4MW斩波串级调速系统的应用研究

毕天昊 王钦若 张 卓 王永昌

（广东工业大学自动化学院，广东 广州 510006）

0 引言

像鼓风机和水泵这类对于调速性能及动态特性要求不高的设备，斩波串级调速是最有效的控制方法之一。由于开关非线性的存在，对于不同的控制方法，控制器的数学模型也有所不同。然而，单纯的理论研究会把IGBT和FWD考虑成了理想元器件，当把高频斩波串级调速应用到大功率绕线转子异步电动机上时，就会出现很多问题，例如散热性、故障保护和电磁干扰(EMI)等问题。当设备是中等功率或低功率异步电动机时，这些问题可能是微不足道的，但当设备是大功率感应电动机时，这些问题对于斩波调速系统的设计就非常重要了。

本文介绍了斩波串级调速的原理，提出了斩波串级调速的数学模型，给出基于该模型的系统设计，并在4兆瓦的绕线转子异步电动机的斩波串级调速系统中使用。

1 斩波串级调速的原理

斩波串级调速系统的典型框图如图1所示。图中，REC是由二极管组成的不可控三相桥式整流电路，CH是采用IGBT作为功率器件的升压斩波电路，INV是由可控硅组成的有源逆变电路。当IGBT完全导通时，b点和e点之间的电压等于IGBT的正向压降Vce；当IGBT完全关断时，b点和e点之间的电压等于电容两端电压UC。假设IGBT的频率是f（则周期T=1/f），假设占空比等于α，则IGBT在每个周期内的开通时间为τ=α/f。理论上，如果能够控制转子的平均电势，就可以控制感应电动机的转速，即通过改变α的值来控制转子的转速。

图1 斩波串级调速系统示意图

2 斩波串级调速系统建模

2.1 升压斩波器的状态空间平均模型

IGBT的开通关断两种不同状态的等效电路分别如图2和图3所示。

图2和图3中，Urec为整流电压；UC为电容两端电压；Uinv为逆变前直流电压；R1和L1为沿电路点a-b-e的电阻和电感，R2和L2为沿电路点c-d-e的电阻和电感（见图1）；RI为IGBT导通时的等效电阻；RF为续流二极管导通时的等效电阻；i1为整流电流；i2为逆变前直流电流。

图2 IGBT开通时的等效电路

图3 IGBT关断时的等效电路

假设升压斩波器工作在连续导通模式，其在一个周期内的等效方程式如下所示：

为了得到升压斩波电路的动态模型，可以通过状态空间平均法在一个周期内对i1取平均，然后得到表达式如下：

分别将控制变量和状态变量分解为直流分量和交流分量，可得

2.2 IGBT和续流二极管对斩波电路影响的分析

将公式（7）进行拉普拉斯变换，占空比α到整流电流i1的传递函数的推导过程如下

事实上，Vce和Vd应遵循下述表达式：

若忽略功率器件的等效电阻（RI=0，RF=0），α到i1的传递函数就可表示为

3 实验结果及分析

目前该系统已投入国内某水泥厂使用。设计外观与实际整体外观分别如图4、图5所示，触摸屏采用人机交互，以便用户直接观察或设置参数。整个系统包含了水阻柜，整流柜，斩波柜，逆变柜，升压变压器，水冷系统和控制器。

图4 斩波串级调速系统设计外观

图5 斩波串级调速系统整体外观

将4兆瓦绕线转子异步电机的斩波串级调速作为范例，其电机数据如下：

额定功率：4000kW，功率因数：0.9，定子电压：10kV，定子电流：282.6A，转子电压：3060V，转子电流：801A，额定转速：992 转/分，防护等级：IP54，调速范围D=1.2，变压器的二次侧额定电压：1450V。

IGBT的测量电压如图6所示，续流二极管的测量电压如图7所示。

图6 实测IGBT电压

图7 续流二极管电压

现场测试数据都近似等于理论值，根据图6、图7可以看出UC几乎不变。调试过程中，随着占空比的增加，转子的转速升高，整流电压减小，但逆变前直流电流并不总是随着占空比的增加而减小。电流被续流二极管反向阻断，大部分转差功率由逆变器送回电网，达到节能效果。当转速高于某个值时，逆变器直流电流会随转子转速的升高而减小。这种现象的原因是当转差率发生变化时，机械特性也将随之变化。

4 结论

本文论述了大功率绕线转子感应电动机的斩波串级调速系统。根据状态空间平均法，提出了涉及IGBT和续流二极管的升压斩波电路的模型，设计了相应的控制系统，并通过实验验证了该系统的可靠性和稳定性。通过实验结果得知，该系统状态稳定、动态响应速度快、节能效果显著。此外，多层铜排结构设计确保了杂散电感足够小，但繁琐的结构使设备安装变得很麻烦。以上这些问题将作为系统进一步改善的主要内容。

［1］张军伟,王兵树,万军,甄亚.高频斩波串级调速系统功率因数的分析与计算[J].大电机技术,2011,1:13-18.

［2］Zhang Hao,Yang Xiaoping,Ma Xikui,He Bo.Analysis of limit cycle behavior in DC-DC boost converters[J].Nonlinear Analysis:Real World Applications,2012,13(5):2049-2062.

［3］N.Kondrath,M.K.Kazimierczuk.Control-to-output transfer function of peak current-mode controlled PWM DC-DC boost converter in CCM[J].Electronics letters,2011,47(17):991-993.

［4］Bin Yang,Dong Haolong,Feng Nenglian.Discrete time iterated mappings based nonlinear model and exact feedback linearization control of boost DC/DC converter[C]//201224th Chinese Control and Decision Conference (CCDC),May 23-25,2012,Taiyuan,China:6p.

［5］Yao Rui,Liu Ying,Wang Bingshu.Controller design and stability analysis of double closed-loop controlled chopwave internal feedback cascade speed-regulation system[C]//20103rd international Conference on Advanced Computer Theory and Engineering(ICACTE),August 20-22,2010,Baoding,China:5p.

［6］Peng Zhou.Implementation of Optimal Pacing Scheme in Xinjiang's Oil and Gas Pipeline Leak Monitoring Network[J].Journal of networks,2011,6(1).

［7］Huang Xuan,Zeng Wenhua.Adaptive Genetic Algorithm for Sensor Coarse Signal Processing[J].Journal of Multimedia,2014,9(3):442-448.

［8］You Fucheng,Zhang Ying.Research of an Improved Wavelet Threshold Denoising Method for Transformer Partial Discharge Signal [J].Journal of Multimedia,2013,8(1).