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




  [摘 要]本文从理论上分析、讨论了传统的串级调速系统的原理,该系统无功损耗大,功率因数较低。为了克服这些缺点,开发了一种新型的三相四线双IGBT串级调速的方案,其主要特点是转子回路不仅不从电网上吸收无功功率,还会在电机低于额定转速时,向电网发出无功功率,从而提高了系统的功率因数。
  
  (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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