多路并聯高效節能的高壓大功率斬波調速系統

苑亞敏，常喜茂，周玉星，姜東海，馬　玥

(1.保定華仿科技股份有限公司，河北保定071051；2.華北電力大學 產業管理處，河北保定071003；3.國網河北省電力公司 培訓中心，河北保定071000)

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多路并聯高效節能的高壓大功率斬波調速系統

苑亞敏1,2，常喜茂1,2，周玉星1，姜東海1，馬玥3

(1.保定華仿科技股份有限公司，河北保定071051；2.華北電力大學 產業管理處，河北保定071003；3.國網河北省電力公司 培訓中心，河北保定071000)

摘要：超大功率電機斬波串級調速系統節能空間遠大于小功率電機，但目前鮮有研究，主要是因為單個IGBT構成的斬波器不能解決超大功率電機轉子電壓高且電流過大問題。針對性提出多路斬波并聯電路拓撲結構，基于狀態空間平均法對主回路進行分析，建立系統數學模型。采用疊層母排結構，利用每個斬波器的電抗器自動均流，實現5 400 kW多路并聯調速系統，突破了單路斬波器小電流瓶頸。實驗數據表明各斬波支路電流均衡，總和為母線電流值，設備運行穩定，節能效果明顯，經濟和社會效益突出。

關鍵詞：多路并聯；狀態空間平均法；斬波串級調速；疊層母排；

0引言

在當前節能減排的嚴峻形勢下，節能調速是大型高壓電機應用中的迫切需求，斬波串級調速系統[1-4](相對于變頻調速)具有變流功率小、運行條件寬松、成本低等優點，非常適用于在高壓大功率風機、水泵等設備的節能降耗應用上。目前在國內的許多工業現場都得到了廣泛的應用，大多都是幾百千瓦到一兩千瓦中小型功率電機，轉子電壓也僅在幾百伏至一千伏左右，其系統采用直流斬波回路PWM數字控制方式，將最小逆變角固定，有效降低了逆變顛覆故障，使得系統更加安全可靠，而且在功率因數提升、諧波抑制等方面有所提高。然而超大功率的斬波串級調速系統研究卻極少涉及，主要是因為單個IGBT構成的斬波器不能解決超大功率電機轉子電壓高且電流過大問題。工業現場多數采用國外進口的高壓變頻器或者進相器(僅能通過提高功率因數來節能不能調速)或者效率更低的液力耦合器，急切需要對超大電機斬波調速系統進行深入研究，發揮其優勢，減少企業節能成本。

1多路并聯斬波調速技術特點

高頻斬波串級調速系統[5-12]是在傳統的串級調速理論基礎上，用Boost升壓斬波器代替原有電抗器，在轉子回路中串入可吸收轉差功率的附加電動勢，通過改變附加電動勢的大小，來達到改變轉子電流，進而改變電磁轉矩和轉速的目的。系統由液阻柜、二極管整流器、升壓斬波器和晶閘管有源逆變器組成，如圖1。逆變器的逆變角固定在最小安全值，產生恒定附加直流反電勢Uf，通過調節斬波器開關IGBT的導通時間，來調節串入轉子回路的等效電勢，使得轉子電流變化，從而改變電磁轉矩，達到調節轉速的目的，多余的能量通過逆變變壓器回饋給電網。

圖1　高頻斬波串級調速系統結構圖

超大功率電機，轉子電壓電流都很大，通常在1 kA以上，轉子開口電壓在2～3 kV左右，即使50%額定轉速時，轉子電壓也已達到1～1.5 kV左右，目前符合應用要求的主流IGBT器件規格有800 A/3 300 V和1 200 A/3 300 V兩檔。考慮安全裕度和過載容量，調速系統只能采用多只IGBT并聯的方式才能滿足大電流的使用需求，因此，提出了多路并聯斬波串級調速電路拓撲結構，如圖2所示。假設有m路斬波單元且參數一致，轉子電流經過整流后，會平均分配到每只開關管，每只管承受的電流為總電流的m分之一。

圖2　多路并聯斬波回路拓撲結構

PWM信號驅動方式分為同時驅動和分時驅動兩種狀態[13-15]，同時驅動方式，硬件結構簡單，容易實現，但開關損耗及電流波紋較大；而交錯并聯分時驅動開關損耗和電流波動都較小，但硬件設計復雜，控制繁瑣，工程應用時，故障點會增加，本文采取同時驅動方式。在器件選型上，IGBT、FRD選擇同一批性能參數最為接近的，電抗器不僅設計參數要一致，而且從選料生產加工也要是同一批次，雖無法保證理論上各路斬波單元參數完全一致，但總能達到最小容許范圍。

2多路并聯斬波調速系統建模

2.1多路并聯斬波調速系統拓撲結構

整個系統包含二極管、IGBT、晶閘管等多種非線性元件，是一套復雜的非線性系統；由于電機轉子側頻率十幾Hz，相對斬波2 kHz非常低，可以看作穩定不變的直流量；晶閘管逆變器工作頻率50 Hz，直流側300 Hz，是脈動的直流量，由于電抗器L2的濾波作用，也可認為是直流量；因此，只分析斬波電路的工作狀態即可。

假設斬波回路電抗L11～L1m完全相同，各支路元件特性完全相同，且IGBT1～IGBTm均在同一時刻導通，則同步驅動的多路并聯斬波回路的特性等同于單路的升壓斬波回路特性，母線電流等于各支路電流之和，因此僅分析單路斬波回路的工作狀態，就能了解整個并聯斬波回路的工作狀態。工作在電流連續模式下，其工作模式僅分為導通和關斷兩種狀態[16]，如圖3所示。圖中Uz為整流電壓；Uf為逆變前直流電壓；R1和L1為線路電阻和斬波電抗器含線路電感；R2和L2為線路電阻和平波電抗器含線路電感；Rg為IGBT導通時等效電阻；Rf為FRD導通時等效電阻；i1為整流直流電流；i2為逆變直流電流，uc為電容兩端電壓。

圖3　多路并聯斬波調速系統等效電路圖

2.2多路并聯斬波回路建模

斬波調速系統的電抗器和電容器參數均會合理優化，實際運行工況整流母線電流連續，因此，就以電流連續為分析條件，斬波器工作在CMM模式下，工作狀態僅分為導通和關斷兩種狀態，如圖3。在一個周期T內，設導通時間為(dT)，關斷時間為(1-d)T，則可得到斬波回路在一個周期T內的等效狀態方程，見式(1)和式(2)：

(1)

(2)

將方程寫成矩陣形式，可以得到系統狀態方程式(3)和式(4)

(3)

(4)

令：

利用狀態平均法[14]，合寫式(3)和式(4)可推導出狀態空間平均方程(5)：

(5)

令〈x(t)〉T的導數為零，得到方程的靜態工作點的解：

(6)

式(5)仍然是非線性方程，再利用擾動法求解小信號線性動態模型，對幾個矢量引入擾動，即令：

代入式(5)，并忽略二階交流項，可得到小信號交流模型，如式(7)

(7)

這樣就得到了占空比、結構參數、輸入參量和負載直流電流在一個開關周期平均量的動態關系，由于轉子電流與負載直流電流均值相關，進而決定了轉矩和轉速。而多路斬波電路母線總電流為i1

3樣機設計及現場試驗

3.1電機參數和調速系統設計

實驗樣機配套繞線異步電機型號為YRKK1000-6，額定功率5 400 kW，定子電壓10 kV，定子電流368.8 A，功率因數0.875，效率96.4%，轉速996 r/min，轉子電壓2 070 V，轉子電流1 575 A，過載倍數1.8。逆變變壓器容量為1 250 kVA，原副邊電壓為10 kV和1 200 V。

多路并聯斬波調速系統內部結構見圖4，左中右依次為整流柜、三面斬波柜、逆變柜，其中斬波電路為三路并聯，每路由2只1 200 A/3 300 V IGBT、2只1 200 A/3 300 V FRD、2只2 000 uF/3 500 V電容、1只3 mH/750 A電抗器組成。工作頻率為2 kHz，斬波散熱器功率為7 000 W。采用遠程監控系統控制[17]，現場設備如圖5，該系統已成功投運于水泥磨循環風機上配套電機。

圖4　調速系統內部結構圖

圖5　現場設備圖

3.2疊層母排及散熱器設計

在IGBT的開通關斷過程中，電流變化率非常大，樣機采用ABB生產的5SNA1200E330100模塊，其開通和關斷時間僅為1 us左右。由于直流電容側電壓高達1 400 V，IGBT在關斷期間需要承受的電壓即為電容電壓1 400 V。若IGBT兩端的線路雜散電感Ls過大，該雜散電感在IGBT關斷時必然感應出高電壓，并疊加在IGBT兩端引起過電壓，超過IGBT模塊的額定電壓后，就會面臨器件燒毀的危險。

特殊設計的疊層母排結構如圖6，疊層母排由銅質正極板、銅質負極板、環氧樹脂三部分組成，同時連接IGBT、FRD和電容C，形成回路，保證了連接距離最短；母排上下極板中間由絕緣材料隔離的結構本身，就已經構成了一臺簡易電容器；因此母排雜散電感Ls非常小，實際測量值不大于50 nH，大大降低了IGBT在關斷時電流變化引起的過電壓。

圖6　疊層母排設計圖

散熱器的合理設計和正確安裝是工程應用中功率器件IGBT和FRD正常工作的關鍵，文獻[14]中就出現了器件燒毀現象。為了保證斬波器的熱量能即時散發到環境中去，系統采用熱管式散熱器加頂部強迫風冷的形式，散熱器表面要求光滑平整，并涂抹導熱膏增大器件與散熱器接觸面積，減小接觸熱阻。風機采用風壓大風量足的離心風機進行散熱，相對自然冷卻和水冷結構來說，是工程應用中最經濟可靠的。

3.3運行數據和波形

現場調試過程中具體實測數據見表1。由數據可以看出，隨著占空比的減小，電機的轉速降低，定子電流降低，整流直流降低，電容電壓基本維持不變，反饋電流逐漸增大，大部分轉差功率由逆變器送回電網。理論上逆變直流和反饋電流都會在轉差率1/3處出現最大值，也就是轉速在666 r/min左右，此時回饋能量最大，反饋電流也最大。然而由于工業現場設備實際生產工況要求，轉速已最低，再降低就不能滿足生產要求，因此沒能測量到反饋電流最大值。

表1　斬波調速系統現場運行數據(風門全開)

實際轉速在817 r/min時，測得單路斬波單元的電流波形如圖7，使用電流表筆測量，量程10 mV/A，3.583 V到4.5 V之間(即358.3 A到450 A)，三路基本相同。總電流值1 350 A與屏幕顯示值1 320 A(整流直流/A)基本一致。

圖7　單路斬波單元電流現場波形

4結論

本文介紹了斬波串級調速技術的應用現狀，并根據大功率電機轉子電壓高電流過大的特點，設計多路IGBT斬波并聯電路，基于狀態空間平均法建立其數學模型，采用疊層母排結構減小回路雜散電感，利用斬波回路電抗器自動均流。實現了國內首臺5 400 kW水泥磨循環風機配套斬波串級調速系統，設備運行穩定，節能效果顯著，達到同行業領先水平。

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Energy-efficiency , High Voltage and High-power Chopper Cascade Speed Control System with Multiple Parallel Structure

YUAN Yamin1,2, CHANG Ximao1,2, ZHOU Yuxing1, JIANG Donghai1, MA Yue3( 1. Baoding Sinosimu Technology Co., Ltd., Baoding 071051, China;2. North China Electric Power University, Baoding 071003, China;3. State Grid Hebei Training Center, Baoding 071000, China)

Abstract：Energy saving space in chopper cascade speed control system of super high power motor is much larger than that of small power motor, but there are few studies so far, mainly because single IGBT chopper cannot solve the problem of high voltage of the motor rotor and heavy current of the rotor. The topology structure of multi chopper parallel circuit is put forward in this paper. Based on the state-space average method, the mathematical model of the system is established. The laminated bus bar structure is used to reduce stray inductance, and the chopper reactor automatically equalizes the current, hence a 5 400 kW chopper parallel cascade speed control system is achieved. It broke through the bottleneck of single channel chopper. The experimental data show that the current of the chopping circuit is balanced, and the sum of branch currents is equal to the value of the bus current. Stable operation of the equipment and obvious saving effect verify the correctness of the proposed method, and the economic and social benefits are outstanding.

Keywords：parallel circuit topology structure；the state-space averaging method；chopper cascade speed control; laminated busbar

中圖分類號:TM921.53

文獻標識碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2016.03.003

作者簡介：苑亞敏(1978-)，女，工程師，研究方向為電機調速控制、電力電子技術，E-mail：yuanyamin2007@163.com。

收稿日期：2016-01-18。