劉中良，陳偉華，於江赟

(1.上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093;

2.上海電器科學(xué)研究所(集團(tuán))有限公司，上海 200063)

0 引言

風(fēng)機(jī)、水泵作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)中應(yīng)用最為廣泛的生產(chǎn)機(jī)械設(shè)備，特別是大型風(fēng)機(jī)和水泵中的高壓大容量異步電機(jī)，被廣泛應(yīng)用于電力、水利、水處理、供水、城市供熱、冶金礦產(chǎn)、港口機(jī)械、石油化工等工業(yè)領(lǐng)域，耗電量很大?，F(xiàn)在大多數(shù)的風(fēng)機(jī)、水泵都采用調(diào)節(jié)閥門或檔風(fēng)板的開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)流量，以滿足負(fù)荷變化的要求，或使用效率低的調(diào)速方法，造成電能浪費(fèi)嚴(yán)重。

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，首先提出了串級(jí)調(diào)速的方法，有效提高了能量的利用效率。但是，傳統(tǒng)的串級(jí)調(diào)速通過(guò)改變逆變器的移相控制角的大小來(lái)對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，因此逆變器需要從電網(wǎng)中吸收大量的無(wú)功功率，降低了系統(tǒng)的功率因數(shù)。針對(duì)傳統(tǒng)的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中存在的不足，提出了用斬波器來(lái)控制直流電壓的大小，將逆變器的控制角設(shè)定為其允許的最小值不變來(lái)降低無(wú)功功率，提高系統(tǒng)功率因數(shù)的方法。

1 斬波器在內(nèi)饋斬波串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的作用

內(nèi)饋斬波串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的主電路見(jiàn)圖1。

圖1 內(nèi)饋斬波串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的主電圖

內(nèi)饋斬波串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中的斬波器是一個(gè)Boost升壓電路，但是它與傳統(tǒng)的升壓電路又有所不同。傳統(tǒng)的升壓電路是固定前端的直流電壓，通過(guò)改變斬波管的占空比來(lái)改變后端的輸出電壓。內(nèi)饋斬波串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中的斬波器則是固定后端直流電容兩端的電壓，通過(guò)改變斬波管的占空比，改變前端電壓來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，是一個(gè)逆向的過(guò)程。

圖1中的斬波器的斬波管IGBT工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。當(dāng)斬波管導(dǎo)通時(shí)，逆變器輸出的附加電動(dòng)勢(shì)被短接，此時(shí)電感L1處于儲(chǔ)能狀態(tài);當(dāng)斬波管關(guān)斷時(shí)，電感L1釋放剛才儲(chǔ)存的能量，此時(shí)電流i1經(jīng)過(guò)二極管對(duì)電容C充電，i1的值減小。假設(shè)斬波器的開(kāi)關(guān)周期為T，斬波管導(dǎo)通的時(shí)間為τ，則斬波管兩端的電壓波形如圖2所示。

圖2 斬波管兩端電壓波形

由圖2可知，斬波器前后兩端電壓匹配關(guān)系為

式中:D——斬波器占空比，0＜D＜1，D=τ/T。

由于斬波器后端電容兩端的電壓是固定的，因此通過(guò)改變斬波器的占空比，可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子整流出來(lái)的電壓UDR的大小。又因整流電路為三相橋式整流，故:

式中:s——內(nèi)饋電機(jī)轉(zhuǎn)差率;

Er0——電機(jī)轉(zhuǎn)子開(kāi)路電壓。

聯(lián)立式(1)和式(2)可得

式中:n——電機(jī)在不同占空比時(shí)的轉(zhuǎn)速;

nsyn——電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速。

通過(guò)式(4)，可得出結(jié)論:改變斬波器的開(kāi)通關(guān)斷時(shí)間即可改變內(nèi)饋電機(jī)轉(zhuǎn)速n的大小。因此內(nèi)饋斬波串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中斬波器的一個(gè)重要作用是，通過(guò)改變斬波器的占空比來(lái)改變內(nèi)饋電機(jī)轉(zhuǎn)速，不再需要像傳統(tǒng)的串級(jí)調(diào)速裝置那樣，通過(guò)改變晶閘管的移相角，而是把它固定在所允許的最小逆變角，從而提高了系統(tǒng)的功率因數(shù)。

從式(1)可知，斬波器的另一個(gè)重要作用是匹配轉(zhuǎn)子整流電壓UDR和后端直流電容電壓UC。因?yàn)楹蠖四孀兤鞯哪孀兘潜还潭槠湓试S的最小值，在調(diào)速過(guò)程中，逆變電壓Uy不可調(diào)，而轉(zhuǎn)子整流電壓UDR則隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的不同而不同，一般情況下要比逆變電壓Uy小。少了將轉(zhuǎn)差功率回饋到電網(wǎng)，根據(jù)有源逆變的條件可知，外加電壓必須大于逆變電壓Uy才能逆變成功，因此中間環(huán)節(jié)須經(jīng)過(guò)一個(gè)斬波升壓電路來(lái)升高轉(zhuǎn)子整流電壓UDR，才能使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差功率逆變回電網(wǎng)。

2 斬波器中各元器件參數(shù)的確定

內(nèi)饋斬波串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)主電路如圖1所示。在系統(tǒng)中，UDR為內(nèi)饋電機(jī)轉(zhuǎn)子三相橋式整流電路的輸出電壓，逆變器一直以最小逆變角狀態(tài)工作。直流斬波器IGBT工作在一定頻率，電容兩端的電壓uC的平均值為UC，IGBT兩端電壓ug的平均值為Ug，逆變器直流側(cè)電壓為Uy。假設(shè)UDR和Uy為純直流電壓，并且UC等于Uy。電感L″1的作用主要是濾波，電容C的主要作用是緩沖能量。斬波器中各元器件的參數(shù)選擇如下。

2.1 斬波管IGBT參數(shù)選擇

假設(shè)系統(tǒng)采用的繞線式三相異步電機(jī)的參數(shù)銘牌如下:定子額定電壓/額定電流為U1/I1，轉(zhuǎn)子電壓/電流為U2/I2，反饋繞組電壓電流為U3/I3。

轉(zhuǎn)子側(cè)最大整流電壓為UDRM=1.35U2，由于內(nèi)饋斬波串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)一般是在半速以上的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)速，所以在調(diào)速過(guò)程中，整流側(cè)的最大電壓為UDRm=0.5UDRM=0.675U2，逆變器的直流側(cè)電壓最大值為U'DRM=1.35U3。為保證斬波管IGBT能穩(wěn)定可靠的工作，一般要取其額定電壓為正常工作電壓時(shí)的兩倍。當(dāng)UDRm＞U'DRM時(shí)，IGBT兩端的額定電壓應(yīng)為2UDRm，再考慮電網(wǎng)電壓10%的波動(dòng)，取IGBT兩端的額定電壓為2.2UDRm;反之應(yīng)為2.2U'DRM。

轉(zhuǎn)子額定電流為I2，轉(zhuǎn)子整流側(cè)的直流電流為Id=I2/0.816=1.225I2，設(shè)堵轉(zhuǎn)電流為1.5Id，并且設(shè)保護(hù)電流為堵轉(zhuǎn)電流的1.2倍。因此，流過(guò)IGBT的最大電流為1.8Id。

2.2 二極管參數(shù)選擇

轉(zhuǎn)子側(cè)最大整流電壓為UDRM=1.35U2，考慮電網(wǎng)電壓10%的波動(dòng)，轉(zhuǎn)子側(cè)最大整流電壓U″DRM=1.485U2，再考慮1.5倍的安全裕量，故二極管的耐壓為UDM=1.5U″DRM=2.23U2。

轉(zhuǎn)子整流側(cè)的額定電流為Id=I2/0.816=1.225I2，考慮1.2倍的裕量，故流過(guò)二極管的電流最大為1.47I2。

2.3 電感L1的計(jì)算

L1的主要作用是濾波，電感兩端的電壓uL1和流過(guò)電感的電流i1的波形分別如圖3所示。在這里忽略了uC的脈動(dòng)分量，即uC=UC=Uy。

圖3 UL1和i1的波形

在t2期間，IGBT導(dǎo)通，忽略電路中的電阻壓降i1R，此時(shí)電感兩端的電壓uL1=UDR，電感L1上的感應(yīng)電勢(shì)為

在t1期間，IGBT關(guān)斷，忽略電路中的電阻壓降i1R，此時(shí)電感兩端的電壓為

電感L1上的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為

從IGBT導(dǎo)通到IGBT關(guān)斷的過(guò)程中，電感上的壓降就是轉(zhuǎn)子的整流電壓，則電感電流的最終值I為

故電感L1的值為

為了保證在較小的電流時(shí)也能連續(xù)，所以電流I的值取最低轉(zhuǎn)速時(shí)的值，即半速運(yùn)行且負(fù)載較輕時(shí)的值。

此外，考慮電機(jī)的漏感，則電感L1的值為

式中:L2s——電機(jī)折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的每相漏感。

2.4 儲(chǔ)能電容C的計(jì)算

當(dāng)斬波管IGBT關(guān)斷時(shí)，電容C的作用是，電機(jī)把轉(zhuǎn)差功率傳遞給逆變器，此時(shí)，電容C處于儲(chǔ)能狀態(tài);當(dāng)斬波管IGBT導(dǎo)通時(shí)，電容C放電，以維持逆變器直流側(cè)電流連續(xù)。電容C兩端的電壓波形如圖4所示。由于在高速時(shí)，IGBT的導(dǎo)通時(shí)間長(zhǎng)，因此電容C的放電時(shí)間長(zhǎng)，要維持逆變器電流連續(xù)比較困難，故可按高速時(shí)的參數(shù)確定電容C。

圖4 電容兩端電壓UC的波形

當(dāng)IGBT導(dǎo)通時(shí)，通過(guò)電容C放電向逆變器供電，UC減小，電容C所釋放的能量為

電容C釋放的能量應(yīng)與逆變器吸收的能量相等，即WC=Wy，得在t2期間，IGBT導(dǎo)通，逆變器吸收的能量為

3 斬波器的MATLAB仿真

在MATLAB的Simulink中搭建斬波器的模型，并對(duì)其進(jìn)行仿真。

運(yùn)行仿真軟件，得到仿真電壓和電流波形如圖5所示。

4 結(jié)語(yǔ)

本文分析了傳統(tǒng)的串級(jí)調(diào)速存在的缺點(diǎn)，提出了用內(nèi)饋斬波串級(jí)調(diào)速來(lái)克服這種缺點(diǎn)的辦法。詳細(xì)介紹了斬波器在該調(diào)速系統(tǒng)中的作用，并對(duì)斬波電路的主電路進(jìn)行了分析和仿真，對(duì)以后設(shè)計(jì)該類系統(tǒng)的斬波電路具有參考意義。

［1］鞏保峰.內(nèi)反饋式串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的理論研究及系統(tǒng)設(shè)計(jì)［D］.北京:華北電力大學(xué)，2004.

圖5 占空比為50%時(shí)的電壓和電流波形

［2］王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［3］夏明亮，丁鵬飛，江友華.基于內(nèi)饋斬波的串調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.礦山機(jī)械，2005，33(12):78-79.

［4］陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)-運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

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