4MW斬波串級調速系統的應用研究

畢天昊 王欽若 張 卓 王永昌

（廣東工業大學自動化學院，廣東 廣州 510006）

0 引言

像鼓風機和水泵這類對于調速性能及動態特性要求不高的設備，斬波串級調速是最有效的控制方法之一。由于開關非線性的存在，對于不同的控制方法，控制器的數學模型也有所不同。然而，單純的理論研究會把IGBT和FWD考慮成了理想元器件，當把高頻斬波串級調速應用到大功率繞線轉子異步電動機上時，就會出現很多問題，例如散熱性、故障保護和電磁干擾(EMI)等問題。當設備是中等功率或低功率異步電動機時，這些問題可能是微不足道的，但當設備是大功率感應電動機時，這些問題對于斬波調速系統的設計就非常重要了。

本文介紹了斬波串級調速的原理，提出了斬波串級調速的數學模型，給出基于該模型的系統設計，并在4兆瓦的繞線轉子異步電動機的斬波串級調速系統中使用。

1 斬波串級調速的原理

斬波串級調速系統的典型框圖如圖1所示。圖中，REC是由二極管組成的不可控三相橋式整流電路，CH是采用IGBT作為功率器件的升壓斬波電路，INV是由可控硅組成的有源逆變電路。當IGBT完全導通時，b點和e點之間的電壓等于IGBT的正向壓降Vce；當IGBT完全關斷時，b點和e點之間的電壓等于電容兩端電壓UC。假設IGBT的頻率是f（則周期T=1/f），假設占空比等于α，則IGBT在每個周期內的開通時間為τ=α/f。理論上，如果能夠控制轉子的平均電勢，就可以控制感應電動機的轉速，即通過改變α的值來控制轉子的轉速。

圖1 斬波串級調速系統示意圖

2 斬波串級調速系統建模

2.1 升壓斬波器的狀態空間平均模型

IGBT的開通關斷兩種不同狀態的等效電路分別如圖2和圖3所示。

圖2和圖3中，Urec為整流電壓；UC為電容兩端電壓；Uinv為逆變前直流電壓；R1和L1為沿電路點a-b-e的電阻和電感，R2和L2為沿電路點c-d-e的電阻和電感（見圖1）；RI為IGBT導通時的等效電阻；RF為續流二極管導通時的等效電阻；i1為整流電流；i2為逆變前直流電流。

圖2 IGBT開通時的等效電路

圖3 IGBT關斷時的等效電路

假設升壓斬波器工作在連續導通模式，其在一個周期內的等效方程式如下所示：

為了得到升壓斬波電路的動態模型，可以通過狀態空間平均法在一個周期內對i1取平均，然后得到表達式如下：

分別將控制變量和狀態變量分解為直流分量和交流分量，可得

2.2 IGBT和續流二極管對斬波電路影響的分析

將公式（7）進行拉普拉斯變換，占空比α到整流電流i1的傳遞函數的推導過程如下

事實上，Vce和Vd應遵循下述表達式：

若忽略功率器件的等效電阻（RI=0，RF=0），α到i1的傳遞函數就可表示為

3 實驗結果及分析

目前該系統已投入國內某水泥廠使用。設計外觀與實際整體外觀分別如圖4、圖5所示，觸摸屏采用人機交互，以便用戶直接觀察或設置參數。整個系統包含了水阻柜，整流柜，斬波柜，逆變柜，升壓變壓器，水冷系統和控制器。

圖4 斬波串級調速系統設計外觀

圖5 斬波串級調速系統整體外觀

將4兆瓦繞線轉子異步電機的斬波串級調速作為范例，其電機數據如下：

額定功率：4000kW，功率因數：0.9，定子電壓：10kV，定子電流：282.6A，轉子電壓：3060V，轉子電流：801A，額定轉速：992 轉/分，防護等級：IP54，調速范圍D=1.2，變壓器的二次側額定電壓：1450V。

IGBT的測量電壓如圖6所示，續流二極管的測量電壓如圖7所示。

圖6 實測IGBT電壓

圖7 續流二極管電壓

現場測試數據都近似等于理論值，根據圖6、圖7可以看出UC幾乎不變。調試過程中，隨著占空比的增加，轉子的轉速升高，整流電壓減小，但逆變前直流電流并不總是隨著占空比的增加而減小。電流被續流二極管反向阻斷，大部分轉差功率由逆變器送回電網，達到節能效果。當轉速高于某個值時，逆變器直流電流會隨轉子轉速的升高而減小。這種現象的原因是當轉差率發生變化時，機械特性也將隨之變化。

4 結論

本文論述了大功率繞線轉子感應電動機的斬波串級調速系統。根據狀態空間平均法，提出了涉及IGBT和續流二極管的升壓斬波電路的模型，設計了相應的控制系統，并通過實驗驗證了該系統的可靠性和穩定性。通過實驗結果得知，該系統狀態穩定、動態響應速度快、節能效果顯著。此外，多層銅排結構設計確保了雜散電感足夠小，但繁瑣的結構使設備安裝變得很麻煩。以上這些問題將作為系統進一步改善的主要內容。

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