斬波串級調(diào)速系統(tǒng)暫態(tài)過程分析及控制與保護(hù)研究.pdf

1、定子側(cè)變頻調(diào)速和轉(zhuǎn)子側(cè)串級調(diào)速均屬于現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)，變頻調(diào)速從電機(jī)定子側(cè)接入，電機(jī)輸出的功率需要全部流過變頻器，稱為全功率控制;由于高壓大功率電機(jī)的電流或電壓很高，所以需要很好的解決電力電子元件并聯(lián)技術(shù)或串聯(lián)技術(shù)。串級調(diào)速設(shè)備從電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)接入，其控制的功率為電機(jī)轉(zhuǎn)差功率，最大僅為電機(jī)額定功率的14.815％，電機(jī)在50％額定轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)子電壓僅為轉(zhuǎn)子開路電壓的50％，并且隨著轉(zhuǎn)速的升高，轉(zhuǎn)子電壓降低，通常轉(zhuǎn)子電壓低于1kV，相比于變頻器

2、的6kV或10kV電壓等級，則屬于低壓范疇，設(shè)備費(fèi)用低廉，自身損耗小于電機(jī)額定功率的1％，對運(yùn)行環(huán)境要求較低，只需放置在普通廠房即可。斬波串級調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、安全穩(wěn)定、可靠性高，即使串級調(diào)速設(shè)備調(diào)速過程中出現(xiàn)故障，異步電機(jī)可以完全脫離斬波串級調(diào)速裝置轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)子短接全速運(yùn)行，因而，斬波串級調(diào)速系統(tǒng)在高壓大功率電機(jī)調(diào)速方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢。
　　目前對斬波串級調(diào)速系統(tǒng)的研究主要側(cè)重于原理性理論研究和仿真建模研究并與工程應(yīng)用結(jié)合很少。由

3、于缺乏系統(tǒng)性的靜態(tài)、動態(tài)和暫態(tài)特性研究，系統(tǒng)的設(shè)計、控制保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計缺乏基礎(chǔ)，造成長期以來斬波串級調(diào)速系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性、可靠性得不到保證。論文首次針對斬波串級調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)和暫態(tài)特性進(jìn)行了系統(tǒng)的深入研究和分析并給出結(jié)果，研究和設(shè)計了可靠地控制保護(hù)系統(tǒng)，結(jié)合工程實(shí)踐確認(rèn)了上述研究和設(shè)計結(jié)果的正確性，主要開展了以下研究工作:
　　1、系統(tǒng)全面的分析了斬波串級調(diào)速系統(tǒng)正常啟動和正常調(diào)速時的動態(tài)過程。由于繞線式異步電機(jī)啟動特性與轉(zhuǎn)子回路串接

4、電阻阻值有直接關(guān)系，根據(jù)簡化的電機(jī)機(jī)械特性公式，繪制出不同阻值對應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線;針對風(fēng)機(jī)、泵類平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，提出了較精確的繞線式異步電機(jī)啟動電阻阻值和電機(jī)啟動時間的計算方法。基于暫態(tài)分析，計算出了斬波串級調(diào)速主回路各主要電參數(shù)之間的輸入輸出關(guān)系，對電感電流和電容電壓的紋波特性進(jìn)行了分析和計算。
　　2、根據(jù)異步電機(jī)等效電路、參數(shù)折算以及斬波串級調(diào)速系統(tǒng)分析，建立了等效的直流電路;根據(jù)建立的等效直流電路建立了斬波串級調(diào)速系統(tǒng)

5、動態(tài)關(guān)系的雙輸入雙輸出三階變參數(shù)非線性微分方程組;根據(jù)狀態(tài)方程，建立系統(tǒng)的暫態(tài)特性結(jié)構(gòu)框圖。分析了負(fù)載擾動時斬波串級調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速和電流的動態(tài)變化過程及幅度和恢復(fù)時間等抗擾動性能，并進(jìn)行仿真驗證，對比了不同穩(wěn)定工況下負(fù)載擾動前后的動態(tài)變化峰值、恢復(fù)時間以及穩(wěn)定后的數(shù)據(jù);分析了輕載和過載工況時斬波串級調(diào)速系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)，以及對設(shè)備內(nèi)器件的影響。進(jìn)行了網(wǎng)壓跌落瞬間斬波串級調(diào)速系統(tǒng)的暫態(tài)分析，并提出了網(wǎng)壓跌落的應(yīng)對措施。
　　3、全面系統(tǒng)

6、分析了調(diào)速設(shè)備內(nèi)部多種電力電子器件不同故障時斬波串級調(diào)速的暫態(tài)特性。首先分析了整流橋故障，根據(jù)二極管燒斷的情況，分別分析了單管燒斷、同側(cè)兩只二極管燒斷以及不同側(cè)不同橋臂的兩只二極管燒斷的多種情況;分別分析了IGBT和逆阻二極管斷路和短路的故障情況和故障后的暫態(tài)波形，以及故障后對其他器件的影響;分析了斬波串級調(diào)速系統(tǒng)逆變橋內(nèi)晶閘管故障，單只晶閘管斷路和短路兩種故障下的暫態(tài)波形分析。針對高壓停電現(xiàn)象，分析了斬波串級調(diào)速系統(tǒng)的暫態(tài)過程，并進(jìn)行

7、了理論計算。
　　4、對斬波串級調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)關(guān)鍵器件快恢復(fù)二極管特性進(jìn)行深入分析，提出了一種新的快恢復(fù)二極管建模方法，建立了精確的數(shù)學(xué)模型。對IGBT器件基本結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行了全面分析，建立精確的IGBT開通關(guān)斷過程數(shù)學(xué)模型;建立的IGBT器件模型可以完全表征實(shí)際器件開關(guān)暫態(tài)時電壓、電流的動態(tài)變化過程以及器件的工作特性，并且能在一定程度上反映器件的開關(guān)特性對系統(tǒng)的影響。
　　5、分析了斬波串級調(diào)速系統(tǒng)與水阻啟動單元串聯(lián)和并聯(lián)

8、連接方式的優(yōu)缺點(diǎn);針對并聯(lián)方式和串聯(lián)方式分別設(shè)計了斬波串級調(diào)速系統(tǒng)的啟動控制邏輯。在串聯(lián)方式的基礎(chǔ)上設(shè)計了啟動直接進(jìn)調(diào)速的控制及故障控制邏輯，解決了斬波串級調(diào)速系統(tǒng)不能啟動直接進(jìn)調(diào)速的問題。基于暫態(tài)特性分析，首次提出了基于毫秒級分辨率合理的斬波串級調(diào)速系統(tǒng)的狀態(tài)投切控制邏輯，主要包括:全速轉(zhuǎn)調(diào)速控制邏輯、調(diào)速轉(zhuǎn)全速控制邏輯、調(diào)速停車控制邏輯，該邏輯經(jīng)試驗樣機(jī)波形測試，并得以工程應(yīng)用驗證了其正確性?；跀夭ù壵{(diào)速系統(tǒng)調(diào)速故障下的暫態(tài)特性

9、分析，提出毫秒級分辨的接觸器動作保護(hù)邏輯和快切保護(hù)邏輯。基于有源逆變器顛覆故障、高壓失電、瞬時停電和供電線路快切的暫態(tài)特性分析，提出了接觸器動作保護(hù)與電子保護(hù)相結(jié)合的保護(hù)方法，并給出了電子保護(hù)電路器件的選型依據(jù)。最后根據(jù)斬波串級調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)情況下的主回路動態(tài)特性與系統(tǒng)調(diào)速特性、機(jī)械特性建立其狀態(tài)平均方法下的微分方程，并推出了斬波串級調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速特性，在此基礎(chǔ)上應(yīng)用二階、三階工程最佳法，給出了斬波串級調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制以及控制器參數(shù)