2011.№1 大 电 机 技 术 13 高频斩波串级调速系统功率因数的分析与计算 张军伟1,2, 王兵树1,3, 万 军1,3, 甄 亚1 (1.华北电力大学控制科学与工程学院，河北 保定 071003; 2.华北电力职业技术学院, 河北 保定 071056; 3.保定华仿电控有限公司变流技术研究所，河北 保定 071051)
[摘 要] 相对于变频调速系统，高频斩波串级调速系统具有节能效率高、结构简单、技术难度小等优点，在交流调速中得到了广泛应用。但和传统串级调速一样，该系统的严重缺点之一是功率因数低，而且随着负载变化和速度的调节，系统功率因数的变化范围很大。所以有必要准确分析计算其功率因数。本文介绍了高频斩波串级调速系统的工作原理，在此基础上提出了一种新的计算高频斩波串级调速系统功率因数的简化算法，总结了影响高频斩波串级调速系统功率因数的几大因素，最后通过建立试验系统进行验证，证实该算法的可靠性，对实际工程设计有实用价值。 [关键词] 高频斩波；串级调速；功率因数；算法 [中图分类号] TM32 [文献标识码] A [文章编号] 1000-3983(2011)01-0013-06 Analysis and Calculation for Power Factor of the High-frequency Chopped Wave Cascade Speed Control Drive System ZHANG Jun-wei1,2, WANG Bing-shu1,3, WAN Jun1,3, Zhen Ya1
(1.College of Control Science and Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China; 2.North China Electric Power VOC.&TECH. College, Baoding 071056, China; 3. Converter Simulation and Power Control Technique Institution, Baoding 071051, China) Abstract: Compared with frequency conversion speed control, high-frequency chopped wave cascade speed control drive system has such advantages as good efficiency on energy saving, simple structure and little technical difficulty,etc. So, it is widely used in AC governing speed field. However, as the traditional cascade speed governing drive, low power factor is the same overt weakness to the high-frequency chopped wave cascade speed control drive system. In addition, the power factor could change in a large range with the speed adjustment and changing load. So it is very necessary to analyse and calculate the power factor accurately. A compact algorithm to calculate the power factor of chopped wave cascade speed control drive system is put forward on the basic of introduction of the radical theory about it. A few of factors impacting on the power factor of chopper cascade speed control drive system are summed up. At last, A simulation validating system is founded, and which prove that the algorithm is reliable and practical on engineering design. Key words: high frequency chopped wave; cascade speed control; power factor; algorithm
引言 高频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，适合于电厂风机和泵类负载的调速节能运行。但是和传统串级调速系统一样，高频斩波的串级调速方法也存在着功率因数低，随转速和负载调节变化范围大的缺点[1-3]。由于工程中一般提高功率因数
基金项目：科技型中小企业技术创新基金：高压大容量异步电动机高频斩波串级调速系统(06c26211300065)
的方法是通过无功补偿的手段来实现，就要求必须准确地计算系统的功率因数，从而为其工程设计提供必要的依据。 传统串调系统计算功率因数的方法计算过程复杂，误差较大，难以准确、有效地反映系统的有、无功变化。本文提出的计算方法依照能量守恒原理，借助理想变压器，将定子感应电势由转子电势等效，从而简化了求取定子电势和电流的过程，在分析换相重叠角对定子电流、逆变电流的影响时，只考虑其主要作用，即对相角的影响，最后得到的计算结果通过了建立的试验系统的验证。 14 频斩波串级调速系统功率因数的分析与计算 2011.№1 1 高频斩波串级调速系统结构及运行原理 高频斩波串级调速系统典型结构如图1所示。
M电源
负载电机逆变变压器L1L2VD
C逆变整流
VT
aAN
N
2
1
N
N
•1I
•AI
•aI
•BI
•bI
•BI
dIβ
I
图1 高频斩波串级调速系统结构图 电机定子绕组接于电网，吸取电流•AI，称定子电
流。绕线式转子绕组经三相不控桥式整流电路通过升压斩波回路与晶闸管三相桥式有源逆变电路连接，经
逆变变压器接回电网．通过逆变电流•BI将转子滑差能
量回馈至电网，此部分称为转子逆变电路。定、转子电路接于同一电网，二者之间又有电机气隙磁场感应
耦合。系统从电网吸收电流•I是•AI、•BI合成
的，即 •••+=BAIII （1）
高频斩波串级调速的实质是在转子电路中引入附加电势，并通过中间升压斩波环节改变所加反电势的大小，从而实现调速和转子滑差能量的反馈。图1电路中逆变器直流电压βU串入转子整流电路，逆变角
β
固定在DD35~30的范围内，通过调节升压斩波回路中
斩波器占空比的大小即可实现低于同步转速的无级调速。
2 绕线式异步电机等效电路及其基本关系 图2所示电路是绕线式感应电机的等效电路。kR和
kX是电机绕组短路电阻与电抗；μX和cR是激磁电抗
和铁耗电阻，在电机端电压恒定时，激磁阻抗可认为是常值。图2中AU和aU分别为定、转子相电压有效值；
AN、aN、•AE、•aE和•AI、•aI分别表示定、转子绕组有效匝数、相绕组电势和电流；mAP和maP为定、转子绕
组每相功率，而MP为输送到轴上的机械功率。
由图2可知，电机绕组相电压与定子绕组感应电势的关系如下式：
AAaaaENNsEU⋅⋅== （2）
因为换相重叠的作用，转子绕组经三相不控桥式整流桥输出的直流电压为[15]：
dDadIsXEU⋅⋅−⋅=ππ
363
（3）
式中：s为转差率；dI为直流电流；DX为折算到转子
侧电动机每相漏抗。转差功率可以用转子整流器的直流输出电压和直流输出电流dI的乘积来表示：
ddDasIIsXEP⋅⋅⋅−⋅=)363(ππ （4）
将上式写成机械功率的形式，并将式（2）代入，得：
ddDAAaIIsXENNssT⋅⋅⋅−⋅⋅=)363(1ππ
ω
已知pf112⋅=πω，代入上式得到直流电流表达式：
pTXfENNENNXIDAAaAAaDd1224)34.2(34.26−⋅−⋅⋅=π （5）
式中：1f为电网工频；p为电动机极对数。上式中除机
械转矩T以外，其余各量均为常值。可见，中间直流电
流dI由负载转矩T唯一决定，而与电机转速无关。
kRkX
•1AI
•mI
•cI•μIcR
μX
•'1AI
•
aI
•AE•
aE
•
AU•
aU
aANN:
1f12fsf⋅=
mAPma
P
TωMP 图2 斩波串级调速异步电机等效电路图 3 高频斩波串级调速系统功率因数计算 3.1 瞬时换相为理想工况时功率因数的计算 不计整流和逆变换相影响，即换流重叠角0=γ的理想工况。从图1可知，整个系统的功率因数应由定子电路和逆变电路合成后求得。 （1）定子电路的计算 根据三相不控整流电路的特点，相应于输出直流
电流dI，在转子绕组中形成120°宽的矩形波电流•aI，
其基波分量的有效值为：
ddaIII⋅=⋅⋅=78.06cos241ππ （6）
因为转子电流基波分量•1aI与相应的相电势•aE同
电源 电机 负载
整流 逆变
逆变变压器