內饋斬波串級調速系統中斬波器主電路的分析和仿真

劉中良，陳偉華，於江赟

(1.上海理工大學光電信息與計算機工程學院，上海 200093;

2.上海電器科學研究所(集團)有限公司，上海 200063)

0 引言

風機、水泵作為國民經濟中應用最為廣泛的生產機械設備，特別是大型風機和水泵中的高壓大容量異步電機，被廣泛應用于電力、水利、水處理、供水、城市供熱、冶金礦產、港口機械、石油化工等工業領域，耗電量很大。現在大多數的風機、水泵都采用調節閥門或檔風板的開度來調節流量，以滿足負荷變化的要求，或使用效率低的調速方法，造成電能浪費嚴重。

隨著電力電子技術的發展，首先提出了串級調速的方法，有效提高了能量的利用效率。但是，傳統的串級調速通過改變逆變器的移相控制角的大小來對電機進行調速，因此逆變器需要從電網中吸收大量的無功功率，降低了系統的功率因數。針對傳統的串級調速系統中存在的不足，提出了用斬波器來控制直流電壓的大小，將逆變器的控制角設定為其允許的最小值不變來降低無功功率，提高系統功率因數的方法。

1 斬波器在內饋斬波串級調速系統的作用

內饋斬波串級調速系統的主電路見圖1。

圖1 內饋斬波串級調速系統的主電圖

內饋斬波串級調速系統中的斬波器是一個Boost升壓電路，但是它與傳統的升壓電路又有所不同。傳統的升壓電路是固定前端的直流電壓，通過改變斬波管的占空比來改變后端的輸出電壓。內饋斬波串級調速系統中的斬波器則是固定后端直流電容兩端的電壓，通過改變斬波管的占空比，改變前端電壓來調節電機的轉速，是一個逆向的過程。

圖1中的斬波器的斬波管IGBT工作在開關狀態。當斬波管導通時，逆變器輸出的附加電動勢被短接，此時電感L1處于儲能狀態;當斬波管關斷時，電感L1釋放剛才儲存的能量，此時電流i1經過二極管對電容C充電，i1的值減小。假設斬波器的開關周期為T，斬波管導通的時間為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，因此通過改變斬波器的占空比，可以調節轉子整流出來的電壓UDR的大小。又因整流電路為三相橋式整流，故:

式中:s——內饋電機轉差率;

Er0——電機轉子開路電壓。

聯立式(1)和式(2)可得

式中:n——電機在不同占空比時的轉速;

nsyn——電機的同步轉速。

通過式(4)，可得出結論:改變斬波器的開通關斷時間即可改變內饋電機轉速n的大小。因此內饋斬波串級調速系統中斬波器的一個重要作用是，通過改變斬波器的占空比來改變內饋電機轉速，不再需要像傳統的串級調速裝置那樣，通過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，從而提高了系統的功率因數。

從式(1)可知，斬波器的另一個重要作用是匹配轉子整流電壓UDR和后端直流電容電壓UC。因為后端逆變器的逆變角被固定為其允許的最小值，在調速過程中，逆變電壓Uy不可調，而轉子整流電壓UDR則隨著電機轉速的不同而不同，一般情況下要比逆變電壓Uy小。少了將轉差功率回饋到電網，根據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，因此中間環節須經過一個斬波升壓電路來升高轉子整流電壓UDR，才能使轉子轉差功率逆變回電網。

2 斬波器中各元器件參數的確定

內饋斬波串級調速系統主電路如圖1所示。在系統中，UDR為內饋電機轉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，逆變器直流側電壓為Uy。假設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選擇如下。

2.1 斬波管IGBT參數選擇

假設系統采用的繞線式三相異步電機的參數銘牌如下:定子額定電壓/額定電流為U1/I1，轉子電壓/電流為U2/I2，反饋繞組電壓電流為U3/I3。

轉子側最大整流電壓為UDRM=1.35U2，由于內饋斬波串級調速系統一般是在半速以上的范圍內進行調速，所以在調速過程中，整流側的最大電壓為UDRm=0.5UDRM=0.675U2，逆變器的直流側電壓最大值為U'DRM=1.35U3。為保證斬波管IGBT能穩定可靠的工作，一般要取其額定電壓為正常工作電壓時的兩倍。當UDRm＞U'DRM時，IGBT兩端的額定電壓應為2UDRm，再考慮電網電壓10%的波動，取IGBT兩端的額定電壓為2.2UDRm;反之應為2.2U'DRM。

轉子額定電流為I2，轉子整流側的直流電流為Id=I2/0.816=1.225I2，設堵轉電流為1.5Id，并且設保護電流為堵轉電流的1.2倍。因此，流過IGBT的最大電流為1.8Id。

2.2 二極管參數選擇

轉子側最大整流電壓為UDRM=1.35U2，考慮電網電壓10%的波動，轉子側最大整流電壓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。

轉子整流側的額定電流為Id=I2/0.816=1.225I2，考慮1.2倍的裕量，故流過二極管的電流最大為1.47I2。

2.3 電感L1的計算

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

圖3 UL1和i1的波形

在t2期間，IGBT導通，忽略電路中的電阻壓降i1R，此時電感兩端的電壓uL1=UDR，電感L1上的感應電勢為

在t1期間，IGBT關斷，忽略電路中的電阻壓降i1R，此時電感兩端的電壓為

電感L1上的感應電動勢為

從IGBT導通到IGBT關斷的過程中，電感上的壓降就是轉子的整流電壓，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也能連續，所以電流I的值取最低轉速時的值，即半速運行且負載較輕時的值。

此外，考慮電機的漏感，則電感L1的值為

式中:L2s——電機折算到轉子側的每相漏感。

2.4 儲能電容C的計算

當斬波管IGBT關斷時，電容C的作用是，電機把轉差功率傳遞給逆變器，此時，電容C處于儲能狀態;當斬波管IGBT導通時，電容C放電，以維持逆變器直流側電流連續。電容C兩端的電壓波形如圖4所示。由于在高速時，IGBT的導通時間長，因此電容C的放電時間長，要維持逆變器電流連續比較困難，故可按高速時的參數確定電容C。

圖4 電容兩端電壓UC的波形

當IGBT導通時，通過電容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釋放的能量應與逆變器吸收的能量相等，即WC=Wy，得在t2期間，IGBT導通，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，并對其進行仿真。

運行仿真軟件，得到仿真電壓和電流波形如圖5所示。

4 結語

本文分析了傳統的串級調速存在的缺點，提出了用內饋斬波串級調速來克服這種缺點的辦法。詳細介紹了斬波器在該調速系統中的作用，并對斬波電路的主電路進行了分析和仿真，對以后設計該類系統的斬波電路具有參考意義。

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圖5 占空比為50%時的電壓和電流波形

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