首页 -> 2008年第10期
交流串级调速系统的分析与讨论
作者：王继红
（一）引言
目前，工业生产中存在大量的风机、泵类负载，它们对控制系统的调速范围和动态性能的要求不高，但系统必须安全可靠，有较大容量，根据现有的调速方法，串级调速系统能很好地满足此类负载的要求。串级调速系统是在电动机转子回路中串入附加电势来实现调速的，因此，尽管电机为高压电机，但控制装置是低压，可以大大节省投资。本文从理论上分析了异步电动机传统的串级调速系统的原理，并在此基础上，介绍了一种新型的三相四线双IGBT串级调速的方案，该方案的整个系统具有线路简单，易于实现的特点。
（二）传统的串级调速系统——晶闸管串级调速系统
晶闸管串级调速系统的主电路如图1所示，它主要由三相桥式二极管整流器UR、绕线式转子异步电动机M组成。其中，三相桥式晶闸管是由源逆变器UI，逆变变压器TI，平波电抗器Ld这几部分组成，系统的核心部分有源逆变器UI和转子整流器UR，逆变电压Uβ即为引入转子电路的反电动势。当电动机稳定运行、并忽略了直流回路的电阻时，整流电压Ud，与逆变电压Uβ大小相等、方向相反，即Ud=Uβ；当串级调速系统运行时，逆变器始终处于逆变的工作状态，能将转子的能量反馈回电网，改变触发脉冲发出的时刻（逆变角β），即可以逆变电压Uβ，从而改变电动机的转速，达到调速的目的。
该系统的缺点是：功率因数较低，无功损耗大，高速满载运转时，总功率因数在0.6左右，低速时总功率因数更差；晶闸管串级调速时，会产生高次谐波，影响电网质量。因此，从提高系统的功率因数的角度来说，有必要对传统的串级调速系统进行改进，改善其效率。
（三）新型的三相四线双IGBT串级调速系统
新型的三相四线制串级调速系统是对传统的串级调速系统的改进，以提高系统的功率因数。图2为主电路的原理图，电动机转子三相绕组经整流器、平波电抗器、逆变器、逆变变压器连接到电网，在传统的串级调速系统的基础上，直流侧并联两个全控元件IGBT，其中点与逆变变压器副边的中性点相连，给无功功率提供通路。
图3画出了该方案中IGBT的控制脉冲及逆变桥晶闸管的触发脉冲。图中IGBT的控制脉冲周期为2π/3，从自然换相点开始，VT7和VT8两管交替导通，IGBT导通的控制角变化范围为（0°～120°），共阴极组晶闸管1、3、5号的触发脉冲起始点定在VT8控制脉冲的下降沿处，结束点为VT7控制脉冲的上升沿处；共阳极组晶闸管4、6、2号触发脉冲起始点定在VT7控制脉冲的下降沿处，结束点为VT8控制脉冲的上升沿处。
如图2、图3所示，在a、b的自然换相点前，晶闸管4、5号导通，逆变电压输出为uca，在a、b两相的自然换向点处，给VT8控制脉冲，使VT8导通。其间，电容C1经VT4形成放电回路，同时，由于VT8的导通，就能对电容C2充电，当uc1
图4给出了IGBT的控制角度δ不同时，逆变器的有关波形。可以分段看出，在0°<δ<60°时，逆变变压器副边相电压和线电压的波形交替出现，相电压出现时刻为δ，线电压出现时刻为60°-δ；δ=60°时，逆变电压完全是变压器副边相电压；在δ>60°时，逆变电压波形为变压器副边相电压的部分波形，出现时刻为120°-δ。即输出逆变电压的大小由IGBT的控制角δ决定，这样，电流便滞后于电压180°以上，转子回路就不再从电网中吸收无功功率，而是向电网提供无功功率。
由此可见，在这个系统中，转子回路并不从电网中吸收无功功率，而是通过IGBT与晶闸管轮流切换，向电网发出无功功率，因此，系统的功率因数较高，且当δ增大时，电流滞后于电压的角度也增大，逆变电压减小，转速增加，所以高速时，功率因数的提高更为明显。
（四）IGBT的工作原理及选择
目前，在大电流、低损耗的应用中，晶闸管类器件占主导地位。IGBT是一个很有代表性的新型大功率电力电子器件，其全称是绝缘栅双极型晶体管，从特性上讲，它综合了功率场效应管和大功率双极型晶体管的优点。
1.IGBT的工作原理。从结构图中可以看出，IGBT相当于一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管，是以GTR为主导器件、MOSFET为驱动器件的达林顿结构的器件。它的伏安特性与GTR的伏安特性相似，也分为三个区，即正向阻断区、有源区和饱和区。IGBT在电力电子电路中作为开关元件，常常在阻断区和饱和区之间来回转换。当对它施加正向门极电压时，就会形成导电沟道，提供基极电流，使IGBT导通；反之，若提供反的相门极电压，则可消除沟道，IGBT因流过反相门极电流而关断。
2.IGBT的保护。IGBT关断时，在其两端会出现过电压，为了防止IGBT承受过高的电压而损坏，可采用RCD保护电路，如图2所示，将其并联于IGBT的两端，电阻R的作用是在IGBT重新导通的一段时间里，将储存的电荷消耗完。
RCD网络参数计算公式为： ，
注意：式中f为开关频率。
3.IGBT的电流值选择。对于风机泵类的负载，根据电流的有效值计算公式可得，流过IGBT的电流有效值为：
其中：
在实际运行时，可依据电机的参数，利用上述公式，计算出元件的额定数值，选择元件。
（五）结束语
三相四线制双IGBT的串级调速系统能够吸收容性无功功率，对电网发出感性无功功率，以补偿电机定子侧所需的感性无功功率。因此，和传统的晶闸管串级调速系统相比，它的系统的功率因数大大提高，逆变器直流侧的谐波分量减小，减少了对电网的污染；同时，尽管该方案增加了两只可关断元件IGBT，但晶闸管的功率仅为普通串级调速系统中的30%，成本没有增加多少。可见，对于风机、泵类等负载，该方案具有很好的推广应用前景。
参考文献：
[1]陈伯时.变流调速系统[M].北京:机械工业出版社,1998．
[2]马小亮,刘志强.高功率因数串级调速系统的研究[J].电力电子技术,2002,36(1):1-3．
[3]莫正康.电力电子应用技术[M].北京:机械工业出版社,2000.
[4]何冠英.电子逆变技术及交流电动机调速系统[M].北京:机械工业出版社,1985．
注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”
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