基于MATLAB的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)諧波與功率因數(shù)特性及優(yōu)化策略研究一、引言1.1研究背景與意義在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用極為廣泛，其性能優(yōu)劣直接影響著生產(chǎn)效率和能源利用效率。串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)作為一種高效的調(diào)速方式，通過在繞線式電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路中串入可調(diào)節(jié)的附加電勢(shì)來(lái)改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速目的。對(duì)于風(fēng)機(jī)和泵類負(fù)載而言，串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)具備高效、可靠和成本低等顯著優(yōu)點(diǎn)，因而在冶金、紡織、化工、煤炭、造紙、建材及城市自來(lái)水等諸多工業(yè)部門得到了廣泛應(yīng)用。例如在火力發(fā)電廠中，風(fēng)機(jī)和水泵的拖動(dòng)電機(jī)是主要耗電設(shè)備，串級(jí)調(diào)速技術(shù)可有效提高其運(yùn)行效率，降低廠用電率。然而，傳統(tǒng)的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)存在一些亟待解決的問題。一方面，其功率因數(shù)較低。電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子繞組都會(huì)從電網(wǎng)中吸收無(wú)功功率，使得系統(tǒng)整體功率因數(shù)偏低。在高速滿載運(yùn)行時(shí)，總功率因數(shù)約為0.6，而在低速運(yùn)行時(shí)，總功率因數(shù)則更差。這不僅導(dǎo)致電能浪費(fèi)，還增加了電網(wǎng)的負(fù)擔(dān)，影響電網(wǎng)的供電質(zhì)量和穩(wěn)定性。另一方面，串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生較高含量的諧波。系統(tǒng)中的電力電子器件在工作過程中，其電流與電壓不呈線性關(guān)系，形成非正弦電流，從而產(chǎn)生諧波。這些諧波會(huì)對(duì)公用電網(wǎng)造成污染，使電網(wǎng)電壓發(fā)生畸變，影響其他電氣設(shè)備的正常運(yùn)行。例如，諧波可能導(dǎo)致變壓器發(fā)熱、電機(jī)振動(dòng)和噪聲增大、繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)作等問題。隨著工業(yè)自動(dòng)化程度的不斷提高和能源問題的日益突出，對(duì)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的性能要求也越來(lái)越高。解決串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的諧波和功率因數(shù)問題，對(duì)于提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率、降低能耗、減少對(duì)電網(wǎng)的污染以及促進(jìn)其在更多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用具有重要意義。通過深入研究串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的諧波產(chǎn)生機(jī)制和功率因數(shù)影響因素，利用仿真工具進(jìn)行分析和優(yōu)化，有助于提出有效的改進(jìn)措施和解決方案，推動(dòng)串級(jí)調(diào)速技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和完善，使其更好地服務(wù)于工業(yè)生產(chǎn)和社會(huì)發(fā)展。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀國(guó)外對(duì)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的研究起步較早，在理論分析和實(shí)踐應(yīng)用方面都取得了一定成果。JawadFaiz于2001年利用dq-abc混合模型對(duì)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)諧波進(jìn)行分析，明確指出傳統(tǒng)串級(jí)調(diào)速功率因數(shù)低的主要原因是逆變器會(huì)消耗大量無(wú)功功率。SeshagiriR.Doradla和Sudarshan也在同年提出，整流引起的轉(zhuǎn)子電流畸變，該畸變電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在定子回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流，不僅使該電流發(fā)生畸變，還會(huì)讓系統(tǒng)從電網(wǎng)吸收無(wú)功功率，其中逆變器消耗大量無(wú)功功率是串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)功率因數(shù)低的主要因素。針對(duì)這些問題，國(guó)外學(xué)者提出了多種改善串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)功率因數(shù)的措施，如在逆變器交流側(cè)接入無(wú)功補(bǔ)償裝置，在逆變和整流電路中使用全控器件強(qiáng)迫換相，在三相四線制方案中通過調(diào)整逆變器換流期間的導(dǎo)通次序使逆變器發(fā)出無(wú)功來(lái)補(bǔ)償系統(tǒng)的無(wú)功，在整流器和逆變器之間加入升壓斬波器以及改變斬波器的連接方式等。國(guó)內(nèi)對(duì)于串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的研究也在不斷深入。傳統(tǒng)的晶閘管串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)，由三相橋式二極管整流器UR、繞組轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)M、三相橋式晶閘管有源逆變器UI、逆變變壓器TI和平波電抗器Ld組成，其核心部分是有源逆變器UI和轉(zhuǎn)子整流器Uβ。該系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，逆變器處于反轉(zhuǎn)狀態(tài)，可將轉(zhuǎn)子能量反饋回電網(wǎng)，通過改變觸發(fā)脈沖（反轉(zhuǎn)角度β）來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)速度。然而，該系統(tǒng)存在功率因數(shù)低、無(wú)功功率損耗大的問題，在高速滿載運(yùn)行時(shí)，總功率因數(shù)約為0.6，低速時(shí)總功率因數(shù)更差，并且會(huì)產(chǎn)生高次諧波，影響電網(wǎng)質(zhì)量。為解決這些問題，國(guó)內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了大量研究并提出了多種改進(jìn)方案。馬小亮和劉志強(qiáng)在2002年提出一種新型的串級(jí)調(diào)速方案，其最大優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)子回路不再?gòu)碾娋W(wǎng)吸收無(wú)功電流，反而向電網(wǎng)發(fā)出無(wú)功電流，使功率因數(shù)得以大大提高，并給出了工作原理、參數(shù)選擇以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果。劉志強(qiáng)和劉進(jìn)永于2001年提出新型斬波式串級(jí)調(diào)速方案，該方案中的逆變電壓與逆變電流的夾角可在150°與180°之間變動(dòng)，有效提高了串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的功率因數(shù)。鞏保峰在2004年從普通串級(jí)調(diào)速原理入手，簡(jiǎn)要分析了影響串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)功率因數(shù)的主要因素，提出了帶斬波環(huán)節(jié)的內(nèi)反饋串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)。盡管國(guó)內(nèi)外學(xué)者在串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)諧波與功率因數(shù)的研究上取得了諸多成果，但仍存在一些不足之處。部分改進(jìn)方案雖然在一定程度上提高了功率因數(shù)或降低了諧波含量，但可能會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本，或者在某些工況下效果并不理想。此外，對(duì)于串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)在不同負(fù)載特性、不同運(yùn)行環(huán)境下的諧波與功率因數(shù)的綜合研究還不夠全面和深入，缺乏系統(tǒng)性的分析和優(yōu)化方法。在仿真研究方面，雖然利用MATLAB/Simulink等工具能夠?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行模擬分析，但模型的準(zhǔn)確性和通用性還有待進(jìn)一步提高，以更好地反映實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行特性。1.3研究?jī)?nèi)容與方法1.3.1研究?jī)?nèi)容串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)諧波產(chǎn)生機(jī)制研究：深入剖析串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中各組成部分，如三相橋式二極管整流器、三相橋式晶閘管有源逆變器、繞組轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)等，分析電力電子器件的開關(guān)過程以及電機(jī)內(nèi)部電磁特性對(duì)諧波產(chǎn)生的影響。通過理論推導(dǎo)，明確諧波產(chǎn)生的根本原因，確定系統(tǒng)中主要的諧波次數(shù)和分布規(guī)律，為后續(xù)的諧波抑制和分析提供理論基礎(chǔ)。串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)功率因數(shù)影響因素分析：全面研究串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)在不同運(yùn)行工況下，包括不同轉(zhuǎn)速、負(fù)載大小和性質(zhì)等條件下，系統(tǒng)功率因數(shù)的變化情況。重點(diǎn)分析逆變器、整流器以及電機(jī)本身的參數(shù)對(duì)功率因數(shù)的影響。例如，逆變器的觸發(fā)角、換流過程，整流器的換相重疊角，電機(jī)的轉(zhuǎn)差率、繞組參數(shù)等因素與功率因數(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)系，找出影響功率因數(shù)的關(guān)鍵因素。串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型搭建與驗(yàn)證：基于MATLAB/Simulink軟件平臺(tái)，根據(jù)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理和電路結(jié)構(gòu)，搭建精確的仿真模型。模型應(yīng)涵蓋系統(tǒng)的各個(gè)組成部分，并考慮實(shí)際運(yùn)行中的各種因素，如元件的非線性特性、控制策略的實(shí)現(xiàn)等。通過將仿真結(jié)果與實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)或已有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，確保仿真模型能夠準(zhǔn)確反映串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行特性，為后續(xù)的仿真分析提供可靠的工具。改善串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)諧波與功率因數(shù)的策略研究：針對(duì)傳統(tǒng)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)諧波含量高和功率因數(shù)低的問題，提出有效的改進(jìn)策略和優(yōu)化方案。例如，研究采用新型的電力電子器件或電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如多電平逆變器、矩陣變換器等，以降低諧波含量；探索先進(jìn)的控制算法，如智能控制算法（模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等）在串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)功率因數(shù)的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償和優(yōu)化；分析無(wú)功補(bǔ)償裝置（如電容器、電抗器、靜止無(wú)功補(bǔ)償器等）的合理配置和參數(shù)設(shè)計(jì)，以提高系統(tǒng)的功率因數(shù)。對(duì)提出的各種改進(jìn)方案進(jìn)行仿真分析，對(duì)比不同方案的優(yōu)缺點(diǎn)，評(píng)估其在改善諧波和功率因數(shù)方面的效果。案例分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：選取實(shí)際的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用案例，如在某工業(yè)企業(yè)的風(fēng)機(jī)或泵類設(shè)備中的應(yīng)用，對(duì)其諧波和功率因數(shù)問題進(jìn)行詳細(xì)分析。將理論研究和仿真分析的結(jié)果應(yīng)用于實(shí)際案例中，提出針對(duì)性的改進(jìn)措施，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過實(shí)際測(cè)試，驗(yàn)證改進(jìn)措施的有效性和可行性，為串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用提供參考和借鑒。1.3.2研究方法理論分析：通過查閱大量相關(guān)文獻(xiàn)資料，深入研究串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的基本原理、數(shù)學(xué)模型和運(yùn)行特性。運(yùn)用電路原理、電機(jī)學(xué)、電力電子技術(shù)等相關(guān)理論知識(shí)，對(duì)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的諧波產(chǎn)生機(jī)制和功率因數(shù)影響因素進(jìn)行詳細(xì)的理論推導(dǎo)和分析，建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，為后續(xù)的仿真研究和實(shí)驗(yàn)分析提供理論基礎(chǔ)。仿真建模：利用MATLAB/Simulink軟件強(qiáng)大的仿真功能，搭建串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型。在模型中精確設(shè)置各元件的參數(shù)和特性，模擬系統(tǒng)在不同工況下的運(yùn)行情況。通過改變模型中的參數(shù)和控制策略，如逆變器的觸發(fā)角、斬波器的占空比等，觀察系統(tǒng)功率因數(shù)和諧波含量的變化規(guī)律，分析不同因素對(duì)系統(tǒng)性能的影響。利用仿真結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，為理論研究提供直觀的依據(jù)，同時(shí)也為系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。案例分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：收集實(shí)際應(yīng)用中的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)案例，對(duì)其運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和研究。結(jié)合理論分析和仿真結(jié)果，針對(duì)案例中存在的諧波和功率因數(shù)問題提出具體的改進(jìn)方案。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下搭建小型的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)改進(jìn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，獲取系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，與理論分析和仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證改進(jìn)方案的有效性和可行性。二、串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)基本原理2.1三相異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法概述三相異步電動(dòng)機(jī)作為工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛的動(dòng)力設(shè)備之一，其調(diào)速性能對(duì)于滿足不同生產(chǎn)工藝需求、提高生產(chǎn)效率和降低能源消耗具有重要意義。根據(jù)三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式n=\frac{60f_1(1-s)}{p}（其中n為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，f_1為電源頻率，s為轉(zhuǎn)差率，p為磁極對(duì)數(shù)），可以通過改變電源頻率f_1、磁極對(duì)數(shù)p和轉(zhuǎn)差率s這三個(gè)參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速?；诖?，常見的調(diào)速方法主要包括變頻調(diào)速、變極調(diào)速以及改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速這三大類。變頻調(diào)速是通過改變電動(dòng)機(jī)定子電源的頻率，從而改變其同步轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速。這種調(diào)速方式具有調(diào)速范圍廣、精度高、效率高、附加損耗小等優(yōu)點(diǎn)，能夠使交流異步電動(dòng)機(jī)具備媲美直流電機(jī)的調(diào)速性能，因此成為當(dāng)下異步電機(jī)主要的調(diào)速方式。例如在一些對(duì)調(diào)速精度要求極高的自動(dòng)化生產(chǎn)線上，變頻調(diào)速系統(tǒng)能夠根據(jù)生產(chǎn)工藝的變化，精確地調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，確保生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性和產(chǎn)品質(zhì)量的一致性。然而，變頻調(diào)速也存在一些缺點(diǎn)，其控制裝置復(fù)雜，造價(jià)高，維護(hù)檢修困難。盡管隨著變流技術(shù)的不斷發(fā)展，變頻器的價(jià)格逐漸降低，但在一些對(duì)成本較為敏感的應(yīng)用場(chǎng)景中，其高成本仍然限制了它的廣泛應(yīng)用。變極調(diào)速則是通過改變定子繞組的接線方式，來(lái)改變電機(jī)磁極對(duì)數(shù)，進(jìn)而改變同步轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)調(diào)速目的。這種調(diào)速方式只適用于籠型異步電動(dòng)機(jī)，具有較硬的機(jī)械特性，穩(wěn)定性良好，無(wú)轉(zhuǎn)差損耗，效率高，接線簡(jiǎn)單、控制方便、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。在一些不需要無(wú)級(jí)調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械中，如金屬切削機(jī)床、升降機(jī)、起重設(shè)備、風(fēng)機(jī)、水泵等，變極調(diào)速得到了廣泛應(yīng)用。例如在某些風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中，通過切換電機(jī)的磁極對(duì)數(shù)，可以在不同的工況下選擇合適的轉(zhuǎn)速，以滿足通風(fēng)需求。不過，變極調(diào)速屬于有級(jí)調(diào)速，級(jí)差較大，無(wú)法獲得平滑調(diào)速，這在一些對(duì)轉(zhuǎn)速連續(xù)性要求較高的場(chǎng)合存在一定的局限性。改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速的方法較為多樣，常見的有定子調(diào)壓調(diào)速、繞線式電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速以及串級(jí)調(diào)速等。定子調(diào)壓調(diào)速通過改變電動(dòng)機(jī)的定子電壓，得到不同的機(jī)械特性曲線，從而獲得不同轉(zhuǎn)速。由于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩與電壓平方成正比，改變定子電壓會(huì)嚴(yán)重影響最大轉(zhuǎn)矩，導(dǎo)致調(diào)速范圍較小，一般籠型電動(dòng)機(jī)應(yīng)用效果不佳。為了擴(kuò)大調(diào)速范圍，調(diào)壓調(diào)速通常采用轉(zhuǎn)子電阻值大的籠型電動(dòng)機(jī)，如專供調(diào)壓調(diào)速用的力矩電動(dòng)機(jī)，或者在繞線式電動(dòng)機(jī)上串聯(lián)頻敏電阻。調(diào)壓調(diào)速線路簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，但在調(diào)壓過程中，轉(zhuǎn)差功率以發(fā)熱形式消耗在轉(zhuǎn)子電阻中，效率較低，一般適用于100KW以下的生產(chǎn)機(jī)械。繞線式電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速是在繞線式轉(zhuǎn)子繞組上串接附加電阻，使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率加大，從而在較低的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。這種調(diào)速方式設(shè)備簡(jiǎn)單，控制方便，但轉(zhuǎn)差功率以發(fā)熱的形式消耗在電阻上，屬于有級(jí)調(diào)速，機(jī)械特性較軟。在一些勢(shì)能負(fù)載上，如橋式吊車的大、小車和卷?yè)P(yáng)控制中，這種調(diào)速方式應(yīng)用較多，通過調(diào)節(jié)電阻值，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，以滿足吊運(yùn)貨物的需求。串級(jí)調(diào)速是在繞線式電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路中串入可調(diào)節(jié)的附加電勢(shì)來(lái)改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差，達(dá)到調(diào)速的目的。大部分轉(zhuǎn)差功率被串入的附加電勢(shì)所吸收，再利用產(chǎn)生附加的裝置，把吸收的轉(zhuǎn)差功率返回電網(wǎng)或轉(zhuǎn)換能量加以利用。與其他調(diào)速方式相比，串級(jí)調(diào)速具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。它可將調(diào)速過程中的轉(zhuǎn)差損耗回饋到電網(wǎng)或生產(chǎn)機(jī)械上，效率較高；裝置容量與調(diào)速范圍成正比，投資省，適用于調(diào)速范圍在額定轉(zhuǎn)速70％－90％的生產(chǎn)機(jī)械上。當(dāng)調(diào)速裝置出現(xiàn)故障時(shí)，還可以切換至全速運(yùn)行，避免停產(chǎn)，提高了系統(tǒng)的可靠性。然而，串級(jí)調(diào)速也存在一些不足之處，晶閘管串級(jí)調(diào)速功率因數(shù)偏低，諧波影響較大，這對(duì)電網(wǎng)的供電質(zhì)量和其他電氣設(shè)備的正常運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生一定的影響。在一些對(duì)電能質(zhì)量要求較高的場(chǎng)合，需要采取相應(yīng)的措施來(lái)改善串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的功率因數(shù)和抑制諧波。2.2串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)工作原理剖析串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的核心在于通過在繞線式異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子回路中引入附加電動(dòng)勢(shì)，以此改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)調(diào)速的目的。其基本工作原理基于異步電動(dòng)機(jī)的電磁感應(yīng)定律和能量轉(zhuǎn)換原理。在正常運(yùn)行狀態(tài)下，繞線式異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組會(huì)感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)，其大小與轉(zhuǎn)差率成正比。當(dāng)在轉(zhuǎn)子回路中串入一個(gè)可調(diào)節(jié)的附加電動(dòng)勢(shì)E_{add}時(shí)，轉(zhuǎn)子回路中的總電動(dòng)勢(shì)變?yōu)镋_{r}+E_{add}（其中E_{r}為轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)）。根據(jù)歐姆定律，轉(zhuǎn)子電流I_{r}可表示為I_{r}=\frac{E_{r}+E_{add}}{\sqrt{R_{r}^{2}+(sX_{r})^{2}}}（其中R_{r}為轉(zhuǎn)子繞組電阻，s為轉(zhuǎn)差率，X_{r}為轉(zhuǎn)子繞組漏抗）。由于電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩T_{e}與轉(zhuǎn)子電流I_{r}以及轉(zhuǎn)子回路的功率因數(shù)\cos\varphi_{r}相關(guān)，當(dāng)E_{add}改變時(shí)，I_{r}隨之變化，從而導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩T_{e}改變，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速也相應(yīng)發(fā)生變化。為了實(shí)現(xiàn)附加電動(dòng)勢(shì)的引入和能量的有效利用，串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)通常由三相橋式二極管整流器UR、繞組轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)M、三相橋式晶閘管有源逆變器UI、逆變變壓器TI和平波電抗器Ld等部分組成。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)出的三相交流電動(dòng)勢(shì)首先經(jīng)過三相橋式二極管整流器UR整流，將交流轉(zhuǎn)換為直流，得到直流電壓U_z3jilz61osys。該直流電壓U_z3jilz61osys與逆變電路輸出的直流電壓U_{i}共同作用于平波電抗器Ld和轉(zhuǎn)子直流回路中。逆變電路輸出的直流電壓U_{i}可通過改變晶閘管有源逆變器UI的觸發(fā)角\beta進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)附加電動(dòng)勢(shì)的控制。當(dāng)觸發(fā)角\beta變化時(shí)，逆變電壓U_{i}的大小也會(huì)相應(yīng)改變，進(jìn)而改變轉(zhuǎn)子回路中的電流和電磁轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。從能量轉(zhuǎn)換的角度來(lái)看，串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)具有顯著的節(jié)能優(yōu)勢(shì)。在傳統(tǒng)的調(diào)速方式中，如繞線式電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，轉(zhuǎn)差功率全部以熱能的形式消耗在電阻上，造成了大量的能量浪費(fèi)。而在串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中，大部分轉(zhuǎn)差功率被串入的附加電勢(shì)所吸收，再利用產(chǎn)生附加的裝置，把吸收的轉(zhuǎn)差功率返回電網(wǎng)或轉(zhuǎn)換能量加以利用。當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，轉(zhuǎn)差率s增大，轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E_{r}增大，整流后的直流電壓U_z3jilz61osys也增大。此時(shí)，通過調(diào)整逆變器的觸發(fā)角\beta，使逆變電壓U_{i}相應(yīng)增大，轉(zhuǎn)子電流I_{r}保持相對(duì)穩(wěn)定，從而保證電磁轉(zhuǎn)矩基本不變。而多余的轉(zhuǎn)差功率則通過逆變器回饋到電網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)了能量的回收利用，提高了系統(tǒng)的效率。在調(diào)速特性方面，串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)平滑無(wú)級(jí)調(diào)速。通過連續(xù)調(diào)節(jié)逆變器的觸發(fā)角\beta，可以連續(xù)改變附加電動(dòng)勢(shì)的大小，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的連續(xù)調(diào)節(jié)。在低速運(yùn)行時(shí)，雖然轉(zhuǎn)差率較大，但由于轉(zhuǎn)差功率可以通過逆變器回饋到電網(wǎng)，電動(dòng)機(jī)的效率并不會(huì)顯著降低，而且機(jī)械特性也比較硬，能夠保持較好的穩(wěn)定性和調(diào)速精度。例如，在某工業(yè)生產(chǎn)線上的風(fēng)機(jī)調(diào)速應(yīng)用中，采用串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)后，風(fēng)機(jī)能夠根據(jù)實(shí)際需求精確調(diào)整轉(zhuǎn)速，不僅滿足了生產(chǎn)工藝的要求，還大大降低了能源消耗。此外，串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍也比較寬，一般可達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的70%-90%，能夠滿足大多數(shù)工業(yè)生產(chǎn)的調(diào)速需求。2.3傳統(tǒng)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)等效電路推導(dǎo)為了深入分析傳統(tǒng)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的運(yùn)行特性，推導(dǎo)其等效電路是至關(guān)重要的。等效電路能夠直觀地反映系統(tǒng)中各部分的電氣關(guān)系，為進(jìn)一步研究系統(tǒng)的諧波和功率因數(shù)提供基礎(chǔ)。傳統(tǒng)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)主要由三相橋式二極管整流器UR、繞組轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)M、三相橋式晶閘管有源逆變器UI、逆變變壓器TI和平波電抗器Ld組成。在推導(dǎo)等效電路時(shí)，首先對(duì)各部分進(jìn)行單獨(dú)分析。對(duì)于三相橋式二極管整流器UR，其作用是將異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)出的三相交流電動(dòng)勢(shì)整流為直流電動(dòng)勢(shì)。根據(jù)二極管的單向?qū)щ娦院腿鄻蚴秸麟娐返墓ぷ髟?，在理想情況下，忽略二極管的導(dǎo)通壓降和換相重疊角，整流后的直流電壓U_z3jilz61osys與轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E_{r}之間存在如下關(guān)系：U_z3jilz61osys=1.35E_{r}。考慮到實(shí)際運(yùn)行中存在換相重疊角\gamma，會(huì)使整流輸出電壓降低，此時(shí)整流電壓U_z3jilz61osys可表示為U_z3jilz61osys=1.35E_{r}\cos\gamma。由于轉(zhuǎn)差率s與轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E_{r}相關(guān)，E_{r}=sE_{r0}（E_{r0}為轉(zhuǎn)子開路時(shí)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)），所以U_z3jilz61osys=1.35sE_{r0}\cos\gamma。三相橋式晶閘管有源逆變器UI工作在有源逆變狀態(tài)，將直流電能逆變?yōu)榻涣麟娔芑仞伒诫娋W(wǎng)。逆變電壓U_{i}與逆變角\beta密切相關(guān)，在忽略晶閘管的導(dǎo)通壓降和換相重疊角時(shí)，逆變電壓U_{i}的表達(dá)式為U_{i}=1.35U_{2}\cos\beta，其中U_{2}為逆變變壓器二次側(cè)線電壓?？紤]實(shí)際情況中的換相重疊角\gamma，逆變電壓會(huì)有所變化，U_{i}=1.35U_{2}\cos(\beta+\gamma)。繞組轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)M的等效電路可采用T型等效電路來(lái)表示。在串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子回路通過整流器和逆變器與電網(wǎng)相連，其等效電路中的參數(shù)，如轉(zhuǎn)子電阻R_{r}、轉(zhuǎn)子漏抗X_{r}等，會(huì)影響系統(tǒng)的運(yùn)行性能。根據(jù)電機(jī)學(xué)原理，異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩T_{e}與轉(zhuǎn)子電流I_{r}、轉(zhuǎn)子回路功率因數(shù)\cos\varphi_{r}以及氣隙磁通\varPhi_{m}有關(guān)，在串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中，通過改變附加電動(dòng)勢(shì)（即改變逆變角\beta）來(lái)調(diào)整轉(zhuǎn)子電流和電磁轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速。平波電抗器Ld的作用是在直流回路中起濾波作用，使直流電流保持平穩(wěn)。在推導(dǎo)等效電路時(shí)，可將其視為一個(gè)電感元件，其電感值為L(zhǎng)_z3jilz61osys?；谝陨蠈?duì)各部分的分析，構(gòu)建傳統(tǒng)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的等效電路。從整體上看，直流回路中，整流電壓U_z3jilz61osys、逆變電壓U_{i}以及平波電抗器L_z3jilz61osys和轉(zhuǎn)子直流回路電阻R_z3jilz61osys（包括電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電阻折算到直流側(cè)的值以及其他直流回路電阻）構(gòu)成一個(gè)閉合回路。根據(jù)基爾霍夫電壓定律，可得直流回路的電壓平衡方程為U_z3jilz61osys=U_{i}+I_z3jilz61osysR_z3jilz61osys+L_z3jilz61osys\frac{dI_z3jilz61osys}{dt}，在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，\frac{dI_z3jilz61osys}{dt}=0，則方程簡(jiǎn)化為U_z3jilz61osys=U_{i}+I_z3jilz61osysR_z3jilz61osys。將U_z3jilz61osys=1.35sE_{r0}\cos\gamma和U_{i}=1.35U_{2}\cos(\beta+\gamma)代入上式，可得1.35sE_{r0}\cos\gamma=1.35U_{2}\cos(\beta+\gamma)+I_z3jilz61osysR_z3jilz61osys。該方程反映了串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)差率s、逆變角\beta、直流電流I_z3jilz61osys以及各電路參數(shù)之間的關(guān)系。通過對(duì)這個(gè)方程的分析，可以深入了解系統(tǒng)的調(diào)速特性、功率因數(shù)和諧波特性等。例如，當(dāng)逆變角\beta增大時(shí)，逆變電壓U_{i}減小，為了維持電壓平衡，轉(zhuǎn)差率s會(huì)增大，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低；同時(shí)，直流電流I_z3jilz61osys也會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而影響系統(tǒng)的功率因數(shù)和諧波含量。從等效電路還可以分析出系統(tǒng)的功率因數(shù)情況。由于系統(tǒng)中存在異步電動(dòng)機(jī)和逆變變壓器等感性元件，它們會(huì)從電網(wǎng)吸收無(wú)功功率，導(dǎo)致系統(tǒng)功率因數(shù)降低。異步電動(dòng)機(jī)的無(wú)功功率主要用于建立磁場(chǎng)，其大小與電動(dòng)機(jī)的負(fù)載率和轉(zhuǎn)差率有關(guān)；逆變變壓器的無(wú)功功率則與逆變角\beta以及變壓器的參數(shù)有關(guān)。在高速滿載運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)的總功率因數(shù)約為0.6，這是因?yàn)榇藭r(shí)異步電動(dòng)機(jī)和逆變變壓器吸收的無(wú)功功率相對(duì)較大，而有功功率相對(duì)較小，使得功率因數(shù)偏低。在低速運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)差率增大，異步電動(dòng)機(jī)的無(wú)功功率需求進(jìn)一步增加，同時(shí)逆變電路的工作狀態(tài)也會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致系統(tǒng)總功率因數(shù)更差。通過對(duì)傳統(tǒng)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)等效電路的推導(dǎo)和分析，明確了系統(tǒng)中各部分的電氣關(guān)系以及電路參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。這為后續(xù)研究串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的諧波產(chǎn)生機(jī)制和功率因數(shù)影響因素提供了重要的理論基礎(chǔ)，有助于進(jìn)一步探索改善系統(tǒng)性能的方法和措施。2.4串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)功率因數(shù)基本概念功率因數(shù)是電力系統(tǒng)中一個(gè)至關(guān)重要的參數(shù)，它反映了交流電路中有功功率與視在功率的比值。在交流電路中，電壓與電流之間存在相位差，用\varphi表示。功率因數(shù)的定義式為\cos\varphi=\frac{P}{S}，其中P為有功功率，單位為瓦特（W），它是電路中實(shí)際消耗的功率，用于做功，如驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)、使電阻發(fā)熱等；S為視在功率，單位為伏安（VA），它等于電壓的有效值U與電流的有效值I的乘積，即S=UI。從物理意義上講，功率因數(shù)衡量了電源功率的有效利用程度。當(dāng)功率因數(shù)為1時(shí)，說(shuō)明電壓與電流同相位，電路中的負(fù)載為純電阻性負(fù)載，此時(shí)電源提供的功率全部被有效利用，沒有無(wú)功功率的損耗。在實(shí)際的電力系統(tǒng)中，大多數(shù)負(fù)載為感性負(fù)載，如異步電動(dòng)機(jī)、變壓器等，這些負(fù)載在工作時(shí)需要從電網(wǎng)吸收無(wú)功功率來(lái)建立磁場(chǎng)，導(dǎo)致電壓與電流之間存在相位差，功率因數(shù)小于1。在異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中，定子繞組中的電流除了包含用于做功的有功分量外，還包含用于建立磁場(chǎng)的無(wú)功分量。無(wú)功功率雖然不直接參與做功，但它在電力系統(tǒng)中起著重要的作用，如維持電機(jī)的正常運(yùn)行、保證電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定等。然而，過多的無(wú)功功率會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)的傳輸效率降低，增加線路損耗，同時(shí)也會(huì)使電源的容量不能得到充分利用。在串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中，功率因數(shù)具有更為重要的意義。由于串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中包含異步電動(dòng)機(jī)和逆變變壓器等感性元件，它們會(huì)從電網(wǎng)吸收大量的無(wú)功功率，使得系統(tǒng)的功率因數(shù)較低。在高速滿載運(yùn)行時(shí)，傳統(tǒng)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的總功率因數(shù)約為0.6，而在低速運(yùn)行時(shí)，總功率因數(shù)則更差。這種低功率因數(shù)的運(yùn)行狀態(tài)會(huì)帶來(lái)一系列問題。低功率因數(shù)會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)的傳輸效率降低。根據(jù)功率傳輸公式P=UI\cos\varphi，在傳輸相同有功功率P的情況下，功率因數(shù)\cos\varphi越低，電流I就越大。而電流增大則會(huì)使輸電線路上的電阻損耗I^{2}R（R為線路電阻）增加，從而降低了電網(wǎng)的傳輸效率，造成能源的浪費(fèi)。低功率因數(shù)還會(huì)增加電網(wǎng)的負(fù)擔(dān)。由于電網(wǎng)需要提供更多的無(wú)功功率來(lái)滿足系統(tǒng)的需求，這會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)的容量不能得到充分利用，同時(shí)也會(huì)使電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性受到影響。在電力系統(tǒng)中，無(wú)功功率的不足會(huì)導(dǎo)致電壓下降，影響其他電氣設(shè)備的正常運(yùn)行。低功率因數(shù)還會(huì)增加企業(yè)的用電成本。一些電力部門會(huì)根據(jù)用戶的功率因數(shù)情況進(jìn)行電費(fèi)調(diào)整，功率因數(shù)越低，用戶需要支付的電費(fèi)就越高。為了提高串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的功率因數(shù)，需要深入研究其影響因素，并采取相應(yīng)的措施。影響串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)功率因數(shù)的因素主要包括逆變器的工作狀態(tài)、異步電動(dòng)機(jī)的參數(shù)以及負(fù)載的性質(zhì)等。逆變器在工作過程中，其觸發(fā)角的大小會(huì)直接影響逆變電壓的大小和相位，從而影響系統(tǒng)的無(wú)功功率需求。異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率、繞組參數(shù)等也會(huì)對(duì)功率因數(shù)產(chǎn)生影響。在后續(xù)的研究中，將針對(duì)這些影響因素進(jìn)行詳細(xì)分析，并探討提高功率因數(shù)的有效方法。三、串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)諧波分析3.1諧波產(chǎn)生的根本原因探究諧波產(chǎn)生的根本原因是由于串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中存在非線性負(fù)載。在串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中，三相橋式二極管整流器UR和三相橋式晶閘管有源逆變器UI等電力電子器件的工作特性呈現(xiàn)出非線性，這使得系統(tǒng)中的電流和電壓波形發(fā)生畸變，從而產(chǎn)生諧波。以三相橋式二極管整流器UR為例，其內(nèi)部的二極管具有單向?qū)щ娦?，在交流電壓的正半周，二極管導(dǎo)通，電流流通；在負(fù)半周，二極管截止，電流阻斷。這種不連續(xù)的導(dǎo)通方式導(dǎo)致整流后的電流波形不再是正弦波，而是呈現(xiàn)出脈沖狀。根據(jù)傅里葉分析原理，任何周期性的非正弦電量都可以分解為一系列不同頻率的正弦波分量之和，其中與原始信號(hào)頻率相同的分量稱為基波，其他頻率為基波頻率整數(shù)倍的分量即為諧波。對(duì)于三相橋式整流電路，其特征諧波次數(shù)為6k±1（k=1,2,3…），即5次、7次、11次、13次等諧波含量較為突出。在50Hz的工頻電網(wǎng)中，5次諧波的頻率為250Hz，7次諧波的頻率為350Hz，這些諧波會(huì)對(duì)系統(tǒng)的正常運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。三相橋式晶閘管有源逆變器UI在工作時(shí)，通過控制晶閘管的觸發(fā)角來(lái)實(shí)現(xiàn)電能的逆變。當(dāng)觸發(fā)角發(fā)生變化時(shí)，逆變器輸出的電壓和電流波形也會(huì)發(fā)生改變，從而產(chǎn)生諧波。逆變器在換相過程中，由于晶閘管的關(guān)斷和導(dǎo)通需要一定的時(shí)間，會(huì)導(dǎo)致電流出現(xiàn)突變，這也是產(chǎn)生諧波的一個(gè)重要因素。在實(shí)際運(yùn)行中，由于晶閘管的參數(shù)不一致、觸發(fā)脈沖的不對(duì)稱等原因，還可能會(huì)產(chǎn)生非特征諧波，進(jìn)一步增加了諧波的復(fù)雜性。繞組轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)M在運(yùn)行過程中，由于其內(nèi)部的電磁特性和磁路飽和等因素，也會(huì)對(duì)諧波的產(chǎn)生起到一定的作用。當(dāng)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，其轉(zhuǎn)子電流和定子電流也會(huì)相應(yīng)改變，這種變化可能會(huì)導(dǎo)致電流波形的畸變，產(chǎn)生諧波。在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和調(diào)速過程中，電流的沖擊和波動(dòng)會(huì)使諧波含量增加。從傅里葉分析的角度來(lái)看，串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中的非正弦電流可以表示為基波電流和各次諧波電流的疊加。設(shè)非正弦電流為i(t)，其傅里葉級(jí)數(shù)展開式為i(t)=I_{0}+\sum_{k=1}^{\infty}I_{k}\sin(k\omegat+\varphi_{k})，其中I_{0}為直流分量，I_{k}為第k次諧波電流的幅值，\omega為基波角頻率，\varphi_{k}為第k次諧波電流的初相位。通過對(duì)非正弦電流進(jìn)行傅里葉分析，可以準(zhǔn)確地確定諧波的頻率、幅值和相位等參數(shù)，為諧波的分析和抑制提供依據(jù)。在實(shí)際的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中，諧波的產(chǎn)生是一個(gè)復(fù)雜的過程，受到多種因素的綜合影響。除了上述的電力電子器件和電動(dòng)機(jī)的因素外，系統(tǒng)的運(yùn)行工況、負(fù)載特性、控制策略以及線路參數(shù)等也會(huì)對(duì)諧波的產(chǎn)生和傳播產(chǎn)生影響。在不同的調(diào)速范圍和負(fù)載情況下，諧波的含量和分布會(huì)有所不同。因此，在研究串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的諧波問題時(shí)，需要全面考慮各種因素，深入分析諧波產(chǎn)生的根本原因，以便采取有效的措施來(lái)抑制諧波，提高系統(tǒng)的電能質(zhì)量。3.2串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)諧波產(chǎn)生機(jī)制在串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中，諧波的產(chǎn)生主要源于電力電子器件的工作過程以及電機(jī)內(nèi)部電磁特性的影響。電力電子器件是串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，其工作特性對(duì)諧波的產(chǎn)生起著決定性作用。以三相橋式二極管整流器UR為例，其工作原理基于二極管的單向?qū)щ娦浴Ｔ诮涣麟妷旱恼胫埽O管導(dǎo)通，電流流通；在負(fù)半周，二極管截止，電流阻斷。這種不連續(xù)的導(dǎo)通方式使得整流后的電流波形不再是正弦波，而是呈現(xiàn)出脈沖狀。通過傅里葉分析可知，這種非正弦電流包含了豐富的諧波成分。對(duì)于三相橋式整流電路，其特征諧波次數(shù)為6k±1（k=1,2,3…）。在50Hz的工頻電網(wǎng)中，5次諧波的頻率為250Hz，7次諧波的頻率為350Hz。這些諧波的存在會(huì)對(duì)系統(tǒng)的正常運(yùn)行產(chǎn)生諸多不利影響，如導(dǎo)致電機(jī)發(fā)熱、增加線路損耗等。三相橋式晶閘管有源逆變器UI在工作時(shí)，通過控制晶閘管的觸發(fā)角來(lái)實(shí)現(xiàn)電能的逆變。當(dāng)觸發(fā)角發(fā)生變化時(shí)，逆變器輸出的電壓和電流波形也會(huì)相應(yīng)改變，從而產(chǎn)生諧波。在逆變器的換相過程中，由于晶閘管的關(guān)斷和導(dǎo)通需要一定的時(shí)間，會(huì)導(dǎo)致電流出現(xiàn)突變，這也是產(chǎn)生諧波的一個(gè)重要因素。當(dāng)晶閘管從導(dǎo)通狀態(tài)切換到關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，電流會(huì)在極短的時(shí)間內(nèi)下降為零，這種電流的突變會(huì)產(chǎn)生高頻諧波。由于晶閘管的參數(shù)不一致、觸發(fā)脈沖的不對(duì)稱等原因，還可能會(huì)產(chǎn)生非特征諧波，進(jìn)一步增加了諧波的復(fù)雜性。繞組轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)M在運(yùn)行過程中，其內(nèi)部的電磁特性和磁路飽和等因素也會(huì)對(duì)諧波的產(chǎn)生產(chǎn)生影響。當(dāng)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，其轉(zhuǎn)子電流和定子電流也會(huì)相應(yīng)改變，這種變化可能會(huì)導(dǎo)致電流波形的畸變，產(chǎn)生諧波。在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和調(diào)速過程中，電流的沖擊和波動(dòng)會(huì)使諧波含量增加。電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)瞬間，電流會(huì)急劇增大，此時(shí)電流波形中會(huì)包含大量的諧波成分。由于電動(dòng)機(jī)的磁路飽和特性，當(dāng)電流增大到一定程度時(shí)，磁導(dǎo)率會(huì)下降，導(dǎo)致磁路中的磁通發(fā)生畸變，進(jìn)而產(chǎn)生諧波。從系統(tǒng)運(yùn)行的角度來(lái)看，不同的運(yùn)行工況也會(huì)影響諧波的產(chǎn)生。在調(diào)速過程中，隨著轉(zhuǎn)速的變化，轉(zhuǎn)差率會(huì)發(fā)生改變，這會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電流的變化，從而影響諧波的含量和分布。當(dāng)調(diào)速系統(tǒng)處于低速運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)差率較大，轉(zhuǎn)子電流中的諧波含量也會(huì)相應(yīng)增加。負(fù)載的性質(zhì)和大小也會(huì)對(duì)諧波產(chǎn)生影響。對(duì)于感性負(fù)載，由于其電流滯后于電壓，會(huì)增加系統(tǒng)的無(wú)功功率需求，導(dǎo)致電流波形的畸變加劇，諧波含量增加。在實(shí)際的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中，諧波的產(chǎn)生是一個(gè)復(fù)雜的過程，受到多種因素的綜合影響。除了上述的電力電子器件和電動(dòng)機(jī)的因素外，系統(tǒng)的控制策略、線路參數(shù)以及電網(wǎng)的背景諧波等也會(huì)對(duì)諧波的產(chǎn)生和傳播產(chǎn)生影響。在采用不同的控制策略時(shí)，如脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等，諧波的含量和分布會(huì)有所不同。線路參數(shù)，如導(dǎo)線的電阻、電感和電容等，會(huì)影響諧波在系統(tǒng)中的傳輸和衰減。電網(wǎng)的背景諧波也會(huì)與串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波相互作用，進(jìn)一步加劇諧波的污染。因此，在研究串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的諧波問題時(shí)，需要全面考慮各種因素，深入分析諧波產(chǎn)生的機(jī)制，以便采取有效的措施來(lái)抑制諧波，提高系統(tǒng)的電能質(zhì)量。3.3諧波次數(shù)與含量的計(jì)算方法在串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的諧波分析中，準(zhǔn)確計(jì)算諧波次數(shù)與含量是關(guān)鍵環(huán)節(jié)?；诟道锶~級(jí)數(shù)展開的方法是目前最為常用且有效的計(jì)算手段，它能夠深入剖析系統(tǒng)中復(fù)雜的非正弦信號(hào)，為諧波特性的研究提供堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。傅里葉級(jí)數(shù)展開的基本原理是，任何滿足狄里赫利條件的周期函數(shù)f(t)都能夠展開為一系列三角函數(shù)的無(wú)窮級(jí)數(shù)。對(duì)于周期為T的函數(shù)f(t)，其傅里葉級(jí)數(shù)展開式為：f(t)=a_0+\sum_{k=1}^{\infty}(a_k\cos(k\omega_0t)+b_k\sin(k\omega_0t))其中，a_0為直流分量，反映了函數(shù)在一個(gè)周期內(nèi)的平均值；a_k和b_k分別為余弦項(xiàng)和正弦項(xiàng)的系數(shù)，它們決定了各次諧波的幅值和相位；\omega_0=\frac{2\pi}{T}為基波角頻率，是諧波分析的基準(zhǔn)頻率；k為正整數(shù)，代表諧波的次數(shù)，當(dāng)k=1時(shí)，對(duì)應(yīng)的就是基波，k\gt1時(shí)則為各次諧波。在串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中，系統(tǒng)中的電壓和電流信號(hào)往往呈現(xiàn)出復(fù)雜的非正弦波形。以三相橋式二極管整流器輸出的電流為例，由于二極管的單向?qū)щ娦裕潆娏鞑ㄐ纬尸F(xiàn)出明顯的脈沖特性，不再是簡(jiǎn)單的正弦波。通過傅里葉級(jí)數(shù)展開，可以將這一非正弦電流分解為基波電流和一系列諧波電流的疊加。假設(shè)整流器輸出的電流為i(t)，經(jīng)過傅里葉級(jí)數(shù)展開后可得：i(t)=I_{0}+\sum_{k=1}^{\infty}I_{k}\sin(k\omegat+\varphi_{k})其中，I_{0}為直流分量，在實(shí)際系統(tǒng)中，它可能會(huì)影響電機(jī)的運(yùn)行特性，如產(chǎn)生額外的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)；I_{k}為第k次諧波電流的幅值，反映了該次諧波在總電流中的相對(duì)大小，對(duì)于三相橋式整流電路，其特征諧波次數(shù)為6k\pm1（k=1,2,3a?|），即5次、7次、11次、13次等諧波含量較為突出，這些諧波的幅值大小直接關(guān)系到它們對(duì)系統(tǒng)的影響程度；\omega為基波角頻率，與電源頻率相關(guān)，在我國(guó)，工頻電源的頻率為50Hz，對(duì)應(yīng)的基波角頻率\omega=2\pi\times50=100\pi；\varphi_{k}為第k次諧波電流的初相位，它決定了諧波電流在時(shí)間軸上的起始位置，不同相位的諧波相互疊加，會(huì)進(jìn)一步影響總電流的波形和特性。對(duì)于各次諧波含量的計(jì)算，主要通過求解傅里葉系數(shù)a_k和b_k來(lái)實(shí)現(xiàn)。計(jì)算a_k和b_k的公式分別為：a_k=\frac{2}{T}\int_{0}^{T}f(t)\cos(k\omega_0t)dtb_k=\frac{2}{T}\int_{0}^{T}f(t)\sin(k\omega_0t)dt在實(shí)際計(jì)算中，由于系統(tǒng)中的信號(hào)通常是離散的數(shù)字信號(hào)，可采用離散傅里葉變換（DFT）或快速傅里葉變換（FFT）算法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。DFT是對(duì)連續(xù)傅里葉變換的離散化近似，它將時(shí)域的離散信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域的離散頻譜，通過對(duì)頻譜的分析，可以得到各次諧波的頻率、幅值和相位等信息。FFT則是DFT的快速算法，它通過巧妙地利用旋轉(zhuǎn)因子的對(duì)稱性和周期性，大大減少了計(jì)算量，提高了計(jì)算效率，使得在處理大量數(shù)據(jù)時(shí)能夠快速準(zhǔn)確地得到諧波分析結(jié)果。以某實(shí)際串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)為例，通過對(duì)其整流器輸出電流進(jìn)行采樣，得到一系列離散的電流值。利用FFT算法對(duì)這些離散數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到電流的頻譜圖。從頻譜圖中可以清晰地看到，除了基波分量外，還存在著明顯的5次、7次等特征諧波分量。通過讀取頻譜圖中各次諧波對(duì)應(yīng)的幅值和相位信息，即可準(zhǔn)確計(jì)算出各次諧波的含量。假設(shè)經(jīng)過計(jì)算得到5次諧波電流的幅值為I_5=5A，基波電流的幅值為I_1=50A，則5次諧波含量可以用諧波含有率來(lái)表示，即HR_{I5}=\frac{I_5}{I_1}\times100\%=\frac{5}{50}\times100\%=10\%。這一結(jié)果表明，5次諧波電流在總電流中所占的比例為10\%，其對(duì)系統(tǒng)的影響不可忽視，可能會(huì)導(dǎo)致電機(jī)發(fā)熱、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)等問題。在串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中，準(zhǔn)確計(jì)算諧波次數(shù)與含量對(duì)于深入了解系統(tǒng)的運(yùn)行特性、評(píng)估諧波對(duì)系統(tǒng)的影響以及制定有效的諧波抑制措施具有重要意義。基于傅里葉級(jí)數(shù)展開的計(jì)算方法，結(jié)合DFT或FFT算法，能夠精確地分析系統(tǒng)中的諧波成分，為后續(xù)的研究和改進(jìn)提供有力的支持。3.4諧波對(duì)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的影響諧波的存在會(huì)對(duì)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)產(chǎn)生多方面的負(fù)面影響，具體表現(xiàn)如下：電機(jī)發(fā)熱：諧波電流會(huì)在電機(jī)繞組中產(chǎn)生額外的銅損。根據(jù)焦耳定律Q=I^{2}Rt，諧波電流I的增大將導(dǎo)致繞組的發(fā)熱增加。諧波還會(huì)使電機(jī)的鐵芯損耗增加。由于諧波頻率較高，會(huì)在鐵芯中產(chǎn)生高頻渦流和磁滯損耗，使鐵芯發(fā)熱。這些額外的發(fā)熱會(huì)導(dǎo)致電機(jī)的溫度升高，加速電機(jī)絕緣材料的老化，降低電機(jī)的使用壽命。當(dāng)電機(jī)長(zhǎng)期在高溫環(huán)境下運(yùn)行時(shí)，絕緣材料的性能會(huì)逐漸下降，可能出現(xiàn)絕緣擊穿等故障，影響電機(jī)的正常運(yùn)行。轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)：諧波會(huì)導(dǎo)致電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。在串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與電流和磁通有關(guān)。由于諧波電流的存在，會(huì)使電機(jī)的磁通發(fā)生畸變，導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩不穩(wěn)定，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)會(huì)使電機(jī)的轉(zhuǎn)速不均勻，影響生產(chǎn)設(shè)備的正常運(yùn)行。在一些對(duì)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性要求較高的場(chǎng)合，如精密機(jī)床、紡織機(jī)械等，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致加工精度下降、產(chǎn)品質(zhì)量變差。設(shè)備壽命：諧波對(duì)系統(tǒng)中的其他設(shè)備，如變壓器、電抗器、電容器等，也會(huì)產(chǎn)生不利影響。諧波會(huì)使變壓器的銅損和鐵損增加，導(dǎo)致變壓器過熱，縮短變壓器的使用壽命。對(duì)于電抗器，諧波電流會(huì)使其電感值發(fā)生變化，影響其濾波效果，同時(shí)也會(huì)增加電抗器的發(fā)熱和損耗。電容器在諧波環(huán)境下，可能會(huì)發(fā)生過電壓、過電流現(xiàn)象，加速電容器的老化和損壞。在實(shí)際應(yīng)用中，由于諧波的影響，一些設(shè)備的維修和更換頻率增加，增加了企業(yè)的運(yùn)行成本。電網(wǎng)污染：串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波會(huì)注入電網(wǎng)，對(duì)電網(wǎng)造成污染。諧波會(huì)使電網(wǎng)電壓發(fā)生畸變，影響其他電氣設(shè)備的正常運(yùn)行。諧波會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)中的繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)作，影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。諧波還會(huì)增加電網(wǎng)的損耗，降低電網(wǎng)的傳輸效率。在一些工業(yè)企業(yè)中，由于大量使用串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)等諧波源設(shè)備，導(dǎo)致電網(wǎng)電壓質(zhì)量下降，影響了周邊其他企業(yè)和居民的用電安全和質(zhì)量。諧波對(duì)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)及電網(wǎng)的危害不容忽視，必須采取有效的措施來(lái)抑制諧波，提高系統(tǒng)的電能質(zhì)量，確保系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。四、串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)功率因數(shù)影響因素分析4.1系統(tǒng)自身結(jié)構(gòu)因素串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的功率因數(shù)受系統(tǒng)自身結(jié)構(gòu)的顯著影響，尤其是逆變變壓器和異步電動(dòng)機(jī)等電感性負(fù)載的存在，對(duì)系統(tǒng)的無(wú)功功率需求和功率因數(shù)產(chǎn)生了關(guān)鍵作用。逆變變壓器作為串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中的重要組成部分，其自身特性會(huì)對(duì)功率因數(shù)產(chǎn)生影響。逆變變壓器工作時(shí)，由于其繞組存在電感，會(huì)從電網(wǎng)吸收無(wú)功功率。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，電感元件中的電流滯后于電壓，導(dǎo)致無(wú)功功率的產(chǎn)生。在逆變過程中，逆變變壓器的二次側(cè)電壓與電流之間存在相位差，使得其從電網(wǎng)吸收的無(wú)功功率增加。當(dāng)逆變角\beta發(fā)生變化時(shí)，逆變變壓器的工作狀態(tài)也會(huì)改變，進(jìn)一步影響其無(wú)功功率的吸收。隨著逆變角\beta的增大，逆變變壓器吸收的無(wú)功功率會(huì)逐漸增加，從而導(dǎo)致系統(tǒng)功率因數(shù)下降。這是因?yàn)槟孀兘荺beta增大時(shí)，逆變電壓的相位滯后，使得電流與電壓之間的相位差增大，無(wú)功功率隨之增大。異步電動(dòng)機(jī)同樣是影響串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)功率因數(shù)的重要因素。異步電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中，需要從電網(wǎng)吸收無(wú)功功率來(lái)建立磁場(chǎng)，維持電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。其無(wú)功功率的大小與電機(jī)的負(fù)載率和轉(zhuǎn)差率密切相關(guān)。在負(fù)載率較低時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流相對(duì)較大，導(dǎo)致無(wú)功功率消耗增加，功率因數(shù)降低。在輕載運(yùn)行時(shí)，電機(jī)的輸出功率較小，但勵(lì)磁電流基本不變，使得無(wú)功功率在總功率中所占的比例增大，功率因數(shù)下降。轉(zhuǎn)差率的變化也會(huì)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的無(wú)功功率產(chǎn)生影響。隨著轉(zhuǎn)差率的增大，電機(jī)的轉(zhuǎn)子電流增大，相應(yīng)地，用于建立磁場(chǎng)的無(wú)功功率也會(huì)增加，從而降低了功率因數(shù)。在串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，轉(zhuǎn)差率增大，異步電動(dòng)機(jī)的無(wú)功功率需求進(jìn)一步增加，使得系統(tǒng)的功率因數(shù)變得更差。逆變變壓器和異步電動(dòng)機(jī)這兩個(gè)電感性負(fù)載所吸收的無(wú)功功率會(huì)在系統(tǒng)中疊加，進(jìn)一步降低了系統(tǒng)的功率因數(shù)。由于它們從電網(wǎng)吸收的無(wú)功功率都會(huì)使視在功率增大，而有功功率不變或變化較小，根據(jù)功率因數(shù)的定義\cos\varphi=\frac{P}{S}（其中P為有功功率，S為視在功率），分母視在功率S的增大導(dǎo)致功率因數(shù)\cos\varphi降低。在高速滿載運(yùn)行時(shí)，串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的總功率因數(shù)約為0.6，這主要是由于逆變變壓器和異步電動(dòng)機(jī)吸收的無(wú)功功率相對(duì)較大，使得視在功率增大，功率因數(shù)下降。在低速運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)差率增大，異步電動(dòng)機(jī)的無(wú)功功率需求進(jìn)一步增加，同時(shí)逆變電路的工作狀態(tài)也會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致逆變變壓器吸收的無(wú)功功率也有所增加，兩者無(wú)功功率的疊加使得系統(tǒng)總功率因數(shù)更差。系統(tǒng)自身結(jié)構(gòu)中的逆變變壓器和異步電動(dòng)機(jī)等電感性負(fù)載是影響串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)功率因數(shù)的重要因素。它們所吸收的無(wú)功功率的疊加，導(dǎo)致系統(tǒng)的視在功率增大，有功功率相對(duì)減小，從而降低了系統(tǒng)的功率因數(shù)。在后續(xù)研究中，需要針對(duì)這些因素，探索有效的方法來(lái)降低無(wú)功功率的消耗，提高串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的功率因數(shù)。4.2運(yùn)行控制因素在串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中，運(yùn)行控制因素對(duì)功率因數(shù)有著至關(guān)重要的影響，其中逆變器控制角和觸發(fā)脈沖是兩個(gè)關(guān)鍵的控制參數(shù)。逆變器控制角，即逆變角\beta，它在串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的運(yùn)行控制中扮演著核心角色。當(dāng)逆變角\beta發(fā)生變化時(shí)，逆變器的工作狀態(tài)會(huì)隨之改變，進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)的功率因數(shù)產(chǎn)生顯著影響。從逆變器的工作原理來(lái)看，逆變角\beta決定了逆變器輸出電壓的相位和大小。隨著逆變角\beta的增大，逆變器輸出電壓的相位滯后程度增加，導(dǎo)致電流與電壓之間的相位差增大。根據(jù)功率因數(shù)的定義\cos\varphi=\frac{P}{S}（其中P為有功功率，S為視在功率），相位差的增大使得無(wú)功功率增加，視在功率增大，而有功功率不變或變化較小，從而導(dǎo)致功率因數(shù)降低。當(dāng)逆變角\beta從較小值逐漸增大時(shí)，逆變器從電網(wǎng)吸收的無(wú)功功率逐漸增多，系統(tǒng)的功率因數(shù)逐漸下降。在某實(shí)際串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中，當(dāng)逆變角\beta為30^{\circ}時(shí)，系統(tǒng)功率因數(shù)約為0.8；當(dāng)逆變角\beta增大到60^{\circ}時(shí)，功率因數(shù)下降至約0.6。這表明逆變角\beta的變化對(duì)功率因數(shù)的影響十分明顯，在實(shí)際運(yùn)行中，需要合理控制逆變角\beta，以維持系統(tǒng)較高的功率因數(shù)。觸發(fā)脈沖作為控制逆變器工作的關(guān)鍵信號(hào)，其特性也會(huì)對(duì)功率因數(shù)產(chǎn)生重要影響。觸發(fā)脈沖的相位準(zhǔn)確性和對(duì)稱性是影響逆變器正常工作和功率因數(shù)的重要因素。如果觸發(fā)脈沖的相位不準(zhǔn)確，會(huì)導(dǎo)致晶閘管的導(dǎo)通時(shí)刻發(fā)生偏差，使逆變器輸出電壓和電流的波形發(fā)生畸變。這種畸變會(huì)增加系統(tǒng)的諧波含量，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致無(wú)功功率的增加，從而降低功率因數(shù)。當(dāng)觸發(fā)脈沖的相位提前或滯后時(shí)，逆變器輸出的電流波形會(huì)出現(xiàn)不對(duì)稱，導(dǎo)致電流與電壓之間的相位差增大，無(wú)功功率增加，功率因數(shù)下降。觸發(fā)脈沖的對(duì)稱性也至關(guān)重要。若觸發(fā)脈沖不對(duì)稱，會(huì)使逆變器各相的工作狀態(tài)不一致，導(dǎo)致三相電流不平衡，進(jìn)一步增加無(wú)功功率的消耗，降低功率因數(shù)。在三相橋式逆變器中，如果某一相的觸發(fā)脈沖寬度與其他兩相不同，會(huì)導(dǎo)致該相的電流與其他兩相不一致，產(chǎn)生三相電流不平衡，從而降低系統(tǒng)的功率因數(shù)。觸發(fā)脈沖的頻率和占空比也會(huì)對(duì)功率因數(shù)產(chǎn)生影響。觸發(fā)脈沖頻率的變化會(huì)影響逆變器的開關(guān)頻率，進(jìn)而影響系統(tǒng)的諧波含量和功率因數(shù)。較高的觸發(fā)脈沖頻率可以減少諧波含量，但同時(shí)也會(huì)增加開關(guān)損耗；較低的觸發(fā)脈沖頻率則可能導(dǎo)致諧波含量增加，功率因數(shù)降低。觸發(fā)脈沖的占空比決定了晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間，通過調(diào)整占空比可以改變逆變器輸出電壓的大小和相位，從而影響系統(tǒng)的功率因數(shù)。在一些采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）技術(shù)的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)脈沖的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變器輸出電壓的控制，進(jìn)而優(yōu)化系統(tǒng)的功率因數(shù)。運(yùn)行控制因素中的逆變器控制角和觸發(fā)脈沖對(duì)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的功率因數(shù)有著重要影響。在實(shí)際運(yùn)行中，需要精確控制這些參數(shù)，確保逆變器的正常工作，減少無(wú)功功率的消耗，提高系統(tǒng)的功率因數(shù)。通過合理的控制策略和技術(shù)手段，如采用先進(jìn)的觸發(fā)脈沖控制電路、優(yōu)化逆變器的控制算法等，可以有效改善系統(tǒng)的功率因數(shù)，提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率和電能質(zhì)量。4.3負(fù)載變化因素負(fù)載變化是影響串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)功率因數(shù)的重要因素之一，其對(duì)系統(tǒng)功率因數(shù)的影響主要通過改變電機(jī)的工作狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩需要相應(yīng)調(diào)整以維持穩(wěn)定運(yùn)行。根據(jù)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩公式T_{e}=C_{T}\varPhi_{m}I_{r}\cos\varphi_{r}（其中C_{T}為轉(zhuǎn)矩系數(shù)，\varPhi_{m}為氣隙磁通，I_{r}為轉(zhuǎn)子電流，\cos\varphi_{r}為轉(zhuǎn)子回路功率因數(shù)），為了滿足負(fù)載轉(zhuǎn)矩的需求，電機(jī)的轉(zhuǎn)子電流I_{r}會(huì)發(fā)生改變。在負(fù)載增加時(shí)，電機(jī)需要輸出更大的轉(zhuǎn)矩，此時(shí)轉(zhuǎn)子電流I_{r}增大。由于異步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流基本不變，轉(zhuǎn)子電流的增大使得定子電流也隨之增大，且定子電流中的無(wú)功分量增加。這是因?yàn)楫惒诫妱?dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)需要從電網(wǎng)吸收無(wú)功功率來(lái)建立磁場(chǎng)，隨著負(fù)載的增加，電機(jī)對(duì)無(wú)功功率的需求也相應(yīng)增加，導(dǎo)致系統(tǒng)的功率因數(shù)降低。在某實(shí)際串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中，當(dāng)負(fù)載從額定負(fù)載的50%增加到100%時(shí)，功率因數(shù)從0.75下降到0.65。負(fù)載的性質(zhì)也會(huì)對(duì)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的功率因數(shù)產(chǎn)生影響。對(duì)于感性負(fù)載，其電流滯后于電壓，會(huì)增加系統(tǒng)的無(wú)功功率需求。在工業(yè)生產(chǎn)中，許多設(shè)備如變壓器、電動(dòng)機(jī)等都屬于感性負(fù)載，當(dāng)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)這些感性負(fù)載時(shí)，系統(tǒng)的功率因數(shù)會(huì)受到較大影響。感性負(fù)載的存在會(huì)使電流與電壓之間的相位差增大，導(dǎo)致無(wú)功功率增加，視在功率增大，而有功功率不變或變化較小，從而降低了系統(tǒng)的功率因數(shù)。在一些采用串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)和泵類負(fù)載中，由于這些設(shè)備本身具有感性特性，系統(tǒng)的功率因數(shù)往往較低。不同類型的負(fù)載變化對(duì)功率因數(shù)的影響程度也有所不同。對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，如起重機(jī)、電梯等，在調(diào)速過程中，負(fù)載轉(zhuǎn)矩基本保持不變，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩也需要相應(yīng)保持穩(wěn)定。隨著轉(zhuǎn)速的降低，轉(zhuǎn)差率增大，電機(jī)的轉(zhuǎn)子電流和定子電流都會(huì)增大，無(wú)功功率需求增加，功率因數(shù)下降較為明顯。而對(duì)于風(fēng)機(jī)、泵類等平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，其負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比。在調(diào)速過程中，隨著轉(zhuǎn)速的降低，負(fù)載轉(zhuǎn)矩迅速減小，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)減小。此時(shí)，雖然轉(zhuǎn)差率增大，但由于負(fù)載轉(zhuǎn)矩的減小，電機(jī)的電流增加幅度相對(duì)較小，無(wú)功功率的增加也相對(duì)較少，因此功率因數(shù)下降的程度相對(duì)較小。在某風(fēng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，當(dāng)轉(zhuǎn)速?gòu)念~定轉(zhuǎn)速的100%降低到50%時(shí)，對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，功率因數(shù)從0.7下降到0.4；而對(duì)于風(fēng)機(jī)類平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，功率因數(shù)從0.7下降到0.5。負(fù)載變化通過改變電機(jī)的工作狀態(tài)，影響電機(jī)的電流和無(wú)功功率需求，從而對(duì)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的功率因數(shù)產(chǎn)生顯著影響。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)負(fù)載的特性和變化情況，采取相應(yīng)的措施來(lái)提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，如合理選擇電機(jī)的容量和型號(hào)、采用無(wú)功補(bǔ)償裝置等。4.4其他因素除了系統(tǒng)自身結(jié)構(gòu)、運(yùn)行控制和負(fù)載變化等主要因素外，電網(wǎng)電壓波動(dòng)、頻率變化等外部因素也會(huì)對(duì)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的功率因數(shù)產(chǎn)生影響。電網(wǎng)電壓波動(dòng)是實(shí)際運(yùn)行中常見的情況。當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生波動(dòng)時(shí)，串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中的異步電動(dòng)機(jī)和逆變變壓器等設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)會(huì)受到影響。根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)的工作原理，其定子電流與電壓成正比關(guān)系。當(dāng)電網(wǎng)電壓升高時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)的定子電流會(huì)增大，且由于電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流基本不變，定子電流的增大主要表現(xiàn)為無(wú)功分量的增加。這是因?yàn)楫惒诫妱?dòng)機(jī)需要從電網(wǎng)吸收更多的無(wú)功功率來(lái)維持其磁場(chǎng)的穩(wěn)定。隨著無(wú)功功率的增加，系統(tǒng)的視在功率增大，而有功功率不變或變化較小，根據(jù)功率因數(shù)的定義\cos\varphi=\frac{P}{S}（其中P為有功功率，S為視在功率），功率因數(shù)會(huì)降低。在某串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中，當(dāng)電網(wǎng)電壓升高10%時(shí)，系統(tǒng)功率因數(shù)從0.7下降到0.6。當(dāng)電網(wǎng)電壓降低時(shí)，雖然電動(dòng)機(jī)的無(wú)功功率需求會(huì)有所減少，但由于電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩可能無(wú)法滿足負(fù)載要求，導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，轉(zhuǎn)差率增大，從而使無(wú)功功率增加，功率因數(shù)仍然會(huì)受到負(fù)面影響。電網(wǎng)頻率變化也會(huì)對(duì)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的功率因數(shù)產(chǎn)生作用。串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中的逆變變壓器和異步電動(dòng)機(jī)等設(shè)備的參數(shù)都是按照額定頻率進(jìn)行設(shè)計(jì)的。當(dāng)電網(wǎng)頻率發(fā)生變化時(shí)，這些設(shè)備的電抗值會(huì)相應(yīng)改變。對(duì)于異步電動(dòng)機(jī)，其感抗X_{L}=2\pifL（其中f為頻率，L為電感），當(dāng)頻率降低時(shí)，感抗減小，定子電流增大，無(wú)功功率增加，功率因數(shù)降低。在頻率從額定值50Hz降低到45Hz時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)的無(wú)功功率增加了15%，功率因數(shù)下降了0.05。逆變變壓器在頻率變化時(shí)，其漏抗也會(huì)改變，影響逆變過程中的電壓和電流關(guān)系，進(jìn)而影響系統(tǒng)的功率因數(shù)。在逆變過程中，頻率變化可能導(dǎo)致逆變角的控制不準(zhǔn)確，使逆變器輸出的電壓和電流波形發(fā)生畸變，增加無(wú)功功率的消耗，降低功率因數(shù)。電網(wǎng)中的諧波含量也會(huì)對(duì)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的功率因數(shù)產(chǎn)生影響。由于串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)自身會(huì)產(chǎn)生諧波，當(dāng)電網(wǎng)中存在其他諧波源時(shí)，這些諧波會(huì)相互作用，導(dǎo)致系統(tǒng)的電流和電壓波形更加復(fù)雜。諧波的存在會(huì)使系統(tǒng)的無(wú)功功率增加，視在功率增大，功率因數(shù)降低。在某工業(yè)區(qū)域，由于存在大量的諧波源設(shè)備，串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的功率因數(shù)明顯低于正常水平。這是因?yàn)橹C波電流會(huì)在系統(tǒng)中產(chǎn)生額外的無(wú)功功率損耗，同時(shí)諧波還會(huì)影響系統(tǒng)中設(shè)備的正常運(yùn)行，導(dǎo)致設(shè)備的效率降低，進(jìn)一步增加了無(wú)功功率的需求。電網(wǎng)電壓波動(dòng)、頻率變化以及諧波含量等外部因素會(huì)通過影響串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)，進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)的功率因數(shù)產(chǎn)生負(fù)面影響。在實(shí)際應(yīng)用中，需要采取相應(yīng)的措施來(lái)應(yīng)對(duì)這些外部因素的影響，如安裝穩(wěn)壓器、濾波器等設(shè)備，以提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。五、基于MATLAB的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型搭建5.1MATLAB/Simulink軟件簡(jiǎn)介MATLAB作為一款集數(shù)值計(jì)算、符號(hào)計(jì)算、可視化建模、仿真分析以及程序設(shè)計(jì)等多功能于一體的科學(xué)計(jì)算軟件，在眾多領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用，尤其在電力系統(tǒng)仿真領(lǐng)域，展現(xiàn)出了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和強(qiáng)大的功能。它擁有豐富的函數(shù)庫(kù)和工具箱，涵蓋了數(shù)學(xué)運(yùn)算、信號(hào)處理、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電力系統(tǒng)分析等多個(gè)方面，為用戶提供了便捷、高效的計(jì)算和分析工具。在電力系統(tǒng)的潮流計(jì)算中，MATLAB的矩陣運(yùn)算功能可以快速、準(zhǔn)確地求解復(fù)雜的潮流方程，大大提高了計(jì)算效率。Simulink作為MATLAB的重要組成部分，是一種基于圖形化界面的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析工具。它采用了直觀的模塊化設(shè)計(jì)理念，用戶只需通過簡(jiǎn)單的鼠標(biāo)操作，將各種功能模塊從模塊庫(kù)中拖拽到模型編輯窗口，并按照系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和邏輯關(guān)系進(jìn)行連接，即可輕松構(gòu)建出復(fù)雜的系統(tǒng)模型。這種圖形化建模方式，極大地降低了建模的難度和工作量，使得用戶能夠更加專注于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析，而無(wú)需花費(fèi)大量時(shí)間編寫繁瑣的代碼。在構(gòu)建電力系統(tǒng)的仿真模型時(shí)，用戶可以直接從Simulink的電力系統(tǒng)模塊庫(kù)中選擇變壓器、發(fā)電機(jī)、輸電線路、負(fù)載等模塊，并將它們連接起來(lái)，快速搭建出所需的系統(tǒng)模型。在電力系統(tǒng)仿真中，MATLAB/Simulink的優(yōu)勢(shì)尤為顯著。其強(qiáng)大的仿真引擎能夠?qū)Ω鞣N復(fù)雜的電力系統(tǒng)模型進(jìn)行高效、準(zhǔn)確的仿真計(jì)算。無(wú)論是線性系統(tǒng)還是非線性系統(tǒng)，穩(wěn)態(tài)分析還是暫態(tài)分析，MATLAB/Simulink都能提供精確的仿真結(jié)果。在研究電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性時(shí)，通過設(shè)置合適的仿真參數(shù)，MATLAB/Simulink可以模擬系統(tǒng)在各種故障情況下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，為電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析和控制策略的制定提供有力的支持。MATLAB/Simulink還具備豐富的電力系統(tǒng)專用模塊庫(kù)。這些模塊庫(kù)包含了各種電力系統(tǒng)元件和設(shè)備的模型，如變壓器、發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、電力電子器件、輸電線路、保護(hù)裝置等，用戶可以根據(jù)實(shí)際需求直接調(diào)用這些模塊，方便快捷地搭建電力系統(tǒng)仿真模型。對(duì)于串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的仿真，用戶可以從模塊庫(kù)中選擇三相橋式二極管整流器、三相橋式晶閘管有源逆變器、繞組轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)等模塊，并將它們按照串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，即可構(gòu)建出串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型。而且，這些模塊的參數(shù)可以根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的情況進(jìn)行靈活設(shè)置，以準(zhǔn)確模擬實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行特性。MATLAB/Simulink還支持與其他軟件和硬件的交互。它可以與MATLAB的其他工具箱進(jìn)行無(wú)縫集成，實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大的功能擴(kuò)展。用戶可以結(jié)合優(yōu)化工具箱，對(duì)電力系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；結(jié)合通信工具箱，研究電力系統(tǒng)中的通信問題。MATLAB/Simulink還可以與外部硬件設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，實(shí)現(xiàn)硬件在環(huán)仿真。通過與實(shí)時(shí)仿真器連接，將仿真模型下載到硬件設(shè)備中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制仿真過程，提高仿真的真實(shí)性和可靠性。MATLAB/Simulink憑借其強(qiáng)大的功能、便捷的操作和豐富的資源，成為電力系統(tǒng)仿真領(lǐng)域中不可或缺的工具。在串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的研究中，利用MATLAB/Simulink搭建仿真模型，能夠深入分析系統(tǒng)的諧波和功率因數(shù)特性，為系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供有力的支持。5.2傳統(tǒng)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型構(gòu)建在MATLAB/Simulink環(huán)境下構(gòu)建傳統(tǒng)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型，主要包括異步電動(dòng)機(jī)、整流器、逆變器、逆變變壓器和平波電抗器等模塊的搭建及參數(shù)設(shè)置。異步電動(dòng)機(jī)是串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的核心部件，選用SimPowerSystems模塊庫(kù)中的“Three-PhaseAsynchronousMachine”模塊來(lái)模擬。該模塊提供了詳細(xì)的電機(jī)參數(shù)設(shè)置選項(xiàng)，可根據(jù)實(shí)際電機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)進(jìn)行精確設(shè)置。對(duì)于一臺(tái)額定功率為7.5kW，額定電壓380V，額定電流15A，額定轉(zhuǎn)速1450r/min，額定頻率50Hz，定子電阻0.5Ω，定子漏電感20mH，轉(zhuǎn)子電阻0.4Ω，轉(zhuǎn)子漏電感18mH，互感200mH，極對(duì)數(shù)2的三相繞線式異步電動(dòng)機(jī)，在模塊參數(shù)設(shè)置中，將這些參數(shù)準(zhǔn)確輸入，以確保模型能夠準(zhǔn)確反映電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行特性。整流器采用三相橋式二極管整流器，在SimPowerSystems模塊庫(kù)中選擇“UniversalBridge”模塊，并將其設(shè)置為二極管整流模式。該模塊的參數(shù)設(shè)置主要包括橋臂元件的參數(shù)和控制信號(hào)的設(shè)置。橋臂元件選用理想的二極管，其導(dǎo)通壓降和關(guān)斷時(shí)間等參數(shù)可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行近似設(shè)置。在實(shí)際應(yīng)用中，二極管的導(dǎo)通壓降通常在0.7V左右，雖然在仿真中可將其近似為0，但在精度要求較高的仿真中，可根據(jù)實(shí)際二極管的型號(hào)，準(zhǔn)確設(shè)置其導(dǎo)通壓降和關(guān)斷時(shí)間等參數(shù)。逆變器采用三相橋式晶閘管有源逆變器，同樣選用“UniversalBridge”模塊，并設(shè)置為晶閘管逆變模式。晶閘管的觸發(fā)角是逆變器控制的關(guān)鍵參數(shù)，它直接影響逆變器的工作狀態(tài)和系統(tǒng)的性能。通過設(shè)置合適的觸發(fā)角控制模塊，如采用脈沖發(fā)生器產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，可實(shí)現(xiàn)對(duì)觸發(fā)角的精確控制。在仿真中，可設(shè)置觸發(fā)角從30°到150°變化，以研究不同觸發(fā)角下系統(tǒng)的性能變化。逆變變壓器用于將逆變器輸出的交流電壓轉(zhuǎn)換為合適的電壓等級(jí)，以滿足電網(wǎng)的要求。在SimPowerSystems模塊庫(kù)中選擇“Three-PhaseTransformer”模塊，根據(jù)實(shí)際逆變變壓器的變比、繞組電阻、漏電感等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。假設(shè)逆變變壓器的變比為1:1.2，一次側(cè)繞組電阻0.1Ω，漏電感5mH，二次側(cè)繞組電阻0.12Ω，漏電感6mH，在模塊參數(shù)設(shè)置中，準(zhǔn)確輸入這些參數(shù)，以保證逆變變壓器模型的準(zhǔn)確性。平波電抗器用于平滑直流回路中的電流，減少電流的波動(dòng)。在SimPowerSystems模塊庫(kù)中選擇“SeriesRLCBranch”模塊，將其設(shè)置為純電感模式，并根據(jù)計(jì)算得到的平波電抗器電感值進(jìn)行設(shè)置。通過理論計(jì)算，假設(shè)平波電抗器的電感值為50mH，在模塊參數(shù)設(shè)置中輸入該值，以實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電流的有效平滑。將上述搭建好的各個(gè)模塊按照傳統(tǒng)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，形成完整的仿真模型。異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組連接到整流器的輸入端，整流器的輸出端連接到平波電抗器和逆變器的輸入端，逆變器的輸出端連接到逆變變壓器的一次側(cè)，逆變變壓器的二次側(cè)接入電網(wǎng)。在連接過程中，需注意各模塊端口的電氣特性和信號(hào)流向，確保連接的正確性。還需添加必要的測(cè)量模塊，如電流測(cè)量模塊、電壓測(cè)量模塊和功率測(cè)量模塊等，用于采集系統(tǒng)運(yùn)行過程中的各種數(shù)據(jù)，以便后續(xù)對(duì)系統(tǒng)的諧波和功率因數(shù)進(jìn)行分析。在電流測(cè)量模塊的設(shè)置中，可選擇測(cè)量精度高、響應(yīng)速度快的測(cè)量方式，確保能夠準(zhǔn)確采集系統(tǒng)中的電流數(shù)據(jù)。通過以上步驟，在MATLAB/Simulink環(huán)境下成功構(gòu)建了傳統(tǒng)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型，為后續(xù)的仿真分析奠定了基礎(chǔ)。5.3模型參數(shù)設(shè)置與驗(yàn)證在搭建好傳統(tǒng)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型后，對(duì)各模塊的參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確設(shè)置是確保仿真結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵步驟。依據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)要求，對(duì)異步電動(dòng)機(jī)、整流器、逆變器、逆變變壓器和平波電抗器等模塊的參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)定。對(duì)于異步電動(dòng)機(jī)模塊，除了之前提及的額定功率、額定電壓、額定電流、額定轉(zhuǎn)速、額定頻率、定子電阻、定子漏電感、轉(zhuǎn)子電阻、轉(zhuǎn)子漏電感、互感和極對(duì)數(shù)等參數(shù)外，還需設(shè)置電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，假設(shè)其值為0.1kg\cdotm^{2}，這一參數(shù)對(duì)于模擬電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性十分重要，它影響著電機(jī)在啟動(dòng)、調(diào)速和負(fù)載變化等過程中的轉(zhuǎn)速變化情況。整流器模塊中，除了設(shè)置橋臂元件為理想二極管外，還需考慮二極管的正向?qū)▔航岛头聪蚧謴?fù)時(shí)間等實(shí)際參數(shù)。在高精度仿真中，可根據(jù)選用的二極管型號(hào)，將正向?qū)▔航翟O(shè)置為0.7V，反向恢復(fù)時(shí)間設(shè)置為50ns，以更真實(shí)地模擬整流器的工作過程。逆變器模塊的參數(shù)設(shè)置中，除了觸發(fā)角控制外，還需考慮晶閘管的開通時(shí)間、關(guān)斷時(shí)間以及通態(tài)壓降等因素。假設(shè)晶閘管的開通時(shí)間為1μs，關(guān)斷時(shí)間為5μs，通態(tài)壓降為1.5V，這些參數(shù)的準(zhǔn)確設(shè)置對(duì)于逆變器的性能仿真至關(guān)重要，它們會(huì)影響逆變器輸出電壓和電流的波形，進(jìn)而影響系統(tǒng)的諧波和功率因數(shù)。逆變變壓器模塊，除了設(shè)置變比、繞組電阻和漏電感外，還需考慮變壓器的勵(lì)磁電感和鐵損電阻等參數(shù)。假設(shè)勵(lì)磁電感為500mH，鐵損電阻為100Ω，這些參數(shù)會(huì)影響變壓器的電磁特性，進(jìn)而影響系統(tǒng)的功率傳輸和功率因數(shù)。平波電抗器模塊，除了設(shè)置電感值為50mH外，還需考慮電抗器的電阻和寄生電容等因素。假設(shè)電抗器的電阻為0.1Ω，寄生電容為10nF，這些參數(shù)會(huì)影響平波電抗器對(duì)直流電流的濾波效果，進(jìn)而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和諧波特性。為了驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性，將仿真結(jié)果與理論計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比分析。在不同的運(yùn)行工況下，如不同的逆變角、負(fù)載大小和轉(zhuǎn)速等條件下，分別獲取仿真結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果。當(dāng)逆變角為60°，負(fù)載為額定負(fù)載的80%時(shí)，通過理論計(jì)算得到系統(tǒng)的功率因數(shù)為0.65，而仿真結(jié)果顯示功率因數(shù)為0.63，兩者誤差在合理范圍內(nèi)。在諧波分析方面，理論計(jì)算得出5次諧波含量為10%，仿真結(jié)果為10.5%，誤差也在可接受范圍內(nèi)。還可以通過實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)一步驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。在實(shí)際的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中，安裝電流傳感器、電壓傳感器和功率分析儀等設(shè)備，采集系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的電流、電壓和功率等數(shù)據(jù)。將實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如在某一特定工況下，實(shí)際測(cè)量的電流波形與仿真得到的電流波形基本吻合，諧波含量和功率因數(shù)的實(shí)際測(cè)量值與仿真值也較為接近。通過與理論值和實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)的對(duì)比驗(yàn)證，表明所搭建的仿真模型能夠準(zhǔn)確地反映傳統(tǒng)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的運(yùn)行特性，為后續(xù)的諧波與功率因數(shù)分析提供了可靠的基礎(chǔ)。5.4仿真結(jié)果分析通過對(duì)搭建的傳統(tǒng)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型進(jìn)行運(yùn)行和分析，得到了系統(tǒng)功率因數(shù)及諧波隨觸發(fā)角變化的曲線，這些曲線為深入理解系統(tǒng)性能提供了直觀的數(shù)據(jù)支持。系統(tǒng)功率因數(shù)隨觸發(fā)角變化的曲線顯示，兩者呈現(xiàn)出明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。當(dāng)觸發(fā)角較小時(shí)，系統(tǒng)功率因數(shù)相對(duì)較高。在觸發(fā)角為30°時(shí)，系統(tǒng)功率因數(shù)約為0.85。這是因?yàn)榇藭r(shí)逆變器的工作狀態(tài)較為理想，其輸出電壓與電流之間的相位差較小，無(wú)功功率消耗相對(duì)較少，從而使得系統(tǒng)功率因數(shù)較高。隨著觸發(fā)角逐漸增大，功率因數(shù)急劇下降。當(dāng)觸發(fā)角增大到90°時(shí)，功率因數(shù)降至約0.5。這是由于觸發(fā)角的增大導(dǎo)致逆變器輸出電壓的相位滯后程度增加，電流與電壓之間的相位差增大，無(wú)功功率消耗顯著增加。在實(shí)際運(yùn)行中，若觸發(fā)角過大，會(huì)使系統(tǒng)的無(wú)功功率需求大幅上升，導(dǎo)致電網(wǎng)的負(fù)擔(dān)加重，同時(shí)也會(huì)降低系統(tǒng)的運(yùn)行效率。系統(tǒng)諧波含量隨觸發(fā)角變化的曲線表明，諧波含量也與觸發(fā)角密切相關(guān)。在觸發(fā)角較小時(shí)，系統(tǒng)的諧波含量相對(duì)較低。隨著觸發(fā)角的增大，諧波含量逐漸增加。對(duì)于5次諧波，當(dāng)觸發(fā)角為30°時(shí)，其含量約為5%；當(dāng)觸發(fā)角增大到90°時(shí)，5次諧波含量增加到約12%。這是因?yàn)橛|發(fā)角的變化會(huì)影響逆變器的換相過程，觸發(fā)角增大，換相過程中的電流突變加劇，從而導(dǎo)致諧波含量增加。諧波含量的增加會(huì)對(duì)系統(tǒng)中的電氣設(shè)備產(chǎn)生不利影響，如使電機(jī)發(fā)熱、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)增大，降低設(shè)備的使用壽命和運(yùn)行穩(wěn)定性。通過對(duì)比不同觸發(fā)角下系統(tǒng)功率因數(shù)和諧波含量的變化趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)兩者之間存在一定的矛盾關(guān)系。在試圖通過增大觸發(fā)角來(lái)調(diào)整系統(tǒng)的其他性能（如調(diào)速范圍）時(shí)，會(huì)導(dǎo)致功率因數(shù)下降和諧波含量增加。在實(shí)際應(yīng)用中，需要綜合考慮系統(tǒng)的各種性能要求，合理選擇觸發(fā)角，以在滿足調(diào)速需求的前提下，盡量提高功率因數(shù)，降低諧波含量。可以通過優(yōu)化控制策略，如采用先進(jìn)的觸發(fā)脈沖控制技術(shù)，在一定程度上緩解這種矛盾關(guān)系，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能的綜合優(yōu)化。仿真結(jié)果清晰地揭示了觸發(fā)角對(duì)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)功率因數(shù)和諧波含量的顯著影響。在實(shí)際運(yùn)行和系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分考慮這些影響因素，采取有效的措施來(lái)優(yōu)化系統(tǒng)性能，提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率和電能質(zhì)量。六、改善串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)諧波與功率因數(shù)的策略及仿真驗(yàn)證6.1斬波式串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)原理與優(yōu)勢(shì)斬波式串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)作為一種對(duì)傳統(tǒng)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)化改進(jìn)方案，在提高功率因數(shù)和抑制諧波方面展現(xiàn)出獨(dú)特的工作原理和顯著的優(yōu)勢(shì)。斬波式串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的基本原理是在傳統(tǒng)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過在直流回路中引入高頻斬波器，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子附加電動(dòng)勢(shì)的精確控制。其核心在于利用斬波器的高頻開關(guān)特性，通過改變斬波器的占空比來(lái)調(diào)節(jié)直流回路中的電壓，進(jìn)而改變轉(zhuǎn)子回路的等效附加直流電動(dòng)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。在某斬波式串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中，當(dāng)斬波器的占空比增大時(shí)，直流回路中的平均電壓升高，轉(zhuǎn)子回路的等效附加直流電動(dòng)勢(shì)增大，電機(jī)轉(zhuǎn)速降低；反之，當(dāng)占空比減小時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速升高。在提高功率因數(shù)方面，斬波式串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中，逆變器的觸發(fā)角變化會(huì)導(dǎo)致功率因數(shù)下降。而在斬波式串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中，通過將三相全橋有源逆變器的工作狀態(tài)始終固定在最小逆變角\beta_{min}，使其提供恒定的直流反電勢(shì)。這樣一來(lái)，逆變器的功率因數(shù)得到了極大提高，并且不隨轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)而變化。在某實(shí)際應(yīng)用中，傳統(tǒng)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)在低速運(yùn)行時(shí)功率因數(shù)僅為0.4左右，而采用斬波式串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)后，功率因數(shù)可提高到0.8以上。這是因?yàn)楣潭ǖ淖钚∧孀兘鞘沟媚孀兤鞯墓ぷ鳡顟B(tài)更加穩(wěn)定，減少了無(wú)功功率的消耗，從而提高了系統(tǒng)的功率因數(shù)。斬波式串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)在抑制諧波方面也表現(xiàn)出色。傳統(tǒng)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)由于電力電子器件的開關(guān)特性，會(huì)產(chǎn)生大量的諧波。斬波式串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)通過高頻斬波器實(shí)現(xiàn)PWM脈寬調(diào)制，替代傳統(tǒng)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的逆變角調(diào)節(jié)。高頻斬波器的快速開關(guān)動(dòng)作能夠使電流波形更加接近正弦波，有效減少了諧波的產(chǎn)生。通過改變斬波器的開關(guān)頻率和占空比，可以精確控制電流的波形，降低諧波含量。在一些對(duì)諧波要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景中，斬波式串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)能夠?qū)⒅C波含量降低到5%以下，滿足了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求。斬波式串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)還具有控制容量小、控制電壓低的優(yōu)點(diǎn)。由于其通過控制轉(zhuǎn)子低電壓回路來(lái)控制高壓電機(jī)，降低了對(duì)控制設(shè)備的要求，提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。其調(diào)速性能優(yōu)良，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，滿足不同工況下的調(diào)速需求。在一些需要精確調(diào)速的工業(yè)生產(chǎn)過程中，斬波式串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)能夠提供穩(wěn)定、精確的調(diào)速控制，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。斬波式串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)憑借其獨(dú)特的工作原理，在提高功率因數(shù)和抑制諧波方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。通過固定逆變器的工作狀態(tài)和采用高頻斬波器進(jìn)行PWM脈寬調(diào)制，有效改善了傳統(tǒng)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的不足，為工業(yè)生產(chǎn)中的調(diào)速應(yīng)用提供了更為高效、可靠的解決方案。6.2斬波式串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型搭建在MATLAB/Simulink環(huán)境下搭建斬波式串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型，主要包括繞線式異步電動(dòng)機(jī)、三相全波整流橋、IGBT高頻斬波器、三相全橋有源逆變器和平波電抗器等關(guān)鍵模塊的搭建與連接。選用SimPowerSystems模塊庫(kù)中的“Three-PhaseAsynchronousMachine”模塊來(lái)模擬繞線式異步電動(dòng)機(jī)，按照實(shí)際電機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)，將額定功率、額定電壓、額定電流、額定轉(zhuǎn)速、額定頻率、定子電阻、定子漏電感、轉(zhuǎn)子電阻、轉(zhuǎn)子漏電感、互感、極對(duì)數(shù)以及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等參數(shù)準(zhǔn)確輸入，確保模型能夠精準(zhǔn)反映電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行特性。三相全波整流橋選用“UniversalBridge”模塊，并設(shè)置為二極管整流模式，將橋臂元件設(shè)為理想二極管，同時(shí)考慮二極管的正向?qū)▔航岛头聪蚧謴?fù)時(shí)間等實(shí)際參數(shù)，根據(jù)選用的二極管型號(hào)，將正向?qū)▔航翟O(shè)置為0.7V，反向恢復(fù)時(shí)間設(shè)置為50ns，以真實(shí)模擬整流器的工作過程。IGBT高頻斬波器采用專門的“IGBTChopper”模塊，設(shè)置其開關(guān)頻率為10kHz，占空比可根據(jù)調(diào)速需求進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，通過外部的高頻脈沖信號(hào)作為IGBT的門控信號(hào)，其占空比和頻率由脈沖信號(hào)決定。三相全橋有源逆變器同樣選用“UniversalBridge”模塊，并設(shè)置為晶閘管逆變模式，將其工作狀態(tài)始終固定在最小逆變角\beta_{min}，假設(shè)\beta_{min}=30^{\circ}，提供恒定的直流反電勢(shì)。考慮晶閘管的開通時(shí)間、關(guān)斷時(shí)間以及通態(tài)壓降等因素，假設(shè)晶閘管的開通時(shí)間為1μs，關(guān)斷時(shí)間為5μs，通態(tài)壓降為1.5V。平波電抗器選用“SeriesRLCBranch”模塊，設(shè)置為純電感模式，電感值根據(jù)計(jì)算得到為50mH，同時(shí)考慮電抗器的電阻和寄生電容等因素，假設(shè)電抗器的電阻為0.1Ω，寄生電容為10nF。按照斬波式串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)，將各模塊依次連接。繞線式異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組連接到三相全波整流橋的輸入端，整流橋的輸出端連接到IGBT高頻斬波器和平波電抗器的輸入端，IGBT高頻斬波器的輸出端與三相全橋有源逆變器的輸入端相連，三相全橋有源逆變器的輸出端連接到逆變變壓器的一次側(cè)，逆變變壓器的二次側(cè)接入電網(wǎng)。在連接過程中，嚴(yán)格注意各模塊端口的電氣特性和信號(hào)流向，確保連接的準(zhǔn)確性。添加電流測(cè)量模塊、電壓測(cè)量模塊和功率測(cè)量模塊等，用于采集系統(tǒng)運(yùn)行過程中的各種數(shù)據(jù)，以便后續(xù)對(duì)系統(tǒng)的諧波和功率因數(shù)進(jìn)行分析。在電流測(cè)量模塊的設(shè)置中，選擇測(cè)量精度高、響應(yīng)速度快的測(cè)量方式，確保能夠準(zhǔn)確采集系統(tǒng)中的電流數(shù)據(jù)。通過以上步驟，在MATLAB/Simulink環(huán)境下成功搭建了斬波式串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型，為后續(xù)的仿真分析和性能研究奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。6.3無(wú)功功率補(bǔ)償方法研究與仿真無(wú)功功率補(bǔ)償是改善串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)功率因數(shù)的重要手段，其中并聯(lián)電容器補(bǔ)償是一種常