24脉波整流的直流电机供电与控制系统研究_马西庚

图1基于自耦变压器的24脉波整流电路
图
定稿日期：2011-05-30
作者简介：马西庚（1957-），男，山东桓台人，教授，研究方向为电力电子技术及其应用。

1引言随着电力电子技术飞速发展，三相大功率整流技术已广泛应用于直流电机调速系统[1]。

在该系统采用的各种整流电路中，6脉波三相桥式全控整流电路应用最为广泛。

但大多数整流电路如带电容滤波的三相不可控整流和晶闸管相控整流装置均为典型的非线性负载，引起了网侧电流、电压波形畸变，导致较严重的电网谐波污染[2]。

文献[3-5]提出了多种改善整流电路输入电流波形的方法，其中24脉波整流电路能消除传统三相桥式全控6脉波整流电路中所含有的5，7，11，13，17，19等次谐波，降低了输入电流的谐波含量，减少了所串平波电抗器的电感量，提高输出电流的连续性。

在此提出了一种24脉波整流直流电机供电与控制系统，分析了对整流环节输入电流特性、输出电压特性，以及系统结构、工作原理，实验证明该系统具有较好的谐波抑制能力，能提高电机运行平稳度。

2
系统整流电路结构及特性分析
2.1
系统整流电路结构与网侧电流特性
直流电机供电与控制系统基于自耦变压器的
24脉波整流电路如图1所示。

自耦变压器初级绕
组与三相主电源三角形联接，次级绕组产生4组幅值相等，相位依次相差15°的三相电压（u a1，u b1，u c1），（u a2，u b2，u c2），（u a3，u b3，u c3），（u a4，u b4，u c4），分别与整流桥相连，再通过3组平衡电抗器并联4组整流桥组成24脉波整流电路。

自耦变压器每相次级有6个绕组，设初级绕组匝数为n 1，次级绕组匝数为n 2~n 7，则有：n 1∶n 2∶n 3∶
n 4∶n 5∶n 6∶n 7=1.71723∶0.13053∶0.13053∶0.34713∶0.34713∶0.07802∶0.07802。

由此设置变压器初、次级绕线
参数比。

网侧电流最终表达式为：
24脉波整流的直流电机供电与控制系统研究
马西庚，徐峻涛，路茂增，张
昊
（中国石油大学（华东），山东东营
257061）
摘要：提出了一种基于自耦变压器的24脉波整流直流电机供电与控制系统。

该系统利用自耦变压器移相输出
24脉波动的直流电压为直流电机供电，采用PI 调节的转速、电流双闭环方式控制直流电机。

给出了直流电机
供电与控制系统结构，分析了系统整流单元的输出特性，并将所设计系统在不同转速下网侧电压、电流谐波含量与传统直流电机调速系统谐波含量进行了对比。

实验证明，所提出的直流供电与控制系统能够有效降低对网侧的谐波污染，提高直流电机运行的平稳度。

关键词：直流电机；直流调速系统；双闭环；谐波中图分类号：TP202
文献标识码：A
文章编号：1000-100X （2011）11-0101-04
Research on DC Motor Power Supply and Control System
with 24-pulse Rectification
MA Xi -geng ，XU Jun -tao ，LU Mao -zeng ，ZHANG Hao
（China University of Petroleum ，Dongying 257061，China ）
Abstract ：This paper presents a 24-pulse rectifying DC power supply and control system based on autotransformer.Phase -shifting autotransformer is conducted to generate DC voltage with 24-pulse waves for the power supply of DC motor.PI controller is adopted in speed loop and current loop of DC motor regulating system.Voltage and current harmonic components are analyzed and compared with traditional double -loop DC speed regulating system.The experimental results prove that the proposed system can reduce the harmonic pollution and smooth the operation of DC motor effectively.
Keywords ：direct current motor ；direct current speed -regulating system ；double -closed loop ；harmonic
101
图3
触发电路的Matlab 模型
i A （t ）=4
∞
n =1，3，5…
ΣI o cos n π
6ΣΣΣΣ·M sin （n ωt ）（1）式中：M =k 1
1.717sin 2n π3ΣΣsin n π24ΣΣ+k 2
1.717
sin 2n π3ΣΣsin n π8ΣΣ-k 3
1.717
sin n π3ΣΣsin 5n π24ΣΣ+cos n π12ΣΣsin n π24ΣΣ。

n 次谐波的幅值为：
a n =4I o n π
cos n π
6ΣΣ
M
（2）将n ＝5，7，11，13，17，19分别代入上式，结果均为零。

可见，i A 中不再含有上述次谐波，所含谐波为24k ±1次，k =1，2，3，…，最低次谐波为23次。

2.2
输出电压特性
在所提24脉波整流电路基础上，进一步分析了整流电路输出电压特性。

每组整流桥输出电压波形相同，相位依次相差15°。

第I 组整流桥输出电压可表示为：
u VD1（t ）=33姨π
U m ′N
（3）
式中：U m ′为整流桥输入相电压幅值；N =1+
25×7
cos （6ωt ）-2cos （12ωt ）+2cos （18ωt ）-2cos （24ωt ）+…。

第IV 组整流桥输出电压u VD4（t ）与u VD1（t ）相差30°，故有：
u VD4（t ）=33姨π
U m ′Q
（4）
式中：Q =1+25×7cos6ωt-π12ΣΣ-211×13
cos12ωt-π12ΣΣ
+2cos18ωt-π12ΣΣ-2cos24ωt-π12ΣΣ
+…。

两组三相桥经L 1以后输出电压瞬时值为：u d （t ）=12[u VD1（t ）+u VD4（t ）]=33姨U m ′
·1-
211×13cos （12ωt ）-223×25cos （24ωt ）Σ
Σ
…
（5）
直流输出电压平均值为：
U d =33姨π
U m ′≈1.654U m ′
（6）
第II ，III 组三相整流桥同样相差30°，两组三相桥经平衡电抗器L 2后输出电压瞬时值为：u e （t ）=12[u VD2（t ）+u VD3（t ）]=33姨π
U m ′.1+2cos （12ωt ）-2cos （24ωt ）ΣΣ (7)
直流输出电压平均值为：
U e =33姨U m ′≈1.654U m ′
（8）
最后的输出电压为：
u o （t ）=12
[u d （t ）+u e （t ）]=
33姨π
U m
′1-223×25cos （24ωt ）ΣΣ…
（9）
由式（9）可见，输出电压周期分量为24次脉
波的整数倍，且幅值小，几乎为直流。

所含有效值可近似为：
U o =U orms ≈33姨π
U m ′≈1.654U m ′
（10）
整流器输出电压为24倍工频脉动的直流电压，脉动系数仅为0.0019。

3直流电机供电与控制系统电路结构
直流电机供电与控制系统主电路如图2所
示。

主电路由三相电源、移相变压器、4个三相整流桥组成的整流单元、平衡电抗器单元等组成。

3.1整流环节电路结构
输入端电源经过移相变压器后，形成4组幅
值相等、对应相相差15°的电压，输出端通过3组平衡电抗器并联4组整流桥组成24脉波整流电路。

Simulink 无自带自耦移相变压器模块。

该仿真采用饱和变压器构造移相变压器，可以实现自耦变压器移相原理和输入输出特性的模拟。

移相变压器移相-22.5°，-7.5°，7.5°，22.5°，其中7.5°和-7.5°可共用一组变压器模块实现。

单元触发电路如图3所示。

A ，B ，C 分别接三相电源；alpha 模块可设定触发角，pwidth 模块可设定脉冲宽度；freq 模块可设定工作频率；
double_pulse 模块可选择单、双脉冲触发方式，pulses 输出6路触发脉冲，后端接选择器selector 。

只需延时或超前
15°即可构成另几组触发电路。

图2主电路仿真图
102
多脉波
调速系统抗扰性能指标
t r /s
δ/%
t p /s
t s /s
△C max /%
t v /s
6脉0.267.10.290.35 1.80.0424脉
0.26
6.7
0.28
0.31
1.7
0.04
跟随性能指标
表1
控制系统性能指标对
比
图5
不同n 时，调速系统网侧电流谐波对比图
3.2控制环节仿真模型设计
双闭环直流调速系统具有良好的稳态和动态
性能。

所设计的直流电机供电与控制系统控制电路采用典型的转速、电流双闭环系统，转速调节器
ASR 设置输出限幅，以限制最大起动电流。

根据系
统运行需要，当给定电压U n *后，ASR 输出饱和，电机以最大允许电流起动，使电机转速很快上升，而达到给定的速度后转速超调，ASR 退饱和，电机电枢电流下降，经过两个调节器的调节作用，使系统很快达到稳态。

为获得良好的静、动态性能，转速和电流调节器都采用具有输入、输出限幅的PI 调节器，且转速与电流都采用负反馈闭环。

按照工程设计方法设计双闭环控制电路电流、转速调节器，并校验超调量是否满足要求。

设计要求：电流超调量σi ≤5%，转速无静差，转速超调量
σn ≤20%。

ASR ，ACR 采用PI 模块，按照工程方法
计算并优化，得ASR 参数为K P =11.83，K I =396.4，
ACR 参数为K P =3.75，K I =135.1。

4实验结果
电源A ，B ，C 相设置峰值电压为220V ，频率
为50Hz ，相位分别为0°，120°和240°。

直流电动机参数：220V ，55A ，1000r/min ，C e =0.1925V ·min/r 。

为使并联的4组整流桥能连续工作，L 1，L 2，L 3应满足条件：L 1，L 2＞0.153U m ′/（ωI o ），L 3＞0.0095U m ′/（ωI o ）。

设L 1=L 2=40mH ，L 3=2.5mH 。

当电机励磁电流一定时，n 与U 线性相关，即当电机各参数相同时，相同n 对应的电枢电压相同，因此可在不同直流调速系统转速相同时比较其对网侧的谐波污染。

这里在不同电机转速下，对比分析了24脉波整流直流电机供电与控制系统与传统6脉波整流直流电机调速系统的网侧电压
THD 、电流谐波含量及相关参数波形。

（1）网侧电压THD 对比
24脉与6脉波整流
直流电机调速系统网侧电压THD 对比如图4所示。

可见，不同n 下，24脉波网侧电压THD 均低于6脉整流调速系统。

（2）网侧电流谐波对比图5为不同转速n 下，
24脉波与6脉波直流电机调速系统网侧电流各次谐波含量对比图。

在n =100r ·min -1时，24脉波网侧电流谐波含量低，主要为24k ±1次谐波。

6脉
波网侧电流谐波含量较高，主要为6k ±1次谐波，其谐波含量远高于24脉整流双闭环直流电机调速系统。

当n =500r ·min -1时，6脉整波网侧电流谐波含量仍较高，主要为6k ±1次谐波。

24脉波网侧电流谐波次数仅为24k ±1次，其谐波含量远低于6脉整流的双闭环直流电机调速系统。

在n =1000r ·min -1时，6脉波网侧电流谐波含量仍在较高水平，以6k ±
1次谐波为主。

24脉波网侧电流谐波次数仍以为24k ±1次为主，系统谐波含量有所升高，但仍远低于6脉波整流的双闭环直流电机调速系统。

综上所述，
不同n 下，24脉波网侧电流各次谐波均小于对应的
6脉波整流直流调速系统网侧电流各次谐波。

（3）控制系统动态性能对比对系统跟随性能
指标（包括上升时间t r 、超调量δ、峰值时间t p 和调节时间t s ）进行了对比分析，并通过突加负载方式分析了系统抗扰性能指标，包括动态落降△C max 和恢复时间t v ）。

为提高精度，t s 和t v 取稳态值±1%的范围为允许波动范围。

控制系统性能参数如表1所示。

24脉波与6脉波系统性能相比基本相同，并没有因整流单元复杂化而降低。

图6为24脉波和6脉波整流直流电机调速
系统电机参数曲线。

可见，6脉波整流的双闭环直
图4
直流电机调速系统网侧电压THD 对
比
24脉波整流的直流电机供电与控制系统研究
103
第45卷第11期
2011年11月
Vol.45，
No.11
November2011
电力电子技术
Power Electronics
图4实验结果
图6实验波形
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（上接第82页）理论值相比，i a1误差为61mA，i p误差
为6.7mA，其误差都很小。

因此该方法对电压电流
畸变也有效。

单相基波电流的检测，给定±1V方
波，实验结果如图4b所示。

由理论计算知±1V方波基波幅值为1.28V，
可见，检测值约为1.28V，且相位与方波相位一
致，故该方法可直接用于单相基波电流的检测。

5结论
此处提出一种改进的检测方法，可同时检测
谐波电流和无功电流，无需低通滤波器，但同时检
测谐波电流和无功电流时需要锁相环，而只检测
谐波电流时无需锁相环；且采用基于幅值积分的
方法可直接用于单相电路的基波检测，无需α-β
或d-q变换，也无需锁相环和低通滤波器。

实验结
果表明改进的方法在三相电源电压畸变、不对称
等状况下，都能准确实时地实现电网中谐波与无
功电流的检测。

因此，理论推导和仿真、实验结果
验证了该方法的正确性和可行性。

参考文献
[1]王兆安，杨君，刘进军，等.谐波抑制和无功补偿
（第二版）[M].北京：机械工业出版社，2006.
[2]亓学光，术守喜，刘景超，等.一种改进的基于瞬时无
功功率理论的有功电流检测方法[J].电气应用，2008，
27（11）：67-70.
[3]王正雷，丁晓群.基于瞬时无功功率理论的无功电流
检测[J].中国科技论文在线，2008，3（8）：592-597.
[4]汤赐，罗安，程莹，等.基于正序基波提取器的
无功、谐波和负序电流检测方法[J].变流技术与电力
牵引，2008，5：43-48.
流电机调速系统电机转矩脉动较大，24脉波整流
直流电机供电与控制系统电机转矩脉动为6脉波
整流时的1/10。

综上所述，24脉整流直流电机供电与控制系
统与6脉波整流直流电机调速系统相比，具有较
低的网侧电压THD和电流谐波次数及含量，而系
统控制性能不变。

5结论
为降低直流电机调速系统对电网的谐波污
染，提出一种24脉波整流电路供电、双闭环控制
的直流电机供电与控制系统，并对系统的结构、工
作原理和输出电压特性进行了分析，利用Matlab/
Simulink对所设计系统与传统直流电机调速系统
进行了对比分析，结论如下：①多相整流电路，以
m个相位相差π/（3m）的三相桥式整流电路可构
成6m脉波整流电路。

电网平衡状态下，24脉波整
流电路网侧电流仅含24k±1次谐波，且网侧输入
电流的各次谐波有效值与其次数成反比。

整流电
路输出电压为24倍工频脉动的直流电压，脉动系
数仅为0.0019；②各转速下，24脉波网侧电压THD
低于各转速下6脉波网侧电压THD；24脉波网侧
电流谐波以24k±1次为主，含量少于含6k±1次谐
波的6脉波整流双闭环直流电机调速系统；24脉
波电机转矩脉动为6脉波整流时的1/10，而电机
调速性能并未因整流单元复杂化而降低。

基于自
耦变压器的24脉波整流直流电机供电与控制系
统电网电压THD低，电流谐波含量较小，与6脉
波整流直流电机调速系统相比具有较好的谐波抑
制能力，在直流调速领域中具有广阔的应用前景。

参考文献
[1]董璇，都洪基，郭新红.基于Simulink的直流调速系
统仿真及参数优化[J].电力系统自动化设备，2008，28
（2）：89-92.
[2]马西庚，白丽娜，李超，等.基于变压器三角形延长
接法的24脉整流系统的分析及Matlab仿真[J].高压
电器，2010，46（8）：39-42.
[3]马西庚，白丽娜.一种新型24脉波整流电路的设计及
仿真[J].计算机仿真，2009，26（5）：62-65.
[4]李小青，陈国柱.基于3次谐波无源注入法的谐波抑
制技术[J].电力系统自动化，2007，31（14）：61-65.
[5]张先进，龚春英.12脉冲多边形结构自耦变压整流器
应用研究[J].电力电子技术，2008，42（7）：55-57.
104。