IGBT有源逆變器在高壓大功率電機轉子側變頻調速系統中的應用研究

李 棋，王欽若，彭 義

（廣東工業大學自動化學院，廣東廣州 510006）

0 引言

隨著電力電子學科和電力元件的發展，大功率電機轉子側變頻調速技術有了進一步的發展，在傳統轉子變頻調速系統中，逆變器產生電壓的大小隨著晶閘管觸發角大小變化而變化，轉子側附加電動勢變化改變轉子電流，以此改變電機轉速。斬波式調速系統是在整流與逆變回路之間中加入IGBT 斬波器使晶閘管的觸發角固定在30°，但由于最小觸發角的存在，想要進一步提高功率因數有一定的困難，還會使系統發生逆變顛覆的問題。

針對這些問題，從系統拓撲結構加以改進，用IGBT有源逆變器代替晶閘管逆變器，采用SVPWM 技術，使逆變器網側電流波形接近正弦波，減小諧波“污染”，并且可以提供容性無功來補償系統產生的感性無功[1]，那么整個系統的功率因數便會提高，同時克服了逆變顛覆的缺點。

1 傳統斬波式變頻調速系統工作原理

傳統斬波式變頻調速系統主電路如圖1 所示。

圖1 傳統斬波變頻調速系統主電路

圖中CH 為IGBT 組成的BOOST 直流斬波器，其工作在開關狀態。UR 為二極管組成的三相不可控整流器，UI 為可控硅組成的三相逆變器，TAW 為網側變壓器。調節電機轉速實際上是通過調節轉子電流的大小，也即是要調整轉子附加電動勢的大小，而附加電動勢的大小會隨直流斬波器兩端電壓的變化而變，因此改變斬波器開通和關斷的時間便可調節電機轉速。二極管D主要起到隔離整流和逆變回路的作用，電抗器L1起濾波和儲能作用，直流斬波器的緩沖網絡由電容C、電抗器L2和二極管組成，直流側大電容C 主要起到能量緩沖作用，電抗器L2的作用是防止有源逆變器UI電流斷流。

有源逆變器TI的觸發角β 固定在最小觸發角βmin，其大小不跟隨電機轉速的變化而變化，因此可有效地減少系統對無功的吸收以便提高系統功率因數，因此UI為固定電壓：

其中：U2T為逆變器交流側電壓。

設IGBT 直流斬波器的開關周期為T，斬波器開通時間為τ，當其開通時，三相整流橋UR 和IGBT逆變器產生的附加電動勢都被短路，此時二極管D 將整流和逆變電壓隔離開，主回路電流Id上升；斬波器關斷時間為T-τ，當其斷開時，電動機工作在轉子變頻調速狀態下，此時二極管D導通將整流和逆變接通，電抗器L1釋放電能并向電容充電，主回路電流Id下降[2]。根據CH直流斬波器前后電壓相等可得出：

從式（2）可以看出，UD的大小由CH 直流斬波器開通時間τ 決定。

其中：E20為電機轉子開路電壓；s為電機轉差率。

由式（1）、（2）、（3）得：

因此，電機的轉速n 與直流斬波器的開通時間τ 的關系為：

其中，n 為理想空載轉速；n0為異步電動機的同步轉速。

在轉子側變頻調速時，理想空載轉速n 小于異步電動機的同步轉速。逆變器UI的觸發角變化時，電機轉速n 和轉差率s會隨其變化，觸發角β變大時，轉速n 變大，轉差率s 變小。從式（5）還可看出，電機轉速還會隨著斬波器的占空比的變化而改變。在系統中，一般把觸發角β 取為30°。

2 IGBT 有源逆變器在轉子側變頻調速系統中的應用

由于傳統調速系統采用晶閘管組成有源逆變器，那么系統的功率因數會因晶閘管的最小觸發角的存在得不到進一步的提高，還會產生諧波“污染”和逆變顛覆故障等問題。

為了解決這些問題，從系統拓撲結構加以改進，用IGBT有源逆變器代替晶閘管逆變器，采用SVPWM 技術，使逆變器網側電流波形接近正弦波，減小諧波“污染”，并且可以提供容性無功來補償系統產生的感性無功[3]，那么整個系統的功率因數便會提高，同時克服了逆變顛覆的缺點。

2.1 三相電壓型IGBT有源逆變器的工作原理

電壓型IGBT逆變電路拓撲結構如圖2所示。

圖2 三相電壓型IGBT有源逆變器拓撲結構

usk（k=a，b，c）為網側電壓，Lk（k=a，b，c）為外接電感及電機漏感之和，Rk（k=a，b，c）為等效電阻，el為直流側電壓，urk（k=a，b，c）為逆變器產生的基波電壓。IGBT有源逆變器的控制原理為：保證直流側電壓Udc為恒定值，盡可能使網側電流與電壓同相位并近似正弦波，以此提高系統功率因數并減小諧波。

電網側電流矢量表示為：

逆變器產生的基波電壓矢量表示為：

逆變器網側的矢量方程表示為：

用圖3 所示的空間矢量圖表示矢量方程（9），可以看出，空間各向量以工頻角速度w作逆時針旋轉且保持相對位置不變[5]。如果可以很好地控制電網側電流的相位，便可以有效控制IGBT有源逆變器的運行象限。

圖3 逆變器網側空間矢量圖

2.2 IGBT有源逆變器的靜態解耦模型

為建立簡單的數學模型以方便控制系統的設計，只考慮逆變器的低頻分量[6]，根據圖2 可得IGBT逆變器的低頻方程為：

從（10）可看出，三相IGBT逆變器網側各物理量是隨時間變化的交流量，這種物理量會對控制系統的設計造成不便。為此，把它轉換成dq 坐標系下的方程，在dq 坐標系下各物理量以電網基波頻率同步旋轉[7]，可得：

從式（11）可看出，控制器的設計會因d 、q 軸電流耦合而變得困難。網側電流相位的控制可以通過采用前饋解耦控制算法來實現[8]，可得ud，uq的控制方程：

由此可見，通過前饋解耦控制實現了id、iq相互獨立。基于前饋解耦原理的IGBT有源逆變器控制系統框圖如圖4所示。

圖4 控制系統框圖

3 采用SVPWM 算法的IGBT 逆變器仿真實驗及結論

根據三相電壓型IGBT 有源逆變器的拓撲結構，采用SVPWM 控制算法，采用靜態解耦直接電流控制策略對其進行仿真。仿真中所用到的參數為：直流電壓為幅值650V的直流電壓源，交流電網電壓峰值311V，頻率50Hz，交流側電感30mH，電感的等效電阻和功率開關損耗等效電阻的合并值取0.02 Ω，直流側電容1 000 μF ，開關頻率為10 kH。

圖5 IGBT有源逆變SIMULINK仿真模型

圖6 整流狀態時A相電壓電流波形

圖7 逆變狀態時A相電壓電流波形

圖8 整流到逆變網側A相電流電壓波形

從圖6～9 可看出，采用靜態電流解耦控制策略，可很好地控制網側電流相位，使其近似為正弦波，IGBT逆變器處于整流工作狀態時，電網側電流波形接近正弦波并于電壓相位同相，系統功率因數為1，當其處于逆變工作狀態時，網側電壓電流相位相反，系統功率因數為-1，采用IGBT有源逆變還可有效減小諧波電流，其THD為0.46%。

圖9 整流狀態時FFT分析圖

本文將傳統高壓電機轉子變頻調速系統中的晶閘管逆變器替換為IGBT有源逆變器，改善電網側電流波形質量，降低網側電流的諧波，提高功率因數，徹底解決了電網故障導致逆變顛覆而損壞設備的問題。

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［4］劉觀起，孫會水，萬軍.基于IGBT斬波控制的內反饋串級調速系統的研究［J］.電力科學與工程，2008（1）：37-40.

［5］龐科旺，袁文華，劉麗麗.三相電壓型PWM整流器在內反饋斬波串級調速中的應用研究［J］.電氣自動化，2008（5）：16-18.

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［7］孔鵬.PWM逆變技術在內反饋串級調速系統中的應用［D］.保定：華北電力大學，2008.

［8］張少偉.SVPWM 在有源逆變中的研究與應用［D］.保定：華北電力大學，2008.