4MW斬波串級調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用研究

畢天昊 王欽若 張 卓 王永昌

（廣東工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院，廣東 廣州 510006）

0 引言

像鼓風(fēng)機(jī)和水泵這類對于調(diào)速性能及動態(tài)特性要求不高的設(shè)備，斬波串級調(diào)速是最有效的控制方法之一。由于開關(guān)非線性的存在，對于不同的控制方法，控制器的數(shù)學(xué)模型也有所不同。然而，單純的理論研究會把IGBT和FWD考慮成了理想元器件，當(dāng)把高頻斬波串級調(diào)速應(yīng)用到大功率繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)上時，就會出現(xiàn)很多問題，例如散熱性、故障保護(hù)和電磁干擾(EMI)等問題。當(dāng)設(shè)備是中等功率或低功率異步電動機(jī)時，這些問題可能是微不足道的，但當(dāng)設(shè)備是大功率感應(yīng)電動機(jī)時，這些問題對于斬波調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計就非常重要了。

本文介紹了斬波串級調(diào)速的原理，提出了斬波串級調(diào)速的數(shù)學(xué)模型，給出基于該模型的系統(tǒng)設(shè)計，并在4兆瓦的繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)的斬波串級調(diào)速系統(tǒng)中使用。

1 斬波串級調(diào)速的原理

斬波串級調(diào)速系統(tǒng)的典型框圖如圖1所示。圖中，REC是由二極管組成的不可控三相橋式整流電路，CH是采用IGBT作為功率器件的升壓斬波電路，INV是由可控硅組成的有源逆變電路。當(dāng)IGBT完全導(dǎo)通時，b點(diǎn)和e點(diǎn)之間的電壓等于IGBT的正向壓降Vce；當(dāng)IGBT完全關(guān)斷時，b點(diǎn)和e點(diǎn)之間的電壓等于電容兩端電壓UC。假設(shè)IGBT的頻率是f（則周期T=1/f），假設(shè)占空比等于α，則IGBT在每個周期內(nèi)的開通時間為τ=α/f。理論上，如果能夠控制轉(zhuǎn)子的平均電勢，就可以控制感應(yīng)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，即通過改變α的值來控制轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。

圖1 斬波串級調(diào)速系統(tǒng)示意圖

2 斬波串級調(diào)速系統(tǒng)建模

2.1 升壓斬波器的狀態(tài)空間平均模型

IGBT的開通關(guān)斷兩種不同狀態(tài)的等效電路分別如圖2和圖3所示。

圖2和圖3中，Urec為整流電壓；UC為電容兩端電壓；Uinv為逆變前直流電壓；R1和L1為沿電路點(diǎn)a-b-e的電阻和電感，R2和L2為沿電路點(diǎn)c-d-e的電阻和電感（見圖1）；RI為IGBT導(dǎo)通時的等效電阻；RF為續(xù)流二極管導(dǎo)通時的等效電阻；i1為整流電流；i2為逆變前直流電流。

圖2 IGBT開通時的等效電路

圖3 IGBT關(guān)斷時的等效電路

假設(shè)升壓斬波器工作在連續(xù)導(dǎo)通模式，其在一個周期內(nèi)的等效方程式如下所示：

為了得到升壓斬波電路的動態(tài)模型，可以通過狀態(tài)空間平均法在一個周期內(nèi)對i1取平均，然后得到表達(dá)式如下：

分別將控制變量和狀態(tài)變量分解為直流分量和交流分量，可得

2.2 IGBT和續(xù)流二極管對斬波電路影響的分析

將公式（7）進(jìn)行拉普拉斯變換，占空比α到整流電流i1的傳遞函數(shù)的推導(dǎo)過程如下

事實(shí)上，Vce和Vd應(yīng)遵循下述表達(dá)式：

若忽略功率器件的等效電阻（RI=0，RF=0），α到i1的傳遞函數(shù)就可表示為

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

目前該系統(tǒng)已投入國內(nèi)某水泥廠使用。設(shè)計外觀與實(shí)際整體外觀分別如圖4、圖5所示，觸摸屏采用人機(jī)交互，以便用戶直接觀察或設(shè)置參數(shù)。整個系統(tǒng)包含了水阻柜，整流柜，斬波柜，逆變柜，升壓變壓器，水冷系統(tǒng)和控制器。

圖4 斬波串級調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計外觀

圖5 斬波串級調(diào)速系統(tǒng)整體外觀

將4兆瓦繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)的斬波串級調(diào)速作為范例，其電機(jī)數(shù)據(jù)如下：

額定功率：4000kW，功率因數(shù)：0.9，定子電壓：10kV，定子電流：282.6A，轉(zhuǎn)子電壓：3060V，轉(zhuǎn)子電流：801A，額定轉(zhuǎn)速：992 轉(zhuǎn)/分，防護(hù)等級：IP54，調(diào)速范圍D=1.2，變壓器的二次側(cè)額定電壓：1450V。

IGBT的測量電壓如圖6所示，續(xù)流二極管的測量電壓如圖7所示。

圖6 實(shí)測IGBT電壓

圖7 續(xù)流二極管電壓

現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)都近似等于理論值，根據(jù)圖6、圖7可以看出UC幾乎不變。調(diào)試過程中，隨著占空比的增加，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速升高，整流電壓減小，但逆變前直流電流并不總是隨著占空比的增加而減小。電流被續(xù)流二極管反向阻斷，大部分轉(zhuǎn)差功率由逆變器送回電網(wǎng)，達(dá)到節(jié)能效果。當(dāng)轉(zhuǎn)速高于某個值時，逆變器直流電流會隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的升高而減小。這種現(xiàn)象的原因是當(dāng)轉(zhuǎn)差率發(fā)生變化時，機(jī)械特性也將隨之變化。

4 結(jié)論

本文論述了大功率繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動機(jī)的斬波串級調(diào)速系統(tǒng)。根據(jù)狀態(tài)空間平均法，提出了涉及IGBT和續(xù)流二極管的升壓斬波電路的模型，設(shè)計了相應(yīng)的控制系統(tǒng)，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果得知，該系統(tǒng)狀態(tài)穩(wěn)定、動態(tài)響應(yīng)速度快、節(jié)能效果顯著。此外，多層銅排結(jié)構(gòu)設(shè)計確保了雜散電感足夠小，但繁瑣的結(jié)構(gòu)使設(shè)備安裝變得很麻煩。以上這些問題將作為系統(tǒng)進(jìn)一步改善的主要內(nèi)容。

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