多路并联高效节能的高压大功率斩波调速系统

苑亚敏，常喜茂，周玉星，姜东海，马 玥

(1.保定华仿科技股份有限公司，河北保定071051；2.华北电力大学 产业管理处，河北保定071003；3.国网河北省电力公司 培训中心，河北保定071000)

多路并联高效节能的高压大功率斩波调速系统

苑亚敏1,2，常喜茂1,2，周玉星1，姜东海1，马 玥3

(1.保定华仿科技股份有限公司，河北保定071051；2.华北电力大学 产业管理处，河北保定071003；3.国网河北省电力公司 培训中心，河北保定071000)

超大功率电机斩波串级调速系统节能空间远大于小功率电机，但目前鲜有研究，主要是因为单个IGBT构成的斩波器不能解决超大功率电机转子电压高且电流过大问题。针对性提出多路斩波并联电路拓扑结构，基于状态空间平均法对主回路进行分析，建立系统数学模型。采用叠层母排结构，利用每个斩波器的电抗器自动均流，实现5 400 kW多路并联调速系统，突破了单路斩波器小电流瓶颈。实验数据表明各斩波支路电流均衡，总和为母线电流值，设备运行稳定，节能效果明显，经济和社会效益突出。

多路并联；状态空间平均法；斩波串级调速；叠层母排；

0 引言

在当前节能减排的严峻形势下，节能调速是大型高压电机应用中的迫切需求，斩波串级调速系统[1-4](相对于变频调速)具有变流功率小、运行条件宽松、成本低等优点，非常适用于在高压大功率风机、水泵等设备的节能降耗应用上。目前在国内的许多工业现场都得到了广泛的应用，大多都是几百千瓦到一两千瓦中小型功率电机，转子电压也仅在几百伏至一千伏左右，其系统采用直流斩波回路PWM数字控制方式，将最小逆变角固定，有效降低了逆变颠覆故障，使得系统更加安全可靠，而且在功率因数提升、谐波抑制等方面有所提高。然而超大功率的斩波串级调速系统研究却极少涉及，主要是因为单个IGBT构成的斩波器不能解决超大功率电机转子电压高且电流过大问题。工业现场多数采用国外进口的高压变频器或者进相器(仅能通过提高功率因数来节能不能调速)或者效率更低的液力耦合器，急切需要对超大电机斩波调速系统进行深入研究，发挥其优势，减少企业节能成本。

1 多路并联斩波调速技术特点

高频斩波串级调速系统[5-12]是在传统的串级调速理论基础上，用Boost升压斩波器代替原有电抗器，在转子回路中串入可吸收转差功率的附加电动势，通过改变附加电动势的大小，来达到改变转子电流，进而改变电磁转矩和转速的目的。系统由液阻柜、二极管整流器、升压斩波器和晶闸管有源逆变器组成，如图1。逆变器的逆变角固定在最小安全值，产生恒定附加直流反电势Uf，通过调节斩波器开关IGBT的导通时间，来调节串入转子回路的等效电势，使得转子电流变化，从而改变电磁转矩，达到调节转速的目的，多余的能量通过逆变变压器回馈给电网。

图1 高频斩波串级调速系统结构图

超大功率电机，转子电压电流都很大，通常在1 kA以上，转子开口电压在2～3 kV左右，即使50%额定转速时，转子电压也已达到1～1.5 kV左右，目前符合应用要求的主流IGBT器件规格有800 A/3 300 V和1 200 A/3 300 V两档。考虑安全裕度和过载容量，调速系统只能采用多只IGBT并联的方式才能满足大电流的使用需求，因此，提出了多路并联斩波串级调速电路拓扑结构，如图2所示。假设有m路斩波单元且参数一致，转子电流经过整流后，会平均分配到每只开关管，每只管承受的电流为总电流的m分之一。

图2 多路并联斩波回路拓扑结构

PWM信号驱动方式分为同时驱动和分时驱动两种状态[13-15]，同时驱动方式，硬件结构简单，容易实现，但开关损耗及电流波纹较大；而交错并联分时驱动开关损耗和电流波动都较小，但硬件设计复杂，控制繁琐，工程应用时，故障点会增加，本文采取同时驱动方式。在器件选型上，IGBT、FRD选择同一批性能参数最为接近的，电抗器不仅设计参数要一致，而且从选料生产加工也要是同一批次，虽无法保证理论上各路斩波单元参数完全一致，但总能达到最小容许范围。

2 多路并联斩波调速系统建模

2.1 多路并联斩波调速系统拓扑结构

整个系统包含二极管、IGBT、晶闸管等多种非线性元件，是一套复杂的非线性系统；由于电机转子侧频率十几Hz，相对斩波2 kHz非常低，可以看作稳定不变的直流量；晶闸管逆变器工作频率50 Hz，直流侧300 Hz，是脉动的直流量，由于电抗器L2的滤波作用，也可认为是直流量；因此，只分析斩波电路的工作状态即可。

假设斩波回路电抗L11～L1m完全相同，各支路元件特性完全相同，且IGBT1～IGBTm均在同一时刻导通，则同步驱动的多路并联斩波回路的特性等同于单路的升压斩波回路特性，母线电流等于各支路电流之和，因此仅分析单路斩波回路的工作状态，就能了解整个并联斩波回路的工作状态。工作在电流连续模式下，其工作模式仅分为导通和关断两种状态[16]，如图3所示。图中Uz为整流电压；Uf为逆变前直流电压；R1和L1为线路电阻和斩波电抗器含线路电感；R2和L2为线路电阻和平波电抗器含线路电感；Rg为IGBT导通时等效电阻；Rf为FRD导通时等效电阻；i1为整流直流电流；i2为逆变直流电流，uc为电容两端电压。

图3 多路并联斩波调速系统等效电路图

2.2 多路并联斩波回路建模

斩波调速系统的电抗器和电容器参数均会合理优化，实际运行工况整流母线电流连续，因此，就以电流连续为分析条件，斩波器工作在CMM模式下，工作状态仅分为导通和关断两种状态，如图3。在一个周期T内，设导通时间为(dT)，关断时间为(1-d)T，则可得到斩波回路在一个周期T内的等效状态方程，见式(1)和式(2)：

(1)

(2)

将方程写成矩阵形式，可以得到系统状态方程式(3)和式(4)

(3)

(4)

令：

利用状态平均法[14]，合写式(3)和式(4)可推导出状态空间平均方程(5)：

(5)

令〈x(t)〉T的导数为零，得到方程的静态工作点的解：

(6)

式(5)仍然是非线性方程，再利用扰动法求解小信号线性动态模型，对几个矢量引入扰动，即令：

代入式(5)，并忽略二阶交流项，可得到小信号交流模型，如式(7)

(7)

这样就得到了占空比、结构参数、输入参量和负载直流电流在一个开关周期平均量的动态关系，由于转子电流与负载直流电流均值相关，进而决定了转矩和转速。而多路斩波电路母线总电流为i1

3 样机设计及现场试验

3.1 电机参数和调速系统设计

实验样机配套绕线异步电机型号为YRKK1000-6，额定功率5 400 kW，定子电压10 kV，定子电流368.8 A，功率因数0.875，效率96.4%，转速996 r/min，转子电压2 070 V，转子电流1 575 A，过载倍数1.8。逆变变压器容量为1 250 kVA，原副边电压为10 kV和1 200 V。

多路并联斩波调速系统内部结构见图4，左中右依次为整流柜、三面斩波柜、逆变柜，其中斩波电路为三路并联，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电容、1只3 mH/750 A电抗器组成。工作频率为2 kHz，斩波散热器功率为7 000 W。采用远程监控系统控制[17]，现场设备如图5，该系统已成功投运于水泥磨循环风机上配套电机。

图4 调速系统内部结构图

图5 现场设备图

3.2 叠层母排及散热器设计

在IGBT的开通关断过程中，电流变化率非常大，样机采用ABB生产的5SNA1200E330100模块，其开通和关断时间仅为1 us左右。由于直流电容侧电压高达1 400 V，IGBT在关断期间需要承受的电压即为电容电压1 400 V。若IGBT两端的线路杂散电感Ls过大，该杂散电感在IGBT关断时必然感应出高电压，并叠加在IGBT两端引起过电压，超过IGBT模块的额定电压后，就会面临器件烧毁的危险。

特殊设计的叠层母排结构如图6，叠层母排由铜质正极板、铜质负极板、环氧树脂三部分组成，同时连接IGBT、FRD和电容C，形成回路，保证了连接距离最短；母排上下极板中间由绝缘材料隔离的结构本身，就已经构成了一台简易电容器；因此母排杂散电感Ls非常小，实际测量值不大于50 nH，大大降低了IGBT在关断时电流变化引起的过电压。

图6 叠层母排设计图

散热器的合理设计和正确安装是工程应用中功率器件IGBT和FRD正常工作的关键，文献[14]中就出现了器件烧毁现象。为了保证斩波器的热量能即时散发到环境中去，系统采用热管式散热器加顶部强迫风冷的形式，散热器表面要求光滑平整，并涂抹导热膏增大器件与散热器接触面积，减小接触热阻。风机采用风压大风量足的离心风机进行散热，相对自然冷却和水冷结构来说，是工程应用中最经济可靠的。

3.3 运行数据和波形

现场调试过程中具体实测数据见表1。由数据可以看出，随着占空比的减小，电机的转速降低，定子电流降低，整流直流降低，电容电压基本维持不变，反馈电流逐渐增大，大部分转差功率由逆变器送回电网。理论上逆变直流和反馈电流都会在转差率1/3处出现最大值，也就是转速在666 r/min左右，此时回馈能量最大，反馈电流也最大。然而由于工业现场设备实际生产工况要求，转速已最低，再降低就不能满足生产要求，因此没能测量到反馈电流最大值。

表1 斩波调速系统现场运行数据(风门全开)

实际转速在817 r/min时，测得单路斩波单元的电流波形如图7，使用电流表笔测量，量程10 mV/A，3.583 V到4.5 V之间(即358.3 A到450 A)，三路基本相同。总电流值1 350 A与屏幕显示值1 320 A(整流直流/A)基本一致。

图7 单路斩波单元电流现场波形

4 结论

本文介绍了斩波串级调速技术的应用现状，并根据大功率电机转子电压高电流过大的特点，设计多路IGBT斩波并联电路，基于状态空间平均法建立其数学模型，采用叠层母排结构减小回路杂散电感，利用斩波回路电抗器自动均流。实现了国内首台5 400 kW水泥磨循环风机配套斩波串级调速系统，设备运行稳定，节能效果显著，达到同行业领先水平。

[1]徐甫荣. 大功率风机水泵调速节能运行的技术经济分析(1)[J]. 电源技术应用, 2001(12):649-652.

[2]曹以龙, 江友华, 陈宏伟. 串级调速技术的发展与现状[J]. 变频器世界, 2009(3):26.

[3]杨亚杰, 葛玻. 转子变频调速的进展[J]. 电源技术, 2011(7):880-883.

[4]屈维谦. 交流调速的功率控制原理[J]. 华北电力大学学报, 2002, 29(3):39-43.

[5]屈维谦. 串级调速的再讨论[J]. 电气传动自动化, 2007, 29(3):1-6.

[6]冯阳, 王亚芳, 王奔,等. 变结构控制策略在串级调速系统中的应用[J]. 电力科学与工程, 2014, 30(7):55-59.

[7]张军伟, 王兵树, 万军,等. 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.

[8]王春杰. 大功率异步机转子变频调速系统及其控制策略研究[D]. 天津：天津大学, 2005.

[9]张军伟. 异步电动机高频斩波串级调速系统模型及特性的研究[D]. 保定：华北电力大学, 2011.

[10]张军伟, 王兵树, 万军,等. 斩波串级调速系统机械特性的分析[J]. 电机与控制应用, 2010, 37(1):25-30.

[11]王兵树, 张军伟, 林永君,等. 斩波串级调速系统主回路分析与参数选择[J]. 华东电力, 2010, 38(9):1350-1354.

[12]姜栋栋. SEC串级调速系统IGBT有源逆变控制的设计与实现[D]. 保定：华北电力大学, 2012.

[13]高娜, 吴小泽, 王钦若,等. 2.5MW转子侧变频调速节能系统的应用研究[J]. 变频器世界, 2013(10):77-81.

[14]张卓. 4 MW大功率高压电流型绕线电机调速节能系统研究与应用[D]. 广州：广东工业大学, 2015.

[15]毕天昊, 王钦若, 张卓,等. 4MW斩波串级调速系统的应用研究[J]. 科技视界, 2015(17):8-9.

[16]徐德鸿.电力电子系统建模及控制[M]. 北京：机械工业出版社，2006.

[17]张庆红, 林永君, 王兴武,等. 串级调速系统的远程监控系统设计与实现[J]. 电力科学与工程, 2015，31(7):46-52.

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)

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.

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

2016-01-18。

苑亚敏(1978-)，女，工程师，研究方向为电机调速控制、电力电子技术，E-mail：yuanyamin2007@163.com。

TM921.53

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2016.03.003