迫札与控制应闭２０１￣３７（１）　控制与应用技术ｉ　ＥＭＣＡ　

斩波串级调速系统机械特性的分析术　

张军伟　，　王兵树’，　万　军’，　张晓东’　

（１．华北电力大学控制科学与工程学院，河北保定０７１００３；　

２．华北保定电力直业技术学院，河北保定０７１０５６）　

摘要：高频斩波串级调速系统在高压大功率风机、水泵的节能改造中具有广阔的发展前景。目前，该　系统已在国内的许多工业现场得到了广泛应用，但由于其有别于传统移相触发的控制方式，系统主回路结构　和内在特性发生了变化，所以有必要对其机械特性进行深入分析。介绍了高频斩波串级调速系统的工作原　理，分析了系统主回路的稳态输入、输出关系，推导了系统在一、二两个有效工作区的机械特性方程，并以此为　

依据绘制了不同占空比下斩波串级调速系统的机械特性曲线。　关键词：斩波串级调速；占空比；机械特性　中图分类号：ＴＭ９２１．５３文献标识码：Ａ文章编号：１６７３－６５４０（２０１０）０１－００２５－０６　

Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｆｏｒ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｃｈａｒａｃｔｅｒｓ　ｏｆ　

Ｃｈｏｐｐｅｄ　Ｗａｖｅ　Ｃａｓｃａｄｅ　Ｓｐｅｅｄ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｙｓｔｅｍ　

ＺＨＡＮＧ　Ｊｕｎ—ｗｅｉ　，ＷＡＮＧ　Ｂｉｎｇ—ｓｈｕ　，ＷＡＮ　Ｊｕｎ　，ＺＨＡＮＧ　Ｘｉａｏ—Ｄｏｎｇ　

（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎｏｒｔｈ　Ｃｈｉｎａ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，　

Ｂａｏｄｉｎｇ　０７１００３，Ｃｈｉｎａ；　

２．Ｎｏｒｔｈ　Ｃｈｉｎａ　Ｂａｏｄｉｎｇ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｖｏｃａｔｉｏｎ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｂａｏｄｉｎｇ　０７１０５６，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｈｉｇｎ—ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｃｈｏｐｐｅｄ　ｗａｖｅ　ｃａｓｃａｄｅ　ｓｐｅｅｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｈａｓ　ａｎ　ｏｖｅｒｔ　ａｄｖａｎｔａｇｅ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｅｎｅｒｇｙ　ｓａｖｉｎｇ　ａｎｄ　ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｈｉｇｈ　ｖｏｌｔａｇｅ，ｈｕｇｅ　ｐｏｗｅｒ　ｆａｎ　ｂｌｏｗｅｒ　ａｎｄ　ｗａｔｅｒ　ｐｕｍｐ．Ａｓ　ａ　ｒｅｓｕｌｔ，ｉｔ　ｗａｓ　ｗｉｄｅｌｙ　ｕｓｅｄ　ａｔ　ｌｏｔｓ　ｏｆ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｌｏｃａｌｅ　ｉｎ　Ｃｈｉｎａ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｄｉｆｅｒｅｎｔ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｏｄｅ　ｗｉｔｈ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｐｈａｓｅ　ｓｈｉｆｔｉｎｇ　ｂｕｒｓｔ　ｍｏｄｅ，ｓｏｍｅ　ｃｈａｎｇｅｓ　ｈａｖｅ　ｔａｋｅｎ　ｐｌａｃｅ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ａｎｄ　ｉｎｎｅｒ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ．Ｓｏ，Ｉｔ　ｗａｓ　ｖｅｒｙ　ｎｅｃｅｓｓａｒｙ　ｔｏ　ａｎａｌｙｓｅ　ｔｈｅ　ｍｅ—　ｃｈａｎｉｃａｌ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ｏｆ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ　ｒａｄｉｃａｌ　ｔｈｅｏｒｙ　ａｂｏｕｔ　ｃｈｏｐｐｅｄ　ｗａｖｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　Ｗａｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒｅｌａ—　ｔｉｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｉｎｐｕｔ　ａｎｄ　ｏｕｔｐｕｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｉｎ　ｓｔａｂｌｅ　ｓｔａｔｅ　Ｗａｓ　ｆｕｒｔｈｅｄｙ　ａｎａｌｙｓｅｄ．Ｔｈｅ　ｅｑｕａｔｉｏｎｓ　ａｂｏｕｔ　ｍｅｃｈａｎｉ—　ｃａｌ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｓ　ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ｔｗｏ　ａｖａｉｌａｂｌｅ　ｗｏｒｋ　ｄｉｓｔｒｉｃｔ　ｏｆ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗｅｒｅ　ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ．Ａｔ　ｌａｓｔ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ａｂｏｖｅ　ｃｏｎｃｌｕ—　ｓｉｏｎｓ，ｔｈｅ　ｃｕｒｖｅ　ａｂｏｕｔ　ｔｈｅ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｓ　ｏｆ　ｃｈｏｐｐｅｄ　ｗａｖｅ　ｃａｓｃａｄｅ　ｓｐｅｅｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　Ｗａｓ　ｐａｉｎｔｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃｈｏｐｐｅｄ　ｗａｖｅ　ｃａｓｃａｄｅ　ｓｐｅｅｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ：ｄｕｔｙ　ｒａｔｉｏ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｓ　

０　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，在交流调速中应用广泛。　

它不但继承了传统串级调速节能效率高、结构简　

单、技术难度小等优点，还使系统在谐波和功率因　

数等方面的指标有所提升，系统也更为简单、可　

靠。但是由于在主回路结构和传统移相控制上有　

所不同，系统内在的机械特性也发生了变化，因此　

｝科技型中小企业技术创新基金（０６ｃ２６２１　１３０００６５）　有必要深人地分析斩波串调系统的机械特性，为　

其工程设计和应用提供必要的理论依据。　

１　高频斩波串级调速系统结构及运　

行原理　

图１是斩波串级调速系统的结构图，左侧与　

转子相连的是由二极管组成的三相桥式不可控整　

流电路，其作用是将转子电流整流为直流引人到　

斩波回路中，右侧为由晶闸管组成的有源逆变器，

　控制与应用技术ｉ　Ｅ暇徂　迫札与控制应用２０１０，３７（１）　

其作用是附加电动势的引入，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。　

电机　

负　趱　

图１　高频斩波串级调速系统结构图　

斩波器ＶＴ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，关断时反电动势接入到主回路中，改变占　

空比大小就能改变一个周期内串人反电势的平均　

值，从而使得转子电流发生变化，改变电磁转矩，　

以达到调速的目的。　

２　系统主回路分析　

图２所示电路是斩波串级调速系统主回路的　

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．的作用，输入基本为其直流分量，又将换　

相重叠角引起的换相压降计人，则该输入电压可　

表示为：　

＿２．３４ｓ．Ｅ∞一　（１）　

式中：Ｅ加——转子开路相电势的有效值；　

——换流重叠角所引起的等效换相　

电阻；　

。——折算到转子侧ｓ＝１时电动机每相等　

效电抗；　

，ｄ——在一个斩波周期流经电感电流Ｌ　的　

直流平均值；　

ｓ——异步电机转差率。　

同样，逆变侧因为滤波电感Ｌ　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　

一２６一　图２斩波串级调速系统主回路等效电路图　

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，逆变电势可表示为：　

３　＝２．３４Ｅ２Ｂ‘ｃｏ　ｉ　＋，Ｂ‘■　（２）　

式中：Ｅ　——逆变变压器二次侧相电压；　

卢　ｉ　——最小逆变角，一般取３０。一３５。；　

，　——逆变直流电流；　

——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可知，电容Ｃ相当于一　

个受控的电压源，其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：　

一，ｄ・（　Ｉ，＋２ＲＤ）　Ｕｃ＝——　一（３）　

式中：Ｒ　——滤波电感Ｌ　线路电阻；　

Ｒ。——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。＝　

ｒ２；　ｒ２——转子每相电阻；　

Ｄ——斩波器的占空比。　

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：　

，　＝２　ＲＴ＋Ｒ　￣　，Ｂ　—　—　（４）　

式中：Ｒ　——滤波电感Ｌ　线路电阻；　

肼——折算到逆变变压器二次侧每相的等　

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，电容电荷总改变量的平均值应为０。写　

出两个区间流经电容Ｃ的电流表达式，分别为：　

ｉｃ（ｔ）＝一，Ｂ，０＜ｔ＜ＤＴ　（５）

　迫札西控制应闭２０１０，３７（１）　控制与应用技术ｉ　Ｅ晡ｃＡ　

ｉｃ（ｔ）＝ｉＬ（ｔ）一，Ｂ，ＤＴ＜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ｆ　ｉ　（￡）打＝０。将式（４）和（５）代人　

上式，有：　

Ｊ０一，Ｂｄｒ＋ｆＤＴ［　Ｌ（ｒ）一，Ｂ］ｄ　＝０（７）　

化简后，得到：　

，。＝（１一Ｄ）・，ｄ　（８）　

将式（１）、（２）、（３）、（８）代入式（４），得到回路的　

整流、逆变电压与输出直流电流平均值，ｄ的关系　

为：　

，ｄ＝　

２．３４×［ｓ・Ｅ２ｏ一（１一Ｄ）・Ｅ２Ｂ・ｃｏｓＢ　ｉｎ］　

瑚。＋ＲＬｌ　（　）、竹　，　

３　斩波串调系统的机械特性方程　

斩波串级调速系统由于换相重叠角的作用，　

其转子整流器有两个工作区，不同工作区的系统　

机械特性不同，下面分别进行讨论。　

３．１斩波串级调速系统第一工作区机械特性方　

程　

系统的转差功率可以用转子整流器的直流输　

出电压和电流的乘积来表示…：　

，ｄ：（２．３４　加一　・，ｄ）　

（９）　

将式（９）写成机械功率的形式为：　・　ｓ＝Ｐ　。　

与式（９）联立，解得电磁转矩　的表达式如下：　

＝　３４　・，ｄ），ｄ（１０）　

把前述，ｄ表达式代入式（１０），得到机械特性方　

程：　

：　．．０）１０（１１）一　，　＼　０　，　＼　，　ｔＯ１・　：　…　

其中：　

Ｅ２Ｂ・（１一Ｄ）。ｃｏ　ｉ　。　———　一　

Ｒｓｏｘ＝３　ＸＤ　。＋２Ｒｏ＋ＲＬＩ＋（１一。）　・　

ｆ　３一ＸＴ＋２Ｒ

＂ｒｒ　＋　Ｌ２１／　、　‘　＝　…２　＋（１＿Ｄ）　・　

ｆ　３一ＸＴ＋２Ｒ

１１＂　＋　／１　、　‘　

对式（１１）求导，令鲁＝０，可以得到与串级调速　

系统的理想最大转矩对应的转差率ｓ一：２ｓ－。＋　

Ｐ，其中：　

２ＲＤ＋ＲＬＩ＋（１一。）　’（３　ＸＴ＋２Ｒ　＋　ｋ）　

ｐ一一。三　

（１３）　

将Ｓｍａｘ代入式（１１），可以得到串调系统最大理想　

转矩：　

＝　）　

该理想最大转矩并不是第一工作区内的实际最大　

转矩，因为在整个工作区内不可能达到理想最大　

转矩对应的电流值。实际最大工作转矩是在第　

一、二工作区交界处，用，ｄ。　表示此时的电流，根　

据换相重叠公式计算，取　＝６０。，则有：　

，ｄｌｍ＝　（１５）　

将式（１５）代人式（１０）得到第一工作区的实际最　

大工作转矩为：　

＝　，　

与之相对应的转差率为：　

Ｓ１　：　（１７）　—＿　—　ｌ，　

以上为斩波串级调速系统第一工作区内的机械特　

性方程，在实际计算中，本文使用了该方程的变换　

形式，将式（１１）表示的转矩与最大理想转矩比较　

得到　：　，然后，分子分　』ｅｍⅡ１Ｔ・　

母同时除以（　）　，得到机械特性的简单解析形　

（１２）　式为：　‘　

Ｔ—ｅ：————　－——一（１８）　

ｍ“　二　＋　二　＋２　Ｓｍａｘ一￥１０　Ｓ—Ｓｌ０　变换后的形式与异步电动机在其自然接线方式下　

一

２７～