李 棋，王欽若，彭 義

（廣東工業(yè)大學自動化學院，廣東廣州 510006）

0 引言

隨著電力電子學科和電力元件的發(fā)展，大功率電機轉(zhuǎn)子側(cè)變頻調(diào)速技術有了進一步的發(fā)展，在傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速系統(tǒng)中，逆變器產(chǎn)生電壓的大小隨著晶閘管觸發(fā)角大小變化而變化，轉(zhuǎn)子側(cè)附加電動勢變化改變轉(zhuǎn)子電流，以此改變電機轉(zhuǎn)速。斬波式調(diào)速系統(tǒng)是在整流與逆變回路之間中加入IGBT 斬波器使晶閘管的觸發(fā)角固定在30°，但由于最小觸發(fā)角的存在，想要進一步提高功率因數(shù)有一定的困難，還會使系統(tǒng)發(fā)生逆變顛覆的問題。

針對這些問題，從系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)加以改進，用IGBT有源逆變器代替晶閘管逆變器，采用SVPWM 技術，使逆變器網(wǎng)側(cè)電流波形接近正弦波，減小諧波“污染”，并且可以提供容性無功來補償系統(tǒng)產(chǎn)生的感性無功[1]，那么整個系統(tǒng)的功率因數(shù)便會提高，同時克服了逆變顛覆的缺點。

1 傳統(tǒng)斬波式變頻調(diào)速系統(tǒng)工作原理

傳統(tǒng)斬波式變頻調(diào)速系統(tǒng)主電路如圖1 所示。

圖1 傳統(tǒng)斬波變頻調(diào)速系統(tǒng)主電路

圖中CH 為IGBT 組成的BOOST 直流斬波器，其工作在開關狀態(tài)。UR 為二極管組成的三相不可控整流器，UI 為可控硅組成的三相逆變器，TAW 為網(wǎng)側(cè)變壓器。調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速實際上是通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流的大小，也即是要調(diào)整轉(zhuǎn)子附加電動勢的大小，而附加電動勢的大小會隨直流斬波器兩端電壓的變化而變，因此改變斬波器開通和關斷的時間便可調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速。二極管D主要起到隔離整流和逆變回路的作用，電抗器L1起濾波和儲能作用，直流斬波器的緩沖網(wǎng)絡由電容C、電抗器L2和二極管組成，直流側(cè)大電容C 主要起到能量緩沖作用，電抗器L2的作用是防止有源逆變器UI電流斷流。

有源逆變器TI的觸發(fā)角β 固定在最小觸發(fā)角βmin，其大小不跟隨電機轉(zhuǎn)速的變化而變化，因此可有效地減少系統(tǒng)對無功的吸收以便提高系統(tǒng)功率因數(shù)，因此UI為固定電壓：

其中：U2T為逆變器交流側(cè)電壓。

設IGBT 直流斬波器的開關周期為T，斬波器開通時間為τ，當其開通時，三相整流橋UR 和IGBT逆變器產(chǎn)生的附加電動勢都被短路，此時二極管D 將整流和逆變電壓隔離開，主回路電流Id上升；斬波器關斷時間為T-τ，當其斷開時，電動機工作在轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速狀態(tài)下，此時二極管D導通將整流和逆變接通，電抗器L1釋放電能并向電容充電，主回路電流Id下降[2]。根據(jù)CH直流斬波器前后電壓相等可得出：

從式（2）可以看出，UD的大小由CH 直流斬波器開通時間τ 決定。

其中：E20為電機轉(zhuǎn)子開路電壓；s為電機轉(zhuǎn)差率。

由式（1）、（2）、（3）得：

因此，電機的轉(zhuǎn)速n 與直流斬波器的開通時間τ 的關系為：

其中，n 為理想空載轉(zhuǎn)速；n0為異步電動機的同步轉(zhuǎn)速。

在轉(zhuǎn)子側(cè)變頻調(diào)速時，理想空載轉(zhuǎn)速n 小于異步電動機的同步轉(zhuǎn)速。逆變器UI的觸發(fā)角變化時，電機轉(zhuǎn)速n 和轉(zhuǎn)差率s會隨其變化，觸發(fā)角β變大時，轉(zhuǎn)速n 變大，轉(zhuǎn)差率s 變小。從式（5）還可看出，電機轉(zhuǎn)速還會隨著斬波器的占空比的變化而改變。在系統(tǒng)中，一般把觸發(fā)角β 取為30°。

2 IGBT 有源逆變器在轉(zhuǎn)子側(cè)變頻調(diào)速系統(tǒng)中的應用

由于傳統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)采用晶閘管組成有源逆變器，那么系統(tǒng)的功率因數(shù)會因晶閘管的最小觸發(fā)角的存在得不到進一步的提高，還會產(chǎn)生諧波“污染”和逆變顛覆故障等問題。

為了解決這些問題，從系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)加以改進，用IGBT有源逆變器代替晶閘管逆變器，采用SVPWM 技術，使逆變器網(wǎng)側(cè)電流波形接近正弦波，減小諧波“污染”，并且可以提供容性無功來補償系統(tǒng)產(chǎn)生的感性無功[3]，那么整個系統(tǒng)的功率因數(shù)便會提高，同時克服了逆變顛覆的缺點。

2.1 三相電壓型IGBT有源逆變器的工作原理

電壓型IGBT逆變電路拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 三相電壓型IGBT有源逆變器拓撲結(jié)構(gòu)

usk（k=a，b，c）為網(wǎng)側(cè)電壓，Lk（k=a，b，c）為外接電感及電機漏感之和，Rk（k=a，b，c）為等效電阻，el為直流側(cè)電壓，urk（k=a，b，c）為逆變器產(chǎn)生的基波電壓。IGBT有源逆變器的控制原理為：保證直流側(cè)電壓Udc為恒定值，盡可能使網(wǎng)側(cè)電流與電壓同相位并近似正弦波，以此提高系統(tǒng)功率因數(shù)并減小諧波。

電網(wǎng)側(cè)電流矢量表示為：

逆變器產(chǎn)生的基波電壓矢量表示為：

逆變器網(wǎng)側(cè)的矢量方程表示為：

用圖3 所示的空間矢量圖表示矢量方程（9），可以看出，空間各向量以工頻角速度w作逆時針旋轉(zhuǎn)且保持相對位置不變[5]。如果可以很好地控制電網(wǎng)側(cè)電流的相位，便可以有效控制IGBT有源逆變器的運行象限。

圖3 逆變器網(wǎng)側(cè)空間矢量圖

2.2 IGBT有源逆變器的靜態(tài)解耦模型

為建立簡單的數(shù)學模型以方便控制系統(tǒng)的設計，只考慮逆變器的低頻分量[6]，根據(jù)圖2 可得IGBT逆變器的低頻方程為：

從（10）可看出，三相IGBT逆變器網(wǎng)側(cè)各物理量是隨時間變化的交流量，這種物理量會對控制系統(tǒng)的設計造成不便。為此，把它轉(zhuǎn)換成dq 坐標系下的方程，在dq 坐標系下各物理量以電網(wǎng)基波頻率同步旋轉(zhuǎn)[7]，可得：

從式（11）可看出，控制器的設計會因d 、q 軸電流耦合而變得困難。網(wǎng)側(cè)電流相位的控制可以通過采用前饋解耦控制算法來實現(xiàn)[8]，可得ud，uq的控制方程：

由此可見，通過前饋解耦控制實現(xiàn)了id、iq相互獨立?；谇梆伣怦钤淼腎GBT有源逆變器控制系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)框圖

3 采用SVPWM 算法的IGBT 逆變器仿真實驗及結(jié)論

根據(jù)三相電壓型IGBT 有源逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)，采用SVPWM 控制算法，采用靜態(tài)解耦直接電流控制策略對其進行仿真。仿真中所用到的參數(shù)為：直流電壓為幅值650V的直流電壓源，交流電網(wǎng)電壓峰值311V，頻率50Hz，交流側(cè)電感30mH，電感的等效電阻和功率開關損耗等效電阻的合并值取0.02 Ω，直流側(cè)電容1 000 μF ，開關頻率為10 kH。

圖5 IGBT有源逆變SIMULINK仿真模型

圖6 整流狀態(tài)時A相電壓電流波形

圖7 逆變狀態(tài)時A相電壓電流波形

圖8 整流到逆變網(wǎng)側(cè)A相電流電壓波形

從圖6～9 可看出，采用靜態(tài)電流解耦控制策略，可很好地控制網(wǎng)側(cè)電流相位，使其近似為正弦波，IGBT逆變器處于整流工作狀態(tài)時，電網(wǎng)側(cè)電流波形接近正弦波并于電壓相位同相，系統(tǒng)功率因數(shù)為1，當其處于逆變工作狀態(tài)時，網(wǎng)側(cè)電壓電流相位相反，系統(tǒng)功率因數(shù)為-1，采用IGBT有源逆變還可有效減小諧波電流，其THD為0.46%。

圖9 整流狀態(tài)時FFT分析圖

本文將傳統(tǒng)高壓電機轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速系統(tǒng)中的晶閘管逆變器替換為IGBT有源逆變器，改善電網(wǎng)側(cè)電流波形質(zhì)量，降低網(wǎng)側(cè)電流的諧波，提高功率因數(shù)，徹底解決了電網(wǎng)故障導致逆變顛覆而損壞設備的問題。

［1］姚銳，李柯，王兵書.SVPWM在內(nèi)反饋斬波串調(diào)系統(tǒng)中的應用研究［J］.化工自動化及儀表，2010，37（7）：72-75.

［2］于精衛(wèi).斬波式內(nèi)反饋串級調(diào)速系統(tǒng)的設計［D］.內(nèi)蒙古：內(nèi)蒙古科技大學，2008.

［3］張崇巍，張興.PWM整流器及其控制［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2004.

［4］劉觀起，孫會水，萬軍.基于IGBT斬波控制的內(nèi)反饋串級調(diào)速系統(tǒng)的研究［J］.電力科學與工程，2008（1）：37-40.

［5］龐科旺，袁文華，劉麗麗.三相電壓型PWM整流器在內(nèi)反饋斬波串級調(diào)速中的應用研究［J］.電氣自動化，2008（5）：16-18.

［6］殷海蒙，高艷霞，江友華.大功率交流電動機轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速系統(tǒng)的分析［J］.電機與控制應用，2006，33（6）：51-54.

［7］孔鵬.PWM逆變技術在內(nèi)反饋串級調(diào)速系統(tǒng)中的應用［D］.保定：華北電力大學，2008.

［8］張少偉.SVPWM 在有源逆變中的研究與應用［D］.保定：華北電力大學，2008.