]. 北京：机械工业 出版社，1997. [4] 张崇巍, 张兴. PWM 整流器及其控制 [M]. 北京：机械 工业出版社，2003. [5] Mariusz Malinowski, Marek Jasin'ski. Simple direct power control of three-phase PWM rectifier using space-vector modulation (DPC-SVM) [J]. IEEE Transaction on Industral
由图 8 可以看出 PWM 整流器直流侧电压稳定 在 1 200 V ，有利于斩波调速。图 9 为交流侧 a 相 电压和电流， 可以看出 PWM 整流器交流侧运行在 容性状态， 即 PWM 整流器在向电网传送有功功率 的同时还产生容性无功功率。因此，如图 10 所示 网侧电压和电流， 整个系统工作在单位功率因数的 状态。 图 11 是传统斩波串级调速系统逆变侧电压和 电流波形，可以看出其工作在感性状态下， 而且由
2
功率因数分析
串级调速系统的功率因数可以表示为
收稿日期：2007-10-12. 作者简介：马长啸 (1982 －), 男, 华北电力大学电气与电子工程学院硕士研究生.
10
电
力
科
学
与
工
程
D E 0' V A D
2008 年
cos =
1
1 2
+
1
+
2
（1）
0' E V A I VL
式中 1为电动机从电网中吸收的有功功率； 为回 馈到电网的有功功率； 1为电动机从电网吸收的感 性无功功率； 为逆变器从电网吸收的感性无功功 率。 由（1）式可以看出，应用斩波器的内反馈串 级调速系统虽然固定了逆变角 ，但由于需要留有 裕度， 一般为 30°，这样逆变侧还会吸收大量的 感性无功功率。而且当电动机低速运行时， 增 大，系统功率因数会进一步的降低。
0.82 0.84 /s 0.86 0.88 0.90
0.82
0.84
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0.86
0.88
0.90
图 11 传统串级调速逆变侧 a 相电压与电流
Electronics, 2004. （责任编辑：马坤英）
图 12
传统串级调速电网侧 a 相电压与电流
Research on Using PWM Rectifier in Self-feedback Cascade Speed Control System
坐标系中为直流量， 因而采用 PI 调节器可实现 , 的无静差调节，如下式：
*
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（4）
500
0
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电压/V, 电流/A
式中 P , I 分别为电压外环比例调节增益和积分调 节增益； dc为直流电压指令值。 引入瞬时功率的概念， 在 d， q 坐标系下， PWM 整流器网侧瞬时有功功率 p 和无功功率 q 可表示为 = = （5）
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引
言
电气传动在日常生活、 工业生产中占有很大的 比重， 特别是风机和泵类这些负载的消耗占能源消 耗的比重很大， 因此风机和泵类的节能问题是当今 工业生产中的主要问题之一。 采用晶闸管实现的串 级调速系统是实现风机和泵类节能的有效手段。 这 种调速方法与变频调速相比具有性能良好、 价格便 宜的特点， 它不仅能够实现平稳调速， 而且节约电 能 20%~40%左右。但是功率因数比较低是传统串 级调速系统的一个突出的缺点， 高速满载的情况下 约为 0.6 ，低速时约为 0.4 ，对能源造成了很大的 浪费， 并对电网造成很大的污染， 影响了它的推广 应用。由此，本文提出了新型的串级调速方案，即 用 PWM 整流器代替晶闸管逆变， 从而提高系统的 功率因数。
