基于IGBT斬波控制的內(nèi)反饋串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的研究

1、第24卷第1期電力科學(xué)與工程Vol.24,No.12008年1月Electric Power Science and EngineeringJan.,200837 收稿日期:2007-07-28.作者簡(jiǎn)介:劉觀起(1956-,男,華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院副教授.基于IGBT 斬波控制的內(nèi)反饋串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的研究劉觀起,孫金水,萬軍(華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,河北保定071003摘要:晶閘管串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)是一種廉價(jià)、簡(jiǎn)易的調(diào)速系統(tǒng),但是傳統(tǒng)串調(diào)系統(tǒng)存在著諸如功率因數(shù)低、諧波污染嚴(yán)重等弊端。在分析其原理及結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,討論了影響其功率因數(shù)的主要因素。斬波內(nèi)饋串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)采用絕緣柵雙極性晶體

2、管(IGBT 作為調(diào)速系統(tǒng)的直流斬波器,提高了系統(tǒng)的功率因數(shù)且降低了諧波成分,減少了對(duì)電網(wǎng)的諧波污染,使得該調(diào)速系統(tǒng)在大功率風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載的節(jié)能調(diào)速方面具有廣闊的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞:串級(jí)調(diào)速系統(tǒng);IGBT 斬波控制;MATLAB 仿真中圖分類號(hào):TM34文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A0引言在我國(guó)電力、石化、礦山、冶金及給排水等領(lǐng)域,風(fēng)機(jī)和泵類負(fù)載是應(yīng)用最廣泛、耗電量最大的一類生產(chǎn)機(jī)械。據(jù)統(tǒng)計(jì),泵和風(fēng)機(jī)的耗電量占到整個(gè)工業(yè)用電量的40%以上,而風(fēng)機(jī)、水泵用電量的30%40%消耗在調(diào)節(jié)閥門及管網(wǎng)壓降上,使用中存在運(yùn)行效率低的缺點(diǎn),這樣就造成了電能的巨大浪費(fèi),所以這類負(fù)載的節(jié)能潛力相當(dāng)大。在能源日趨緊張的今天,如果能

3、夠?qū)︼L(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載的節(jié)能技術(shù)有一個(gè)突破性的研究,則每年將形成數(shù)億元的經(jīng)濟(jì)效益。目前交流調(diào)速應(yīng)用最多的是變頻調(diào)速,但在大中容量,尤其是在高壓的情況下,變頻調(diào)速中所需變頻器價(jià)格相當(dāng)昂貴。普通的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)包括繞線電動(dòng)機(jī)、不可控整流器、有源逆變器和逆變變壓器等?？刂撇糠滞ㄟ^逆變變壓器接入電網(wǎng),造成轉(zhuǎn)差功率在繞線電機(jī)、不可控整流器、有源逆變器和逆變變壓器和電網(wǎng)上的無謂循環(huán);有源逆變器通常采用滯后相控觸發(fā),電機(jī)轉(zhuǎn)速的改變是通過改變逆變角來實(shí)現(xiàn)的。在深調(diào)速時(shí)系統(tǒng)功率因數(shù)低、諧波電流大。基于上述事實(shí),本文以IGBT 做斬波器的內(nèi)反饋串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)為研究對(duì)象,通過MATLAB 對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)運(yùn)行,其克

4、服了普通串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)得不足,顯著提高了節(jié)能效率。1普通串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的原理、特性及缺點(diǎn)目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較多的串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)是亞同步串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)2。工程上最常用的一種方法是,利用直流回路來處理。圖1中,M 為三相繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī),其轉(zhuǎn)子相電動(dòng)勢(shì)經(jīng)三相不可控整流裝置U R 整流,輸出直流電壓。工作在逆變狀態(tài)的三相可控整流裝置U I 除提供可調(diào)的直流電壓作為調(diào)速所需的附加直流電動(dòng)勢(shì)外,還可將經(jīng)U R整流輸出電力科學(xué)與工程382008年后的異步電機(jī)轉(zhuǎn)差功率逆變成交流回饋到電網(wǎng)。圖中T 為逆變變壓器,其作用之一是把可控整流裝置與交流電網(wǎng)隔離,以抑制電網(wǎng)的浪涌對(duì)晶閘管的影響;作用之二是能取得與被控異步電機(jī)工作相

5、匹配的逆變電壓。L 為平波電抗器,兩個(gè)整流裝置的電壓極性以及直流回路電流I d 方向如圖1所示。由此寫出整流后轉(zhuǎn)子直流回路電壓平衡方程式:;20=cos Ϊ¹¤×÷ÔÚÄæ±ä״̬µÄ¿É¿ØÕûÁ÷×°ÖÃU I 的逆變角。 設(shè)異步電機(jī)帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載在某一轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行,現(xiàn)在要改變其轉(zhuǎn)速,可以

6、控制逆變角 角的大小來改變轉(zhuǎn)速。普通串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)不僅節(jié)電效率低,而且整個(gè)調(diào)速裝置的功率因數(shù)很低。造成功率因數(shù)低的原因主要是因?yàn)榫чl管逆變橋采用電網(wǎng)電壓換流,逆變橋觸發(fā)角固定某一最小值,這樣就把逆變器從電網(wǎng)吸收的無功功率減少到最低,從而提高系統(tǒng)的功率因數(shù),而且線路比較簡(jiǎn)單。2.1斬波控制內(nèi)反饋串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的組成圖2為帶有斬波器的內(nèi)反饋串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的主電路。 在圖2中U i 為由二極管組成的三相橋式不可控整流電路,U I 為由晶閘管組成的有源逆變器,中間直流回路接有IGBT 斬波器。有源逆變器U I 始終工作在最小逆變角狀態(tài),逆變角一般取30°4。三相異步電動(dòng)機(jī)采用繞線式內(nèi)反饋調(diào)速電動(dòng)機(jī)

7、。通過改變IGBT 斬波器的占空比,來改變斬波器的輸出電壓,即改變串入轉(zhuǎn)子的附加電勢(shì)來改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)調(diào)速。其中電抗器L 起濾波作用,以便抑制轉(zhuǎn)子電流脈動(dòng),減少定子電流高次諧波分量。二極管D 起隔離作用,電容C 和二極管一起組成斬波器的緩沖網(wǎng)絡(luò),電容C 起能量緩沖作用。當(dāng)IGBT 關(guān)斷時(shí),電容儲(chǔ)存能量,IGBT 導(dǎo)通時(shí),電容向有源逆變器放電。電抗器L 的作用是維持有源逆變器U I 電流的連續(xù)。當(dāng)電容器兩端電壓大于逆變器電壓時(shí),通過逆變器的電流增加,否則電流減少。2.2斬波控制內(nèi)反饋調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速原理由圖2斬波控制調(diào)速系統(tǒng)的主電路可知,內(nèi)反饋繞線式異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子輸出電壓接至三相橋式

8、不可控整流器,通過IGBT 直流斬波器與電源換相的三相橋式可控硅逆變器U I 相連。U I是普通可控2劉觀起,等基于IGBT 斬波控制的內(nèi)反饋串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的研究第1期39硅組成的橋式變流器,它的觸發(fā)控制角 min的地方。 從圖3的波形看出,設(shè)IGBT 斬波器的工作周期為T,在 min經(jīng)斬波器輸至整流橋的電壓為 = min(2 1min =T 時(shí),也就是斬 波開關(guān)一直處于閉合狀態(tài),即把異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子短路時(shí),電動(dòng)機(jī)達(dá)到同步轉(zhuǎn)速(空載狀態(tài),而當(dāng) min=1min¼´Õ¶²¨Æ÷µÄµ

9、8;ͨʱ¼äÔ½³¤£¬´®µ÷ϵͳµÄתËÙÔ½¸ß¡£·´Ö®£¬ÔòתËÙÔ½µÍ¡

10、3;3斬波內(nèi)饋串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的MATLAB 仿真由于串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)特性的靜差率較大,所以開環(huán)控制系統(tǒng)只能用于對(duì)調(diào)速精度要求不高的場(chǎng)合。為了提高靜態(tài)調(diào)速精度以及獲得較好的動(dòng)態(tài)特性,本系統(tǒng)采用具有電流反饋和轉(zhuǎn)速反饋的雙閉環(huán)控制方式。圖4為所研究系統(tǒng)的雙閉環(huán)控制原理圖。采用MATLAB Simulink 對(duì)所研究的斬波內(nèi)饋串調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行仿真,仿真圖如圖57。AB Ca b cA B C+_ak mc be mc be mb 電力科學(xué)與工程402008年 實(shí)驗(yàn)電機(jī)的額定參數(shù)如下:P n =800kW ,n N =742r/min ,f N =50Hz ,Q N =502kvar ,定子額定電流57.2

11、5A ,轉(zhuǎn)子額定電流420A 。實(shí)驗(yàn)電機(jī)的仿真結(jié)果如下:P =828kW ,n =742.2r/min,f =50Hz,Q =465kvar ,定子電流54.5A ,轉(zhuǎn)子額定電流415A 。仿真結(jié)果顯示占空比越大,串調(diào)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速越高;占空比越小,串調(diào)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速越低。圖8為該系統(tǒng)在不同占空比時(shí)設(shè)計(jì)仿真實(shí)測(cè)的轉(zhuǎn)速對(duì)比。4結(jié)論本文提出的斬波式內(nèi)饋串級(jí)調(diào)速方案,通過改進(jìn)其轉(zhuǎn)子側(cè)的功率的控制方式,大大解決了普通串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)存在的功率因數(shù)低,諧波含量高的缺點(diǎn),并且使系統(tǒng)的效率得到了進(jìn)一步的提高。與其它調(diào)速系統(tǒng)相比,它具有成本低,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于高壓大容量風(fēng)機(jī),水泵類負(fù)載的節(jié)能調(diào)速傳動(dòng)具有突出的優(yōu)越性。

12、因此,斬波式內(nèi)饋串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)對(duì)風(fēng)機(jī),水泵類負(fù)載的節(jié)能調(diào)速具有重要實(shí)際意義。參考文獻(xiàn):1俞平,周觀允.國(guó)內(nèi)外電力電子技術(shù)發(fā)展綜述J .電力電子技術(shù),1992,20(4:25-28.2陳堅(jiān).交流電機(jī)數(shù)學(xué)模型及調(diào)速系統(tǒng)M .北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1989.3魏澤國(guó).可控硅串級(jí)調(diào)速的原理及應(yīng)用M .北京:冶金工業(yè)出版社,1985.4Doumbia M,Roy G,Rajagopalan V .An Integrated Solution for Simulating Electrical Drive System with Matlab/Simu-link R .In:Guimares,Portuga

13、l ISIE'97.5Song Guiying,Jia Junlin,ZhuJunqiao.Msitiple-WindingMotor and Its Cascade Speed Regulation System C .In:P/OL Li Qingfu,Chen Shikun CICEM'99.(責(zé)任編輯:馬坤英圖7逆變部分仿真接線圖800600400200010.81設(shè)計(jì)值2仿真值實(shí)測(cè)值占空比圖8設(shè)計(jì)仿真實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速對(duì)比圖Study on Internal Feedback Cascade Control System Based on IGBT ChoppingContro

14、lLiu Guanqi,Sun Jinshui,Wan Jun(School of Electrical and Electronic Engineering,North China Electric Power University,Baoding 071003,China Abstract:Thyristor cascade control system is a low-cost system,but the traditional cascade control system has some shortages,such as a low power factor,serious h

15、armonic pollution etc.In this paper,the primary factors affecting the power factor of the system is discussed.DCchopper of the main circuit adopted a new power switching device IGBT,which has advantages such as high chopping frequency and low drive voltage.So the power factor of the system can not only improve,but also r