工频同步电机传动系统主回路及其电流调节算法研究

D0I:10.13374/i.issm1001053x.2005.02.061 第27卷第2期 北京科技大学学报 Vol.27 No.2 2005年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2005 工频同步电机传动系统主回路 及其电流调节算法研究 解仑”鲁亿方)薛为民)王志良”孙一康” 1)北京科技大学信息学院，北京1000832)北京联合大学自动化学院，北京100083 摘要描述了工频同步电机传动控制系统主回路的结构及其整流变压器、吸收电路的参 数计算，对其电流控制算法及谐波抑制策略进行了分析.研究了工频同步电机传动控制系统 在亚同步、同步以及超同步速度时，突加负载的电流响应特性.结果表明，工频同步电机传动 控制系统的性能可以达到与直流电机控制系统相当并且具有同步电动机特性的结论， 关键词工频同步化电机：矢量控制算法；主回路；电流响应特性 分类号TM344.4 采用工频同步化电动机传动控制系统不仅 路采用循环变流器，三相输出的循环变流器是由 可以满足风机、泵类负载和线、棒材轧机类负载 独立的三套输出电压彼此互差120°的单相输出 调速要求，而且还具有以下优势：整套电动机机 循环变流器所组成.在这种装置中工作的晶闸管 组的机械轴细而长，转动惯量变得很小，动态响 的关断是通过电源交流电压的自然换相来实现 应大幅度提高：采用该类电机传动控制系统，就 的，当其输出端为感性负载时，一个周期之内可 可以根据变频器的电压等级来设计变频侧绕线 以分为六个阶段.第一阶段：>0，i6<0,循环变流 式感应电动机定子绕组，从而避免采用中压变频 器工作在第二象限，反组逆变.第二阶段：电流过 器：而且其变频器容量仅是电机的滑差功率，控 零区，为无环流“死时”，第三阶段：>0,6>0，循 制系统成本非常低廉；节电效果显著，如俄罗斯 环变流器工作在第一象限，正组整流.第四阶段： 某电厂年单台1000kW电机节电160万度：没有 <0,60,循环变流器工作在第四象限，正组逆 滑环和碳刷，维修简单、易行，适用于易燃、易爆 变.第五阶段：电流过零区，为无环流“死时”.第 和严禁停机等工况；可以在额定转速的70%~ 六阶段：<0，i6<0,循环变流器工作在第三象限， 130%范围内连续调节：在同步转速、突加负载情 反组整流.如果输出电压与输出电流之间的相位 况下快速响应并稳定下来，具有同步电动机的特 差<90°，则能量就从电网流向负载；如果p>90°， 性：谐波含量少，有利于净化电网；功率因数很高 则能量就从负载流向电网，因此，三相六脉波循 甚至可以达到1（超前、滞后可连续调节），可实现 环变流器的主回路存在两种联结方式：公共交流 交流励磁调节，进行变速恒频发电、吸收负荷冲 母线进线方式和输出联结方式，如图1所示. 击以及无功功率的调节，这对于风力发电、水力 从图1(a)可以看出，公共交流母线进线方式 发电、船舶发电及航空发电都是非常重要的2引. 的三套单相输出循环变流器的电源进线通过进 线电抗器接在50Hz公共母线上，但是三个输出 1主回路的分析 端必须相互隔离：而从图1b)可以看出，输出Y 联结时，循环变流器的中点不与电动机绕组的中 本文所研究的工频同步电机传动系统主回 点相联结，此种联结方式适用于大容量传动控制 收稿日期：2004-07-10修回日期：2004-10-10 之中.而输出Y联结方式六脉波循环变流器所采 基金项目：北京市科委及国家自然科学基金资助项目No 69975002) 用的整流变压器，国内很多专家、学者以及工程 作者简介：解仑(1968一，男，副教授，博士 技术人员一般都采用三套独立的整流变压器.而

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 、 工频同步 电机传动系统主 回 路 及其 电流调 节算法研究 解 仑 ” 鲁亿 方 ‘， 薛为 民 ， 王 志 良 ‘， 孙 一康 ‘ ， 北 京科技大 学信 息学 院 ， 北 京 北 京联 合 大 学 自动 化 学 院 ， 北 京 摘 要 描 述 了工 频 同步 电机传 动 控制 系统 主 回路 的结 构 及 其整 流 变压 器 、 吸 收 电路 的参 数 计 算 ， 对 其 电流 控制 算法及 谐波 抑 制策 略进 行 了分析 研 究 了 工 频 同步 电机传 动 控 制 系统 在 亚 同步 、 同步 以及 超 同 步 速 度 时 ， 突加 负载 的 电流 响应 特 性 结 果表 明 ， 工 频 同步 电机 传 动 控 制 系 统 的性 能 可 以达到 与直流 电机控制 系 统 相 当 并且具 有 同步 电动 机特 性 的 结论 关键 词 工 频 同步 化 电机 矢 量 控制 算法 主 回路 电流 响应特性 分 类号 采 用 工 频 同 步 化 电动 机 传 动 控 制 系 统 不 仅 可 以满 足 风 机 、 泵 类 负 载 和 线 、 棒 材 轧 机 类 负载 调速 要 求 ， 而 且还 具 有 以下 优 势 整 套 电动 机 机 组 的机 械 轴 细 而 长 ， 转 动 惯 量 变 得 很 小 ， 动 态 响 应 大 幅度 提 高 采 用 该类 电机 传 动 控 制 系 统 ， 就 可 以根 据 变 频 器 的 电压 等 级 来 设 计 变 频 侧 绕 线 式感 应 电动 机 定子绕 组 ， 从而 避 免采 用 中压变 频 器 而 且 其变 频器 容 量 仅 是 电机 的滑 差 功 率 ， 控 制 系 统 成 本 非 常低 廉 节 电效 果 显 著 ， 如 俄 罗 斯 某 电厂 年 单 台 电机 节 电 万 度’ 没有 滑 环 和 碳刷 ， 维 修 简单 、 易行 ， 适 用 于 易燃 、 易爆 和 严 禁 停 机 等 工 况 可 以在 额 定 转 速 的 一 范 围 内连 续调 节 在 同步转 速 、 突 加 负载 情 况 下 快速 响应 并稳 定下 来 ， 具有 同步 电动 机 的特 性 谐 波 含 量 少 ， 有 利 于净 化 电 网 功率 因 数 很 高 甚 至 可 以达 到 超 前 、 滞 后 可连 续调 节 ， 可 实现 交 流 励 磁 调 节 ， 进 行 变 速 恒 频 发 电 、 吸 收 负荷 冲 击 以及 无 功 功 率 的调 节 ， 这 对 于 风 力 发 电 、 水 力 发 电 、 船 舶 发 电及 航 空 发 电都 是 非 常重 要 的口 ， ” 主 回 路 的 分 析 本 文 所 研 究 的 工 频 同步 电机 传 动 系 统 主 回 收 稿 日期 一 一 修 回 日期 今 一 基 金 项 目 北 京市科委及 国 家 自然 科 学基 金 资 助 项 目 困 作者 简介 解 仑 一 ， 男 ， 副 教授 ， 博 士 路 采用 循 环 变 流 器 ， 三 相输 出的循 环 变流 器 是 由 独 立 的 三 套 输 出 电压 彼 此 互 差 的单 相 输 出 循 环 变流 器 所 组 成 在 这种 装 置 中工 作 的 晶 闸管 的 关 断 是 通 过 电源 交 流 电压 的 自然 换 相 来 实现 的 ， 当其 输 出端 为感 性 负载 时 ， 一 个 周 期 之 内可 以分 为六 个 阶 段 第 一 阶 段 ， ， 循 环 变 流 器 工 作 在 第 二象 限 ， 反组逆 变 第 二 阶 段 电流 过 零 区 ， 为无 环 流 “ 死 时 ” 第 三 阶段 ， ， 循 环 变流 器 工 作在 第 一 象 限 ， 正 组整 流 ， 第 四阶段 ， ， 循 环 变流 器 工 作 在 第 四象 限 ， 正 组 逆 变 第 五 阶 段 电流 过 零 区 ， 为无 环 流 “ 死 时 ” 第 六 阶 段 ， ， 循 环 变 流 器 工 作 在 第 三 象 限 ， 反组整 流 如 果输 出 电压 与输 出 电流 之 间 的相 位 差 沪 “ ， 则 能量 就 从 电 网 流 向负载 如 果 切 。 ， 则 能量 就 从 负 载 流 向 电 网 因此 ， 三 相 六 脉 波 循 环 变流 器 的主 回路存 在 两种 联 结 方 式 公共 交 流 母 线 进 线 方 式 和 输 出联 结 方 式 ， 如 图 所 示 从 图 可 以看 出 ， 公共 交 流 母 线 进 线 方 式 的三 套 单 相 输 出循 环 变 流 器 的 电源 进 线通 过 进 线 电抗 器 接 在 公共 母 线 上 ， 但 是 三 个 输 出 端 必 须 相 互 隔 离 而 从 图 可 以看 出 ， 输 出 联 结 时 ， 循环 变流 器 的 中点不 与 电动 机 绕 组 的 中 点相 联 结 ， 此 种 联 结方 式适用 于大 容量 传动 控 制 之 中 而 输 出 联 结 方 式六 脉 波循 环变 流 器 所采 用 的整 流 变 压 器 ， 国 内很 多 专 家 、 学者 以及 工程 技 术人 员 一般 都采用 三 套独 立 的整 流 变压 器 而 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2005．02．061

254 北京科技大学学报 2005年第2期 以 本孕药本 (a)单相输出 (b)Y联结输出 图1三相输出循环变流器 Fig.1 Three-phase cyelo-converters 国外许多公司都采用阻抗裂解式整流变压器，其 与整流变压器的铁芯连通，这在变压器制造时就 特点为：为多相整流电源或循环变流器配套供电 己经考虑到了.在整流变压器二次侧绕组的引出 的整流变压器采用阻抗裂解式多绕组整流变压 端与外壳之间加电容器.此电容器应当是高频无 器具有低成本、高效率、占地面积小以及土建费 感，并且引线一定足够短，保持在0.5m以内，其 用低等特点；一台双裂解全容量三绕组整流变压 数值为整流变压器一次侧绕组与二次侧绕组耦 器与两台半容量双绕组整流变压器在使用性能 和电容C2的20倍以上. 方面完全一样.一台三裂解全容量四绕组整流变 大功率变流装置中所采用的整流变压器几 压器与三台1/3容量双绕组整流变压器在使用性 乎都为三相变压器，而单相变压器当其切断电源 能方面完全一样.应用一台全容量双裂解三绕组 的瞬间，磁通值可能是从零到中m之间的任何值， 整流变压器取代两台半容量双绕组整流变压器 所储存的磁能是随机值，这时只能够按照可能出 时，其损耗（铜损以及铁损）可以减少16%，价格可 现的最大储能来考虑吸收磁能的阻容装置.而考 以减少16%，占地面积可以减少40%，土建施工以 虑三相整流变压器按照三台单相整流变压器接 及安装费用可以减少：应用一台三裂解全容量四 成三组是很不经济的，因为一台三相整流变压器 绕组整流变压器来取代三台1/3容量的双绕组 三个铁芯里的磁能总和在任何时候都为一个常 整流变压器时，其损耗（铜损以及铁损）可以减少 数.例如当一个铁芯柱里的磁通为最大值中时， 24%,价格可以减少24%，占地面积可以减少 另外两个铁芯柱的磁通只有中2：而当一个铁芯 60%,土建施工以及安装费用可以减少.阻抗裂 柱里的磁通为0时，另外两个铁芯柱里的磁通都 解式整流变压器的计算可参见文献「4]. 为√3φ/2.这样，最后所计算出的三个铁芯柱里 大功率变流装置阻抗裂解式整流变压器的 的磁能总和两者完全一样.将吸收装置通过二极 容量一般都比较大（可高达数千千伏安），往往使 管三相桥电路接成一个整组阻容吸收是很经济 整流变压器一次侧电压很高（可高达数十千伏）， 的，因为借此可以在达到同样过电压比的条件 而二次侧电压比较低，一般在1000V以下阿，这 下，节省一般数量的电容器.以下为按照这两种 样在一次侧绕组与二次侧绕组之间，二次侧绕组 极限情况所计算出来的整流变压器储能的具体 与铁芯之间都存在着比较大的寄生电容，例如3 数值：当整流变压器一个铁芯柱为最大磁通中。 300kV·A整流变压器的耦和电容可以达到0.01 时，另外两个铁芯柱的磁通为p2.此时磁通从0 .当整流变压器一次侧绕组和电源电压接通的 增加到最大只需1/4周波，即1/200s,磁通从0增 一瞬间，通过耦和电容回路，使得此耦和电容充 加到最大磁通的一半中/2，仅需要1/600s,由此可 电而引起位移电荷，这样将使得整流变压器二次 知整流变压器的总储能为： 侧绕组上带有很高的电压，有时甚至达到高压供 电电网电压峰值的一半，这个电压对于晶闸管的 形.=流uid+2-id山=3弘= 20200元 (1) 威胁很大，甚至可以大量地损坏晶闸管元件，对 式中，E为整流变压器相电压的有效值，。为整流 于3000V以下的晶闸管来说，过电压可以采用 变压器空载电流（激磁电流），P=3EL为整流变 以下的措施进行抑制：在整流变压器的一次侧绕 压器总激磁视在功率，当整流变压器的一个铁芯 组、二次侧绕组之间加上屏蔽层，并且将屏蔽层 柱磁通为零，另外两个铁芯柱磁通为√3φ/2时

一 北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 幸本 罕不 幸罕本奉 阶 分犬 某今 罕不 夕 八 单相 输 出 联结输 出 图 三 相 输 出循环 变流 器 · 一 一 国外许 多公 司 都 采用 阻抗 裂解 式整流变 压 器 ， 其 特 点 为 为 多相 整 流 电源 或 循 环 变流器 配 套 供 电 的整 流 变 压 器 采 用 阻 抗 裂 解 式 多绕 组 整 流 变 压 器 具 有 低 成 本 、 高效 率 、 占地 面 积 小 以及 土 建 费 用 低 等特 点 一 台双裂解 全 容 量 三 绕 组 整 流 变压 器 与 两 台半 容 量 双 绕 组 整 流 变 压 器 在 使 用 性 能 方 面 完全 一 样 一 台三 裂 解 全 容量 四绕 组 整流 变 压 器 与三 台 容 量 双 绕 组 整 流变压 器 在 使 用 性 能方 面完 全 一样 应用 一 台全容量 双 裂 解 三 绕 组 整 流 变 压 器 取 代 两 台半 容 量 双 绕 组 整 流 变 压 器 时 ， 其损 耗 铜 损 以及 铁 损 可 以减 少 ， 价格 可 以减 少 ， 占地 面 积 可 以减 少 ， 土建 施 工 以 及 安装 费用 可 以减 少 应 用 一 台三 裂 解 全 容量 四 绕 组 整 流 变 压 器 来 取 代 三 台 容 量 的 双 绕 组 整 流 变 压 器 时 ， 其 损 耗 铜 损 以及 铁 损 可 以减 少 ， 价 格 可 以减 少 ， 占地 面 积 可 以减 少 ， 土 建 施 工 以及 安 装 费用 可 以减 少 阻抗 裂 解 式 整 流 变 压 器 的计 算 可 参 见 文 献 砰〕 大 功 率 变 流 装 置 阻 抗 裂 解 式 整 流 变 压 器 的 容量 一 般 都 比较 大 可 高达 数 千 千 伏 安 ， 往 往 使 整 流 变 压 器 一 次侧 电压 很 高 可 高达 数 十 千 伏 ， 而 二 次侧 电压 比较低 ， 一 般 在 以下 「， 这 样 在 一 次侧 绕 组 与 二 次侧 绕 组 之 间 ， 二 次侧 绕 组 与铁 芯 之 间都存 在着 比 较 大 的 寄 生 电容 ， 例 如 · 整 流 变 压 器 的藕 和 电容 可 以达 到 叮 当整流 变压 器 一 次侧绕 组和 电源 电压接 通 的 一 瞬 间 ， 通 过 藕 和 电容 回路 ， 使 得 此 祸 和 电容 充 电而 引起 位 移 电荷 ， 这 样将使 得整 流变 压器 二 次 侧 绕 组 上 带有 很 高 的 电压 ， 有 时甚至 达 到 高压 供 电 电网 电压 峰值 的一 半 这 个 电压对 于 晶 闸管 的 威 胁 很 大 ， 甚 至 可 以大 量 地 损坏 晶 闸管元 件 对 于 以下 的 晶 闸管来 说 ， 过 电压 可 以采 用 以下 的措 施进行 抑 制 在整 流变 压器 的一 次侧 绕 组 、 二 次 侧 绕 组 之 间加 上 屏 蔽层 ， 并且 将 屏 蔽 层 与整 流变压 器 的铁 芯连通 ， 这 在变 压 器制 造 时 就 已 经考虑 到 了 在 整 流变 压 器 二 次侧 绕 组 的 引 出 端 与 外 壳之 间加 电容器 此 电容 器应 当是 高频 无 感 ， 并 且 引线 一 定 足 够 短 ， 保 持 在 以 内 ， 其 数 值 为 整 流 变 压 器 一 次 侧 绕 组 与 二 次 侧 绕 组 藕 和 电容 的 倍 以上 大 功 率 变 流 装 置 中所 采 用 的 整 流 变 压 器 几 乎 都 为三 相 变 压 器 ， 而 单 相 变 压 器 当其 切 断 电源 的瞬 间 ， 磁 通 值 可 能 是从 零 到价 。 之 间 的任 何 值 ， 所 储 存 的磁 能是 随机 值 ， 这 时只 能够 按 照 可 能 出 现 的最 大储 能来 考 虑 吸 收磁 能 的 阻容 装 置 而 考 虑 三 相 整 流 变 压 器 按 照 三 台单 相 整 流 变 压 器 接 成三 组 是 很 不 经 济 的 ， 因为 一 台三 相 整 流 变压 器 三 个 铁 芯 里 的磁 能 总 和 在 任 何 时 候 都 为 一 个 常 数 伟， 例 如 当一 个 铁 芯柱 里 的磁 通 为最 大 值沪 。 时 ， 另 外 两 个 铁 芯 柱 的磁 通 只 有必 而 当一 个 铁 芯 柱 里 的磁 通 为 时 ， 另 外 两 个 铁 芯 柱 里 的磁 通 都 为习污功 这 样 ， 最 后 所 计 算 出 的三 个 铁 芯 柱 里 的磁 能总和 两 者 完 全 一 样 将吸 收装 置 通 过 二 极 管 三 相 桥 电路 接 成 一 个 整 组 阻 容 吸 收 是 很 经 济 的 ， 因 为 借 此 可 以在 达 到 同样 过 电压 比 的条 件 下 ， 节 省 一 般 数 量 的 电容 器 以下 为按 照 这 两 种 极 限 情 况 所 计 算 出来 的整 流 变 压 器 储 能 的具 体 数 值 当整 流 变压 器 一 个铁 芯 柱 为最 大 磁 通么 时 ， 另 外 两 个 铁 芯 柱 的磁 通 为沪 此 时磁 通 从 增 加 到 最 大 只 需 周 波 ， 即 ， 磁 通 从 。 增 加 到最 大磁 通 的一 半砂虑 ， 仅 需 要 ， 由此可 知 整 流 变 压 器 的总 储 能 为 二 一 护 “ · ， 护 。 · ， 旦旦 压 生 兀 式 中 ， 为整 流 变 压 器 相 电压 的有 效 值 ， 为整 流 变压 器 空 载 电流 激 磁 电流 尸外 为整 流 变 压 器 总激 磁 视 在 功 率 当整流变 压 器 的一 个铁 芯 柱 磁 通 为零 ， 另 外 两 个 铁 芯柱 磁 通 为 、 孙 。 时

Vol.27 No.2 解仑等：工频同步电机传动系统主回路及其电流调节算法 ·255· 磁通从零增加到√/3中/2所需时间为1/300s,由此 时，实现晶闸管正、反组桥之间的可靠关断和导 可以计算出整流变压器的总储能为： 通.电流断续补偿器（①B):对于相同的触发器控 形-2id=3匹= (2) 制电压，要使得电流连续与电流断续时六脉波循 2w200π 通过比较式(1)和式(2)可以看出所得到的结 环变流器主回路输出相电压相同，就要在电流断 果是一致的.当总储存磁能在切断电源时为电容 续时，根据其不同的具体情况进行补偿，触发控 器所吸收时，则电容器储能为： 制器：考虑到六脉波循环变流器电流断续时的非 =Cg-2E9=取. 3) 线性情况，采用锯齿波函数发生器，利用与电网 电压同频率的锯齿波函数同给定电压相比较，在 当为三相整流变压器时： 交点处为触发时刻，则触发角与正弦输出相对 队=号cg-2B网城 (4) 应.应用交流偏置技术，就可以抵消掉其中的三 其中，为可能的最大储能时电压峰值，令V= 次谐波，使循环变流器输出电流有效值提高 K√2E,可以得到三相时吸收电容的计算公式： 15%.同时由于触发角大部分时间内多工作在移 PVA C=200K兰元E*104F () 相角比较小的区域，其输入功率因数就比较高， 非常有益于电网的运行.相电流控制器：由于六 2电流环控制算法 脉波循环变流器的输出电流随时间正弦变化，电 流调节始终处于动态（总存在跟踪误差），相电流 工频同步电机传动系统主回路采用三相六 控制器仅负责动态调节（为比例调节器），而静态 脉波循环变流器，其电流控制算法的结构如图2， 调节则采用积分控制.电压前馈：为了减小相电 由图2可以看出，三相六脉波循环变流器的 流控制器的负担，使其不产生输出电压的任务， 电流环控制算法主要包括：无环流逻辑切换单元 仅起动态校正误差的作用，并计算出在同步旋转 (WIJ),电流断续补偿器DB),触发控制器(CF), 坐标系下的电压给定值，经旋转变化以后变换为 电压前馈单元(DYQK),相电流控制器(X江T).其 交流量与相电流调节器输出综合作为相控触发 中无环流逻辑切换单元WLJ):通过两级时间延 器的控制电压， WLD 380V FX 全判断检测信号 逻辑 WLG 判断 电流 WLD ⊕ DB 图2相电流环控制算法框图 Fig.2 Current control algorithm of a certain phase 3实验结果及分析 速度突加负载时，由工频侧定子提供激磁，为了 达到放出力矩电流以及减小激磁电流的目的，电 本文所研究的工频同步电机样机，定子电压 压幅值减小，相位与电流矢量相反，工频侧定子 380V,定子电流9.2A:转子电压220V,转子电流 磁链降低约61%”.在亚同步速度突加负载时，从 10.2A,额定转速m。=500rmin,在同步速度(500/ 上面的波形曲线可以看出，电流超调大约36%. min)时突加负载，以及亚同步速度(400rmin)时 此时为了放出力矩电流以及减小激磁电流，变频 突加负载A相电流实际值与电压给定值的波形， 侧定子电压幅值应当增大，相位与电流矢量相 由图3和图4中波形曲线可以看出，在同步 同.其动态速降小于33r,恢复时间小于680s

心 一 解仑 等 工 频 同 步 电机 传 动 系统 主 回 路 及 其 电流 调 节算法 一 磁 通 从 零 增 加 到 孙 所 需 时 间为 ， 由此 可 以计 算 出整 流 变 压 器 的总储 能 为 。 ， 。 瑞 」 乙 班 二 · 二 二岑土生 公女弃 、 ‘ ” ’ ’ 兀 、 一 通 过 比较 式 和 式 可 以看 出所 得 到 的 结 果是 一致 的 当总储存磁 能在 切 断 电源 时为 电容 器 所 吸 收 时 ， 则 电容器 储 能 为 、 一 合 嵘 一 ，一 礁 夔流 变 压 器 时 、 一 合 二 一 卜 赢 其 中 ， 。 为 可 能 的最 大 储 能 时 电压 峰值 ， 令 珠 犬丫乏万 ， 可 以得 到三 相 时 吸 收 电容 的计 算 公 式 。 八 、 ， 二 一 夏下 万下 不二犷一 二厂厂 井万 入 几 乙 气 一 兀乙 电流环 控 制 算 法 工 频 同 步 电机 传 动 系 统 主 回路 采 用 三 相 六 脉波循 环 变 流器 ， 其 电流控 制 算法 的结构如 图 由图 可 以看 出 ， 三 相 六 脉 波 循 环 变流 器 的 电流 环控 制 算法 主要 包 括 无环 流逻辑切 换 单 元 ， 电流 断续补 偿 器 ， 触 发 控 制器 ， 电压 前 馈 单 元 ， 相 电流 控 制 器 其 中无 环 流 逻 辑 切 换 单元 通过 两 级 时 间延 时 ， 实现 晶 闸管 正 、 反 组 桥之 间 的可 靠 关 断和 导 通 ， 电流 断 续 补 偿 器 对 于 相 同 的触 发 器 控 制 电压 ， 要使得 电流连 续与 电流 断续 时六 脉波 循 环 变流器 主 回路 输 出相 电压 相 同 ， 就 要 在 电流 断 续 时 ， 根 据 其 不 同 的具 体 情 况进 行 补 偿 触 发 控 制器 考 虑 到六脉 波 循 环 变 流 器 电流 断续 时 的非 线 性情 况 ， 采用 锯 齿 波 函 数 发 生器 ， 利 用 与 电网 电压 同频 率 的锯 齿 波 函数 同给 定 电压 相 比较 ， 在 交 点 处 为触 发 时刻 ， 则 触 发 角 与 正 弦 输 出相 对 应 应 用 交 流 偏 置 技 术 ， 就 可 以抵 消 掉其 中的三 次 谐 波 ， 使 循 环 变 流 器 输 出 电 流 有 效 值 提 高 同 时 由于 触 发 角大 部分 时 间 内多 工 作 在 移 相 角 比 较 小 的 区 域 ， 其 输 入 功 率 因数 就 比 较 高 ， 非 常 有 益 于 电 网 的运 行 相 电流 控 制器 由于六 脉 波循 环 变流器 的输 出 电流 随 时 间正 弦变 化 ， 电 流 调 节 始 终 处 于 动 态 总 存 在跟 踪 误 差 ， 相 电流 控 制 器 仅 负 责动 态 调 节 为 比例 调 节器 ， 而 静态 调 节 则 采 用 积 分 控 制 电压 前 馈 为 了减 小相 电 流控 制 器 的 负担 ， 使其 不 产 生 输 出 电压 的任 务 ， 仅起 动 态校 正 误 差 的作用 ， 并计 算 出在 同步旋 转 坐 标系 下 的 电压 给 定值 ， 经旋 转变化 以后变换 为 交 流 量 与 相 电流 调 节 器 输 出综 合 作 为 相 控 触 发 器 的控 制 电压 全判断检测信号 一 水十 匕二 一 匕 汁川 注珠 一 几座 卜 图 相 电流环控 制算 法 框 图 实验 结 果 及 分 析 本 文 所 研 究 的工频 同步 电机样 机 ， 定子 电压 ， 定子 电流 转 子 电压 ， 转 子 电流 ， 额 定转速 。 ， 在 同步 速 度 时突 加 负载 ， 以及 亚 同步速 度 八 时 突 加 负载 相 电流 实 际值 与 电压给 定值 的波 形 由图 和 图 中波 形 曲线 可 以看 出 ， 在 同步 速度 突 加 负载 时 ， 由工 频 侧 定 子提 供激 磁 ， 为 了 达 到放 出力矩 电流 以及 减 小激磁 电流 的 目的 ， 电 压 幅值 减 小 ， 相位 与 电流 矢 量相 反 ， 工 频 侧 定 子 磁链 降低 约 在 亚 同步速度 突加 负载 时 ， 从 上 面 的波 形 曲线 可 以看 出 ， 电流 超 调 大 约 此 时为 了 放 出力矩 电流 以及 减 小激 磁 电流 ， 变频 侧 定 子 电压 幅值 应 当增 大 ， 相 位 与 电流 矢 量 相 同 其 动 态 速 降小 于 ， 恢 复 时 间小 于

·256 北京科技大学学报 2005年第2期 4结论 在分析工频同步电机传动控制系统主何路 的结构、参数及其电流控制算法的基础上，进行 了数十种印制电路板的设计、调试及系统联调， 研制出该类电机矢量控制系统样机.分析了其典 型工况下的实验结果，得出其性能可以达到与直 流电机控制系统相当的结论并且具有同步电动 图3同步点突加负载时相电流响应和电压给定 机的特性.该研究为工频同步化电动机进一步应 Fig.3 Phase current response and voltage set point value at syn- 用于风力、水力变速恒频发电等领域，奠定了一 chronized point 定的理论和实践基础， 参考文献 [1]Lipo T A,Musuten F.Dual stator winding induction machine drive.IEEE Trans Ind Appl,2000,36(5):1369 恤 2]马小亮，大功率风机，泵节能调速发展方向的探讨.电气 传动，1999,181)：3 [3]Kusko A,Nakano T,Terens L,et al.Speed control of a single-fra- me cascade induction motor with slip power pump back.IEEE 图4亚同步点突加负载时相电流响应和电压给定 Trans Ind Appl,1978,14(2):97 Fig.4 Phase current response and voltage set point value at sub- [4灯解仑，王志良，董平，等，级联式无刷双馈感应电机稳定 synchronized point 性及其挖制系统的研究.电工技术学报，2003,18(4)：17 (5]Xu L,Wang Z.Y.Transient model of a doubly-fed reluctance mo tor.IEEE Trans Energy Convers,1991,6(1):126 力矩电流分量比亚同步速度时降低了大约30%， [高爱德，王样珩，朱东启，等.交流电机的多回路理论.清 工频侧定子磁链减小了大约6.1%m.此动态过程 华大学学报，1987,27(1)：1 比较平缓.因此可以看出，以工频侧定子磁链定 [刀解仑，鲁亿方，王志良，等.交流励磁工频同步电机传动 向的工颊同步电机矢量控制系统具有很好的鲁 系统仿真及研制.北京科技大学学报，2004,26(1)：106 棒性。 Main circuit and its current control algorithm of a line-frequency synchronous in- duction motor drive system XIE Lun,LU Yifang,XUE Weimin,WANG Zhiliang",SUN Yikang 1)Information Engineering School,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)School of Automation,Beijing Union University,Beijing 100083,China ABSTRACT The key structure of main circuit of a line-frequency synchronous induction motor drive system and its snubber parameters were described.The harmonic wave assimilation algorithm and current control strategy for this system based on flux orientation vector computation were analyzed.The system's current response performance under the typical industrial application condition was studied.It is concluded that the line-frequency synchronous induction motor drive system has excellent current response performance and some similar characteristics compared with the standard synchronous motor. KEY WORDS line-frequency synchronous induction motor;main circuit;flux orientation vector computation strategy;current response performance

一 北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 图 同步 点突 加 负 载时 相 电流响 应 和 电压 给 定 蛇 图 亚 同步点突加 负载时相 电流 响 应和 电压 给定 ， · 力矩 电流 分 量 比亚 同步速度 时 降低 了大约 ， 工 频 侧 定 子 磁链减 小 了大 约 ‘” 此 动 态 过程 比较 平 缓 因此 可 以看 出 ， 以工 频 侧定 子 磁 链 定 向 的工 频 同步 电机 矢 量 控 制 系 统 具 有 很 好 的鲁 棒 性 结论 在 分 析 工 频 同步 电机 传动 控 制 系统 主 回 路 的结 构 、 参 数 及 其 电流 控 制 算 法 的基 础 上 ， 进 行 了 数 十 种 印制 电路 板 的设 计 、 调试及 系 统 联 调 ， 研制 出该类 电机 矢 量控 制 系 统样 机 分 析 了其 典 型 工况 下 的实验 结 果 ， 得 出其性 能可 以达 到 与直 流 电机 控制 系 统 相 当 的 结 论 并 且 具 有 同步 电动 机 的特 性 该研 究为工 频 同步化 电动机进一 步 应 用 于 风 力 、 水 力 变速 恒 频 发 电等 领 域 ， 奠 定 了一 定 的理 论 和 实 践 基 础 参 考 文 献 汇 ， 欲 呢 升 ， ， 」马 小亮 大 功率 风机 、 泵节 能 调速发展方 向的探 讨 电气 传 动 ， ， ， ， ， 时 一 竹 ， ， 解仑 ， 王 志 良 ， 董 平 ， 等 级 联式无 刷双馈感 应 电机稳 定 性及 其 控制 系统 的研 究 电工 技 术 学报 ， ， ， 硒旬 一 · 竹 邵 ， ， 高景德 ， 王 祥 晰 ， 朱东启 ， 等 交流 电机 的多 回路理 论 清 华大 学学报 ， ， 解仑 ， 鲁亿方 ， 王 志 良 ， 等 交流励磁工频 同 步 电机传动 系统仿真及研制 北京科技 大 学学 报 ， ， 一 刀石 咖 ，礼 抓心礼丫口万 确 气删刃召 ， 梦 ， 幻 ， ， 该 ， 」 ， 劝 ， 启 ￡ 一 邓 ， 」 丈〕 ， 一 ℃ 爪 们 加 盯 一