基于雙IGBT的斬波式串級調(diào)速系統(tǒng)的研究

1 引言
    目前工業(yè)生產(chǎn)中普遍采用的PWM變頻調(diào)速屬于精型調(diào)速。而對風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載采用變頻調(diào)速，其逆變器功率為全功率。若采用串級調(diào)速方法，則其逆變器功率僅僅為全功率的1/2～l/3。串級調(diào)速系統(tǒng)還具有裝置安全、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。即使串級調(diào)速逆變裝置萬一出現(xiàn)故障，異步電動機(jī)也能完全脫離串級調(diào)速裝置轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)子短接全速運(yùn)行。但傳統(tǒng)串級調(diào)速方法存在一個(gè)突出的缺點(diǎn)，就是系統(tǒng)功率因數(shù)較低，高速滿載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)總功率因數(shù)約0．6，低速時(shí)總功率因數(shù)更差。從節(jié)約能源的角度考慮，需要尋找方法提高串級調(diào)速系統(tǒng)的功率因數(shù)，改善其效率。

2 異步電動機(jī)串級調(diào)速系統(tǒng)原理
    異步電動機(jī)串級調(diào)速系統(tǒng)是在繞線式異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子回路中串入一個(gè)與轉(zhuǎn)子回路頻率相同的交流附加電勢，如圖1所示。通過改變附加電勢的幅值和相位實(shí)現(xiàn)調(diào)速。

    異步電動機(jī)串級調(diào)速系統(tǒng)如何通過改變Ef相位調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。假定電動機(jī)拖動恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，轉(zhuǎn)子每相電流，2為：

   
    電動機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩M=CMφI2cosψ2，I2值的減小使電動機(jī)轉(zhuǎn)矩亦相應(yīng)減小，電動機(jī)轉(zhuǎn)矩值小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩值的狀態(tài)，穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)條件被破壞，迫使電動機(jī)降速。隨著轉(zhuǎn)速的降低，s的值增大，轉(zhuǎn)子電流I2回升，轉(zhuǎn)矩M亦相應(yīng)回升，直到電動機(jī)轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相等時(shí)，減速過程結(jié)束，電動機(jī)就在此轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，即串入與E2相位相反的附加電勢Ef幅值愈大，電動機(jī)的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速就愈低。反之亦然。

3 異步電動機(jī)串級調(diào)速系統(tǒng)功率因數(shù)分析
    串級調(diào)速裝置的容量與調(diào)速范圍成正比，當(dāng)要求的調(diào)速范圍不寬時(shí)，裝置的容量較小，可降低費(fèi)用。但傳統(tǒng)的晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)存在突出的缺點(diǎn)：功率因數(shù)低、無功損耗大。其原因有以下幾方面：
    (1)串級調(diào)速系統(tǒng)中的逆變變壓器需要由電網(wǎng)吸收無功功率QB，這是造成總功率因數(shù)低的主要原因。
    串級調(diào)速系統(tǒng)總的功率因數(shù)為：

   
    串級調(diào)速系統(tǒng)從電網(wǎng)吸收的總有功功率為P=P1一PB，而從電網(wǎng)吸收的總無功功率為Q=Q1+QB，使得串級調(diào)速系統(tǒng)總功率因數(shù)較低。
    (2)串級調(diào)速系統(tǒng)中轉(zhuǎn)子整流電路存在嚴(yán)重的換流重疊現(xiàn)象，引起電動機(jī)轉(zhuǎn)子電流落后于轉(zhuǎn)子電壓相位μ／2，使電動機(jī)本身運(yùn)轉(zhuǎn)的功率因數(shù)變差，即cosψD=cosψcos(μ／2)
    (3)串級調(diào)速系統(tǒng)中電動機(jī)和逆變變壓器的電流波形發(fā)生畸變，其電流的高次諧波分量引起無功的畸變功率，使串級調(diào)速系統(tǒng)的總功率因數(shù)亦變壞。提高功率因數(shù)的關(guān)鍵是如何減少從電網(wǎng)中吸收的無功功率。

4 幾種改進(jìn)串級調(diào)速方案分析
4．1 三相四線雙晶閘管串級調(diào)速系統(tǒng)
    三相四線雙晶閘管串級調(diào)速的核心是在異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子回路串入4線式變流器，該電路用輔助的晶閘管為無功功率提供了通路，從而提高了系統(tǒng)的功率因數(shù)。其控制方法是通過控制主橋晶閘管和輔助晶閘管輪流導(dǎo)通，使逆變橋直流側(cè)電壓在線電壓與相電壓之間跳變，從而達(dá)到提高功率因數(shù)的目的。
4．2 新型GTO串級調(diào)速系統(tǒng)
    新型GT0串級調(diào)速系統(tǒng)是在逆變器的直流側(cè)并聯(lián)一個(gè)GTO元件，并通過PWM方式控制GT0的導(dǎo)通和關(guān)斷，改變直流回路逆變電壓，從而調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)速。該方案中PWM的控制方式，可按逆變器的逆變角β固定在正角或β角固定在負(fù)角兩種不同方式控制，達(dá)到不同情況下提高裝置功率因數(shù)的目的。
4．3 新型三相四線雙IGBT串級調(diào)速方案
    對于新型GTO串級調(diào)速系統(tǒng)，尤其在β角為負(fù)的情況下，通過裝置向電網(wǎng)回饋無功，較大地改善了系統(tǒng)功率因數(shù)，但其回饋電流的波形較差，電壓損失較大，晶閘管關(guān)斷不可靠，由于采用PWM控制，系統(tǒng)裝置也比較復(fù)雜。
    為此，需要尋求一種簡單、高效的新型轉(zhuǎn)差回饋調(diào)速裝置，使其能更大程度地提高系統(tǒng)功率因數(shù)，從而引入三相四線制雙IGBT串級調(diào)速方案，其原理如圖2所示。繞線式異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子輸出電壓，經(jīng)整流后與三相橋式晶閘管逆變電路相連；VT7，VT8為兩個(gè)輔助開關(guān)元件IGBT，它為無功功率提供了通路，RCD網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)于IGBT兩端，起限制IGBT峰值電壓的作用。
    這種方案的基本思想是以傳統(tǒng)串級調(diào)速裝置為基礎(chǔ)，在逆變器的直流側(cè)并聯(lián)兩個(gè)輔助可關(guān)斷元件IGBT，其中點(diǎn)與逆變變壓器(2次側(cè)采用星形接法)中性點(diǎn)相接。按照一定的控制方式，將逆變角β固定在一個(gè)較小角度，通過控制逆變橋晶閘管和2個(gè)IGBT元件的導(dǎo)通和關(guān)斷改變逆變電壓，進(jìn)而調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到提高功率因數(shù)的目的。

5 新型三相四線雙IGBT串級調(diào)速控制方案
    以逆變橋中5號晶閘管(VT5)與1號晶閘管(VT1)的換相為例分析該方案中IGBT器件的控制方法。圖3示出了逆變橋中IGBT與晶閘管的控制脈沖順序，其中，逆變角β固定在零處，IGBT導(dǎo)通角δ變化范圍為0°~120°。

    在a，c兩相自然換相點(diǎn)(t1時(shí)刻)前t0時(shí)刻，控制觸發(fā)VT7導(dǎo)通。VT7管的導(dǎo)通給VT5管加上一個(gè)反向電壓，IGBT是全控器件，控制脈沖的寬度決定了晶閘管導(dǎo)通時(shí)間，VT7導(dǎo)通適當(dāng)?shù)慕嵌圈?，則會給VT5施加足夠時(shí)間的反壓，保證VT5在t1時(shí)刻前可靠關(guān)斷，這樣在t1時(shí)刻觸發(fā)VT1管時(shí)，就不會出現(xiàn)同組2個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通的現(xiàn)象，避免了逆變失敗。當(dāng)VT1導(dǎo)通一定角度(120°-δ)后，再次控制VT7導(dǎo)通，可靠關(guān)斷VT1管，在下一個(gè)自然換相點(diǎn)處觸發(fā)VT3導(dǎo)通，依次循環(huán)下去，從而實(shí)現(xiàn)了有源逆變。VT8管對VT2，VT4，VT6管的換相控制同上。
    此外，IGBT不僅實(shí)現(xiàn)了輔助換相作用，還具有調(diào)節(jié)逆變電壓的作用。逆變角β固定不變，當(dāng)增加IGBT導(dǎo)通時(shí)間后，晶閘管關(guān)斷時(shí)間提前，導(dǎo)通時(shí)間變短，從而降低了逆變電壓。因此，通過改變IGBT脈沖控制角δ的大小，可以改變逆變電壓，進(jìn)而調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)速。