交交变频同步电机矢量控制
系统网侧无功功率的研究李崇坚　干永革　王文　李发海摘　要：交交变频同步电机矢量控制系统在冶金、煤炭等行业的应用日益广泛，例如用于轧钢机和矿井提升机主传动上。采用这种变频调速方式，给用户带来很大的经济效益，但也给供电电网带来较大的无功冲击，影响了供电网的电能质量。为此，需要对该系统供电侧功率状况进行全面分析，以便对供电网采取相应的治理措施。针对该系统电网侧无功功率和功率因数进行了全面深入的分析，包括理论研究和仿真实验。首先是对各种功率理论的讨论，确立适合于该系统供电网侧瞬时功率分析的计算方法。在此基础上，对系统动、静态过程中瞬时功率状况进行定量分析，得出功率的变化规律。
关键词：交交变频；同步电机；无功功率
分类号：TM341　文献标识码：A
文章编号：0258-8013(2000)01-0061-06TOSTUDYTHEREACTIVEPOWERONSUPPLYNETWORKOFCYCLOCONVERTER-FEDSYNCHRONOUSMOTORSYSTEMWITHFIELD-ORIENTEDCONTROLLIChong-jian
（ARIM，Beijing100071，China）
GANYong-ge　WANGWen　LIFa-hai
（Dept.ofElectricEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084，China）ABSTRACT：Thecycloconverter-fedsynchronousmotorsystemwithfield-orientedcontrolhasbeenwidelyappliedtometallurgicalandcoalindustry,etc.Adaptingthusadjustablemodewithchaugingfrequency,therearemoreecomocalbenefitforconsumers,butinsomuchimpnlseofreactivepowerthathaveinfluenceonqualityofpowerdelivery.
　　Employingtheoreticalanalysisanddigitalsimulationexperiments,thispaperdealswiththestatusofreactivepowerandpowerfactoronsupplynetofsuchsystem.Differentprinciplesforthree-phasepoweranalysisarestudiedandadaptedinmethodsbeestablishedforthiskindofAC/ACdrivesystem.Thenquantifiedreactivepoweranalysisiscarriedonanditschangingregularityunderbothstaticanddynamicprocessesisgiven.
　　Itpointsoutthatbothtraditionalpowerprincipleandinstantaneouspowerprincipleareapplicabletosystemstaticprocessanalysis.Fordynamicprocessanalysis,onlythelatterisvalid.Thereactivepoweronsupplynetchangeswiththesystemrunningconditions.Itsamplitudeisdecidedbymotor''srotatingspeedandloadtorquewhilethepowerfactorismainlyinfluencedbytherotatingspeedbuthaslittlerelationswithloadtorque.
KEYWORDS：cycloconverter；synchronousmotor；reactivepower▲1　概述　　随着电力电子技术和矢量控制技术的发展，使得在低转速大功率传动领域中，交交变频同步电机矢量控制系统(文后简称“系统”)成为一种较好的传动方式。它过载能力强、效率高，控制性能达到或超过直流调速的水平，已成功地用于冶金行业大型轧钢机主传动中。但是，运行中，该系统在给用户带来很大经济效益的同时，给电网带来的无功冲击也不容忽视。无功冲击将造成电网电压的波动或偏差。电网电压偏差可按下式计算　　　　　　　　　　　　　　　　　　(1)式中　ΔU/U_e为电压偏差(标幺值)；Q为无功冲击负荷，MVar；P为有功冲击负荷，MW；S_k为供电网短路容量，MVA；R/X为供电网阻抗比系数。
　　由于供电网阻抗比系数很小，在计算时可忽略有功冲击，所以，造成电网电压偏差的主要原因是无功冲击。
　　对于交交变频系统网侧(文后简称“网侧”)功率状况的研究，前人做了许多工作，并取得一些可靠的结论，同时也存在一些问题。30年代，德国学者伊森多夫对交交变频器功率变换进行了分析，在传统功率理论的基础上，提出无功功率和平均位移功率因数的计算方法。该方法只适合于稳态下功率状况的分析计算。80年代，日本学者赤木泰文提出瞬时无功功率理论，至今尚无人应用瞬时功率法解决交交变频器功率变换过程中网侧瞬时功率的计算问题。在对供电电网进行治理时，不但需要知道功率及功率因数的大小，还需要掌握其变化规律。系统运行工况千变万化，不可能将所有工况下的功率大小一一计算出来，掌握变化规律后，只需选择几个具有代表性的工况进行计算即可。本文将应用瞬时功率理论，对该调速系统动、静态过程中网侧功率状况进行研究。首先给出两种功率理论和针对该系统的计算方法；然后进行仿真计算，给出系统在稳态以及典型的动态过程中，其网侧功率的变化规律；最后给出所得结论。本文应用“通用电力电子电机系统可视可控仿真软件包”进行仿真计算，在仿真系统中，各量均采用标幺值。2　功率理论2.1　传统功率理论　　对于三相对称正弦电路，经典的功率定义如下　　　　　　　　　　　　　　　　　　(2)　　在应用该理论进行计算时，需要知道电压和电流的有效值以及功率因数角，并且要保证电压、电流中不含有谐波分量。当电路处于稳态运行时，以上各量可以得到，但是在动态过程中，电压、电流大小以及它们之间的相位差都在瞬时变化，所以，此时便无法再按式2计算有功、无功的大小，而需要采用新的功率理论。2.2　瞬时功率理论　　如图1所示，u为电压矢量，i为电流矢量。设u、i与α轴的夹角分别为φ_u、φ_i，u、i间的夹角为功率因数角φ。赤木泰文提出的瞬时无功功率理论为　　　　　　　　　　　　　　　　　　(3)　　　　　　　　　　　　　　　　　　(4)　　　　　　　　　　　　　　　　　　(5)图1　电压u、电流i矢量图
Fig.1　Vectorofvoltageandcurrent　　在电压、电流为正弦时，对式3、4做变换，可得有功功率p为　　　　　　　　　　　　　　(6)[1][2][3]下一页