基于双IGBT的斩波式串级调速系统的研究

1 引言

目前工业生产中普遍采用的PWM变频调速属于精型调速。而对风机、泵类负载采用变频调速，其逆变器功率为全功率。若采用串级调速方法，则其逆变器功率仅仅为全功率的1/2～l/3。串级调速系统还具有装置安全、可靠性高的优点。即使串级调速逆变装置万一出现故障，异步电动机也能完全脱离串级调速装置转换到转子短接全速运行。但传统串级调速方法存在一个突出的缺点，就是系统功率因数较低，高速满载运转时总功率因数约0．6，低速时总功率因数更差。从节约能源的角度考虑，需要寻找方法提高串级调速系统的功率因数，改善其效率。

2 异步电动机串级调速系统原理

异步电动机串级调速系统是在绕线式异步电动机的转子回路中串入一个与转子回路频率相同的交流附加电势，如图1所示。通过改变附加电势的幅值和相位实现调速。

异步电动机串级调速系统如何通过改变Ef相位调节电机转速。假定电动机拖动恒转矩负载，转子每相电流，2为：

电动机产生的转矩M=CMφI2cosψ2，I2值的减小使电动机转矩亦相应减小，电动机转矩值小于负载转矩值的状态，稳定运转条件被破坏，迫使电动机降速。随着转速的降低，s的值增大，转子电流I2回升，转矩M亦相应回升，直到电动机转矩与负载转矩相等时，减速过程结束，电动机就在此转速下稳定运转，即串入与E2相位相反的附加电势Ef幅值愈大，电动机的稳定转速就愈低。反之亦然。

3 异步电动机串级调速系统功率因数分析

串级调速装置的容量与调速范围成正比，当要求的调速范围不宽时，装置的容量较小，可降低费用。但传统的晶闸管串级调速系统存在突出的缺点：功率因数低、无功损耗大。其原因有以下几方面：

(1)串级调速系统中的逆变变压器需要由电网吸收无功功率QB，这是造成总功率因数低的主要原因。

串级调速系统总的功率因数为：


串级调速系统从电网吸收的总有功功率为P=P1一PB，而从电网吸收的总无功功率为Q=Q1+QB，使得串级调速系统总功率因数较低。

(2)串级调速系统中转子整流电路存在严重的换流重叠现象，引起电动机转子电流落后于转子电压相位μ／2，使电动机本身运转的功率因数变差，即cosψD=cosψcos(μ／2)

(3)串级调速系统中电动机和逆变变压器的电流波形发生畸变，其电流的高次谐波分量引起无功的畸变功率，使串级调速系统的总功率因数亦变坏。提高功率因数的关键是如何减少从电网中吸收的无功功率。

4 几种改进串级调速方案分析

4．1 三相四线双晶闸管串级调速系统

三相四线双晶闸管串级调速的核心是在异步电动机转子回路串入4线式变流器，该电路用辅助的晶闸管为无功功率提供了通路，从而提高了系统的功率因数。其控制方法是通过控制主桥晶闸管和辅助晶闸管轮流导通，使逆变桥直流侧电压在线电压与相电压之间跳变，从而达到提高功率因数的目的。

4．2 新型GTO串级调速系统

新型GT0串级调速系统是在逆变器的直流侧并联一个GTO元件，并通过PWM方式控制GT0的导通和关断，改变直流回路逆变电压，从而调节电动机转速。该方案中PWM的控制方式，可按逆变器的逆变角β固定在正角或β角固定在负角两种不同方式控制，达到不同情况下提高装置功率因数的目的。

4．3 新型三相四线双IGBT串级调速方案

对于新型GTO串级调速系统，尤其在β角为负的情况下，通过装置向电网回馈无功，较大地改善了系统功率因数，但其回馈电流的波形较差，电压损失较大，晶闸管关断不可靠，由于采用PWM控制，系统装置也比较复杂。

为此，需要寻求一种简单、高效的新型转差回馈调速装置，使其能更大程度地提高系统功率因数，从而引入三相四线制双IGBT串级调速方案，其原理如图2所示。绕线式异步电动机的转子输出电压，经整流后与三相桥式晶闸管逆变电路相连；VT7，VT8为两个辅助开关元件IGBT，它为无功功率提供了通路，RCD网络并联于IGBT两端，起限制IGBT峰值电压的作用。

这种方案的基本思想是以传统串级调速装置为基础，在逆变器的直流侧并联两个辅助可关断元件IGBT，其中点与逆变变压器(2次侧采用星形接法)中性点相接。按照一定的控制方式，将逆变角β固定在一个较小角度，通过控制逆变桥晶闸管和2个IGBT元件的导通和关断改变逆变电压，进而调节电动机的转速，达到提高功率因数的目的。

5 新型三相四线双IGBT串级调速控制方案

以逆变桥中5号晶闸管(VT5)与1号晶闸管(VT1)的换相为例分析该方案中IGBT器件的控制方法。图3示出了逆变桥中IGBT与晶闸管的控制脉冲顺序，其中，逆变角β固定在零处，IGBT导通角δ变化范围为0°~120°。

在a，c两相自然换相点(t1时刻)前t0时刻，控制触发VT7导通。VT7管的导通给VT5管加上一个反向电压，IGBT是全控器件，控制脉冲的宽度决定了晶闸管导通时间，VT7导通适当的角度δ，则会给VT5施加足够时间的反压，保证VT5在t1时刻前可靠关断，这样在t1时刻触发VT1管时，就不会出现同组2个晶闸管同时导通的现象，避免了逆变失败。当VT1导通一定角度(120°-δ)后，再次控制VT7导通，可靠关断VT1管，在下一个自然换相点处触发VT3导通，依次循环下去，从而实现了有源逆变。VT8管对VT2，VT4，VT6管的换相控制同上。

此外，IGBT不仅实现了辅助换相作用，还具有调节逆变电压的作用。逆变角β固定不变，当增加IGBT导通时间后，晶闸管关断时间提前，导通时间变短，从而降低了逆变电压。因此，通过改变IGBT脉冲控制角δ的大小，可以改变逆变电压，进而调节电动机转速。