－－多電平變頻器和串級調(diào)速

1 引言
我國發(fā)電總量60%以上是通過電動機消耗的，其中一半以上用于各種風(fēng)機和泵。如果以調(diào)速傳動代替原有的不調(diào)速傳動，通過改變轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量和壓力，取代傳統(tǒng)的用風(fēng)擋板和閥門調(diào)節(jié)的方法，平均可節(jié)約電力30%左右，估計全年可節(jié)電數(shù)百億kwh。并且用變速傳動取代傳統(tǒng)的恒速傳動還能優(yōu)化工藝過程，提高產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量及減少維修[1][8]。因此開發(fā)各種適合國情的調(diào)速裝置成為許多學(xué)者和企業(yè)努力的方向。
由電機理論可知:

式中: n—電動機轉(zhuǎn)速;
f—電源頻率;
s—轉(zhuǎn)差率;
p—極對數(shù)。
從式(1)可知，電動機調(diào)速的方法大致分為變極對數(shù)、變頻、變轉(zhuǎn)差率三種。其中變極對數(shù)和變頻調(diào)速主要用于籠型異步電動機，繞線轉(zhuǎn)子異步電動機多數(shù)采用改變轉(zhuǎn)差率的調(diào)速方法，籠型異步電動機采用電磁離合器和液力耦合器調(diào)速也是屬于變轉(zhuǎn)差率的方法。變極對數(shù)調(diào)速設(shè)備簡單，機械特性較硬，可以實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速和接近恒功率調(diào)速，缺點是轉(zhuǎn)速只能成倍數(shù)變化，而不是連續(xù)可調(diào)，屬于有級調(diào)速，應(yīng)用場合有限。調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差率的電磁離合器，即滑差離合器調(diào)速方法，能平滑調(diào)速，閉環(huán)時調(diào)速范圍較寬，但調(diào)速效率低，存在不可控區(qū)。液力耦合器調(diào)速雖然也有節(jié)能效果，但屬機械耗能型變速方法，在變速過程中有很大的滑差損耗，系統(tǒng)運行成本較高，不經(jīng)濟，由于是機械聯(lián)接，變速系統(tǒng)故障時，無法快速轉(zhuǎn)換到全速運行狀態(tài)，系統(tǒng)必須停機檢修，無法保證系統(tǒng)安全可靠運行的要求。綜上所述，調(diào)速方法比較好的應(yīng)該是定子端變頻調(diào)速和轉(zhuǎn)子端的串級調(diào)速了[2][7]。

2 高壓大功率電動機調(diào)速方法
2.1 定子端變頻調(diào)速[3][4]
目前在中國大量采用的變頻調(diào)速裝置基本上都是低壓變頻器，即電壓為380v～690v，而高電壓大容量的變頻器尚處于起步階段。但根據(jù)中國的國情，大容量高電壓的交流變額裝置將會在節(jié)能方面起著更主要作用，這是顯而易見的。但長期來由于電力電子元器件的耐壓等級和所承受的電流受到限制，同時，傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也還僅僅局限于原來的采用晶閘管的控制結(jié)構(gòu)方式，使得高壓變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展受到了限制。近十幾年來隨著電力電子元器件和控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展，gto、igbt和igct等電力電子器件的出現(xiàn)以及變頻技術(shù)結(jié)構(gòu)形式上的發(fā)展，使得高壓大容量變頻器得以迅速應(yīng)用在工業(yè)系統(tǒng)當(dāng)中?？墒堑侥壳盀橹?，高壓變頻器還沒有象低壓變頻器那樣近乎統(tǒng)一的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。從目前所見到的各種主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來看，最終可歸結(jié)為3種基本的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu):
·二極管箝位(diode-clamp);
·飛跨電容(flying-capacitor);
·具有獨立直流電源的級聯(lián)逆變器(cascaded-inverters with separate dc sources)。
其中第3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)展前景比較大，在國外被稱為“完美無諧波”變換器。因為這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點:
·使用串聯(lián)的方法可以將耐壓低、開關(guān)頻率也不高的功率器件直接應(yīng)用到高壓大功率場合;
·由于電路基于單元串聯(lián)結(jié)構(gòu)，每個單元的控制邏輯都是獨立的，從而解決了中點箝位逆變電路在電平數(shù)增加時，開關(guān)邏輯越來越復(fù)雜的問題;
·由于各單元互相隔離，串級電路結(jié)構(gòu)不存在靜、動態(tài)均壓問題。然而串級電路結(jié)構(gòu)的缺點也比較明顯，即電路的每個基本單元都要用一個獨立的直流電源來實現(xiàn)箝位功能。雖然使用單獨的直流電源可以使電路的各個單元彼此隔離，從而解決單元串聯(lián)時的動態(tài)均壓和電壓箝位問題，但隨著電平數(shù)增加，串級電路單元使用的直流電源數(shù)也將大量增加，從而使系統(tǒng)變得復(fù)雜。

與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對應(yīng)的是多電平控制策略的多樣化，其中主要分為工頻開關(guān)運行方式和脈寬調(diào)制pwm方式。通常pwm控制方式又分為兩大類:三角載波pwm和空間矢量法pwm。工頻開關(guān)運行方式的主要代表是階梯波調(diào)制，這種方法是一種比較直觀的方法，是用階梯波來逼近正弦波，電平數(shù)越多，頻譜特性越好。它最大的優(yōu)點就是實現(xiàn)簡單，開關(guān)頻率低(等于基波頻率)，開關(guān)損耗小，而這一點對于大功率場合尤為重要。三角載波pwm法主要包括消諧波pwm法(shpwm)和開關(guān)頻率優(yōu)化pwm法(sfopwm)等，它們都是兩電平三角載波pwm法在多電平中的擴展，所不同的是，它們的三角載波己不再僅有一個，而是對一個n-1evel的逆變器，采用n-1個具有相同頻率fc和相同峰-峰值ac的三角載波。為了保證它們所占有的區(qū)域是連續(xù)的，這n-1個三角載波是緊密相連的，而具有頻率fc和幅值ac的調(diào)制波的中心與三角載波集的中心重合。shpwm和sfopwm的區(qū)別僅在于調(diào)制波的不同，前者是正弦波，后者是迭加了零序分量的正弦波，該零序分量為:
vzero=[max(va,vb,vc)+min(va,vb,vc)]/2 (2)
式中，vx(x=a,b,c)表示三相調(diào)制波。
空間矢量法pwm實際上是數(shù)字技術(shù)在pwm中的應(yīng)用，具有硬件電路簡單、諧波含量低、直流電壓利用率高等優(yōu)點，但當(dāng)電平數(shù)大于5時，其計算過程變得較為復(fù)雜，所以空間矢量法pwm主要用于三電平的領(lǐng)域。

(1) 具有獨立直流電源的級聯(lián)型多電平主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
圖1為級聯(lián)型變流器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖，圖中sdcs(single dc source)表示單個獨立直流電壓源。每個h橋開關(guān)函數(shù)hk(k=1,2,…,m)，開關(guān)狀態(tài)s1，s2，s3，s4和輸出電壓vok之間的關(guān)系可用附表來表示。

圖1 單相級聯(lián)h橋多電平變換器主電路拓?fù)?/P>

附表中，s1、s4=1表示功率開關(guān)s1、s4開通，s1、s4=0表示功率開關(guān)s1、s4關(guān)斷。

附表 開關(guān)函數(shù)、開關(guān)狀態(tài)和輸出電壓之間的關(guān)系

(2) 具有獨立直流電源的級聯(lián)型多電平控制策略
一般來說，波形質(zhì)量、開關(guān)損耗、電壓利用率等是衡量控制策略的幾個重要指標(biāo)，隨著現(xiàn)代大功率器件開關(guān)頻率的不斷提高，波形質(zhì)量問題己得到了較好的解決，而開關(guān)損耗問題卻日益凸現(xiàn)，以電路拓?fù)涓倪M(jìn)為代表的軟開關(guān)技術(shù)在解決開關(guān)損耗問題的同時也帶來電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜化的問題，對多電平變換器這樣的復(fù)雜電路尤其如此。所以，如何從控制方法的優(yōu)化上減小開關(guān)損耗，是一個值得探討的問題。前文提及控制策略主要分為工頻開關(guān)運行方式和脈寬調(diào)制pwm方式。下面將介紹一種分段spwm的控制策略，它結(jié)合了工頻開關(guān)運行方式開關(guān)損耗小和pwm調(diào)制方式可以提高輸出波形性能兩者的優(yōu)點，既可以減少開關(guān)損耗，又可以減少電壓輸出諧波和轉(zhuǎn)矩脈動。具體實現(xiàn)為在某些h橋功率單元象階梯波一樣，實行工頻調(diào)制，某個或多個h橋單元采用pwm調(diào)制，因此可以減少開關(guān)損耗，并且輸出波形性能也令人比較滿意。其基本原理是在1/4周期內(nèi)將輸出波形分為n個等分，這n個等分的時段在l/4周期內(nèi)形成寬度不一的n階pwm波，為了使疊加后獲得的波形有較高的質(zhì)量，合理劃分直流波形的導(dǎo)通區(qū)域有重要的意義。如圖2所示，陰影區(qū)域為直流波形疊加而成，由上而下的4個矩形區(qū)域分別由a2，a3，a4，a5四個電壓胞，a1用于產(chǎn)生pwm波形，采用正弦調(diào)制方法，如圖3(a)，(b)所示，圖3(c)為分段spwm調(diào)制波合成輸出波形。

在分段spwm控制技術(shù)中，實際串聯(lián)電壓胞數(shù)量與輸出電壓等級有關(guān)。圖2和圖3以5個電壓胞串聯(lián)為例，5個時段起點分別為to，t1，t2，t3，t4，在圖中t1=arcsin(1/5)，t2=arcsin(2/5)，t3=arcsin(3/5)，t4=arcsin(4/5)，t5～t9同t0～t4關(guān)于π/2對稱。

圖2 輸出電壓疊加示意圖


圖3 系統(tǒng)分段spwm調(diào)制輸出波形

分段spwm按每次輸出pwm波形的電壓胞個數(shù)又可分為如下幾種方式:
·1個電壓胞輸出pwm波形，其余幾個電壓胞輸出恒定電壓或直通;
·2個電壓胞輸出pwm波形，其余3個電壓胞輸出恒定電壓或直通;
·3個電壓胞輸出pwm波形，其余2個電壓胞輸出恒定電壓或直通;
·4個電壓胞輸出pwm波形，其余1個電壓胞輸出恒定電壓或直通;
·5個電壓胞輸出pwm波形，此時等價于載波相移pwm調(diào)制方式。

不過要注意的是，為了得到較好的波形，避免輸出的pwm波形中出現(xiàn)過大的dv/dt，當(dāng)采用多個電壓胞輸出pwm波形時，需要對不同電壓胞在不同時段的輸出狀態(tài)進(jìn)行控制。

2.2 轉(zhuǎn)子端串級調(diào)速[7]
前面所述是從電動機的定子側(cè)引入控制變量以改變電動機的轉(zhuǎn)速，這對于轉(zhuǎn)子處于短路狀態(tài)的交流籠型轉(zhuǎn)子異步電動機是唯一可行的途徑。然而對于繞線轉(zhuǎn)子異步電動機，由于其轉(zhuǎn)子繞組能通過滑環(huán)與外部電氣設(shè)備相連接，所以除了可在其定子側(cè)控制電壓，頻率外，還可在其轉(zhuǎn)子側(cè)引入控制變量以實現(xiàn)調(diào)速。轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，雖然啟動力矩大，但調(diào)速指標(biāo)不高、范圍不大，損耗大，效率低，所以在轉(zhuǎn)子端實行調(diào)速的方法常用串級調(diào)速。所謂“串級調(diào)速”是指在繞線轉(zhuǎn)子電動機的轉(zhuǎn)子電路引入附加電勢以調(diào)節(jié)電動機的速度或提高功率因數(shù)的一類調(diào)速系統(tǒng)。

(1) 串級調(diào)速工作原理
在異步電機轉(zhuǎn)子回路中附加交流電動勢調(diào)速的關(guān)鍵就是在轉(zhuǎn)子側(cè)串入一個可變頻、可變幅的電壓。怎樣才能獲得這樣的電壓呢？對于只用于次同步電動狀態(tài)的情況來說，比較方便的辦法是將轉(zhuǎn)子電壓先整流成直流電壓，然后再引入一個附加的直流電動勢，控制此直流附加電動勢的幅值，就可以調(diào)節(jié)異步電動機的轉(zhuǎn)速。這樣，就把交流變壓變頻這一復(fù)雜問題，轉(zhuǎn)化為與頻率無關(guān)的直流變壓問題，對問題的分析與工程實現(xiàn)都方便多了。當(dāng)然對這一直流附加電動勢要有一定的技術(shù)要求。首先，它應(yīng)該是可平滑調(diào)節(jié)的，以滿足對電動機轉(zhuǎn)速平滑調(diào)節(jié)的要求;其次，從節(jié)能的角度看，希望產(chǎn)生附加直流電動勢的裝置能夠吸收從異步電動機轉(zhuǎn)子側(cè)傳遞來的轉(zhuǎn)差功率并加以利用。根據(jù)以上兩點要求，較好的方案是采用工作在有源逆變狀態(tài)的晶閘管可控整流裝置作為產(chǎn)生附加直流電動勢的電源，這就形成了圖4所示的串級調(diào)速原理圖。

圖5 斬波式內(nèi)反饋串級調(diào)速系統(tǒng)


圖6 斬波器電流id的波形

圖4中m為三相繞線轉(zhuǎn)子異步電動機，其轉(zhuǎn)子相電動勢se20經(jīng)三相不可控整流裝置ur整流，輸出直流電壓ud。工作在有源逆變狀態(tài)的三相可控整流裝置ui除提供可調(diào)的直流電壓ui作為電機調(diào)速所需的附加直流電動勢外，還可將經(jīng)ur整流輸出的轉(zhuǎn)差功率逆變后回饋到交流電網(wǎng)。ti為逆變變壓器，l為平波電抗器，id為直流電路電流。顯然，系統(tǒng)在穩(wěn)定工作時，必有ud＞ui。由此可以寫出整流后的轉(zhuǎn)子直流回路電壓平衡方程式:
ud=ui+id r 或k1se20=k2ut2cosβ+idr (3)
式(3)中:
k1、k2—ur與ui兩個整流裝置的電壓整流系數(shù);
ut2—逆變變壓器的二次相電壓;
β—工作在逆變狀態(tài)的可控整流裝置ui的逆變角;
r—轉(zhuǎn)子直流回路總電阻。
根據(jù)以上對串級調(diào)速系統(tǒng)工作原理的討論可以得出下列結(jié)論:
·串級調(diào)速系統(tǒng)能夠靠調(diào)節(jié)逆變角β實現(xiàn)平滑無級調(diào)速;
·系統(tǒng)能把異步電動機的轉(zhuǎn)差功率回饋給交流電網(wǎng)，從而使扣除裝置損耗后的轉(zhuǎn)差功率得到有效利用，大大提高了調(diào)速系統(tǒng)的效率。

(2) 斬波控制的內(nèi)反饋串級調(diào)速原理和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[5][6]
串級調(diào)速系統(tǒng)的主要優(yōu)點就是可以用容量較小的變流裝置在轉(zhuǎn)子端來調(diào)節(jié)高壓、大功率繞線式異步電動機如風(fēng)機和水泵的速度，其性價比比直接在定子端通過高壓變頻器調(diào)速優(yōu)。主要缺點是整個調(diào)速裝置的總功率因數(shù)很低，一個重要原因就是采用了相位控制的逆變器，控制角β越大時，逆變器從電網(wǎng)吸收的無功功率越多。如果用斬波器來控制直流電壓，而將逆變器的控制角設(shè)定為允許的最小值不變，即可降低無功的消耗，而提高系統(tǒng)功率因數(shù)。由于傳統(tǒng)的串級調(diào)速系統(tǒng)需要升壓變壓器、高壓開關(guān)柜及高壓線路，系統(tǒng)相對較復(fù)雜，占地面積也比較大，因此人們在此基礎(chǔ)上，從電機結(jié)構(gòu)入手，引入了內(nèi)反饋串級調(diào)速技術(shù)。內(nèi)反饋串級調(diào)速系統(tǒng)除具有普通串級調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點外，還具有以下特點:
·取消了逆變變壓器及其網(wǎng)側(cè)控制設(shè)備;
·依靠反饋繞組的分布及角形連接，基本上抵消了5次諧波，大大削弱了7次諧波，3次及3的倍數(shù)次諧波僅在反饋繞組內(nèi)部流動，有效抑制了諧波對電網(wǎng)的污染;
·為避免有源逆變器的諧波通過反饋繞組再感應(yīng)到轉(zhuǎn)子電路，反饋繞組在調(diào)速狀態(tài)下還外接有補償及濾波電路，用以補償反饋繞組內(nèi)的滯后電流，減小損耗，使系統(tǒng)的功率因數(shù)由原來的0.4～0.6，可提高到0.9以上;
·轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差功率回饋到電機內(nèi)部(反饋繞組)，從而大大地改善了串級調(diào)速系統(tǒng)的性能。

斬波控制的內(nèi)反饋串級調(diào)速原理框圖見圖5。

由圖5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機的轉(zhuǎn)子輸出電壓接至三相橋式不可控整流器ur，通過igbt直流斬波器與電源換相的三相橋式晶閘管逆變器ui相連。ui是普通可控硅組成的橋式變流器，它的觸發(fā)控制角β不需要調(diào)節(jié)，總是把它控制在最大觸發(fā)角也即最小逆變角βmin的地方。從圖6的波形看出，設(shè)igbt斬波開關(guān)的工作周期為t,在τ的時間里，斬波開關(guān)閉合，整流橋ur被短路，而在t-τ的時間里，斬波開關(guān)斷開。整流橋的輸出電壓為

式中，e20為轉(zhuǎn)子開路相電壓。逆變器的輸出電壓為

經(jīng)斬波器輸至整流橋的電壓為，它應(yīng)與整流橋輸出電壓相平衡，則有

由串調(diào)原理和式(1)、(2)可以得到轉(zhuǎn)速公式如下:

由上式顯然可見，改變斬波器開關(guān)閉合時間τ的大小就可以改變電機轉(zhuǎn)速n的大小。
斬波控制的內(nèi)反饋串級調(diào)速系統(tǒng)與普通串級調(diào)速系統(tǒng)相比，由于內(nèi)反饋調(diào)速電機的定子上調(diào)節(jié)繞組的存在，因此該電機用于串調(diào)系統(tǒng)時，省去了串調(diào)系統(tǒng)中所必須的逆變變壓器，進(jìn)而使系統(tǒng)成本降低，體積減小，而且減少了逆變變壓器的損耗，提高了系統(tǒng)效率;采用絕緣柵雙極型晶體管(igbt)作為該調(diào)速系統(tǒng)的直流斬波器，提高了系統(tǒng)的功率因數(shù)以及降低了諧波成分，減少了對電網(wǎng)的諧波污染。

(3) 采用pwm整流的串級調(diào)速[8]
雖然采用斬波控制技術(shù)可以提高串級調(diào)速系統(tǒng)的功率因數(shù)，但是沒有改變晶閘管逆變橋通過電網(wǎng)電壓換流的本質(zhì)，依然有相位滯后，還是需要從電網(wǎng)吸收大量的無功功率，功率因數(shù)想再次提高很難。如果引進(jìn)pwm整流技術(shù)，改變原有串級調(diào)速系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)成分，把晶閘管逆變結(jié)構(gòu)換成igbt的pwm整流結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)圖如圖7所示，采用跟蹤指令電壓矢量的svpwm直接電流控制策略(由于篇幅有限，這里就不做詳細(xì)的闡述，可以參考有關(guān)文獻(xiàn))，使得調(diào)節(jié)繞組上電壓和電流同相位，減少無功損耗，從而提高系統(tǒng)的功率因數(shù)。另外采用pwm整流模塊代替晶閘管逆變模塊的另一個優(yōu)點是可以防止工廠停電時的逆變顛覆故障。這是因為晶閘管沒有自關(guān)斷能力，一旦工廠停電，則晶閘管逆變裝置不能產(chǎn)生一個逆變電壓來頂住中間直流電容所儲存的電壓，從而造成通過晶閘管瞬間電流過大，使系統(tǒng)發(fā)生逆變顛覆。而采用了自關(guān)斷能力的igbt整流結(jié)構(gòu)后，即使停電后也不會發(fā)生原有系統(tǒng)的逆變顛覆故障。

圖7 pwm整流的內(nèi)反饋串級調(diào)速系統(tǒng)

3 高壓大功率電動機兩種調(diào)速方法的比較和結(jié)論
工業(yè)生產(chǎn)中普遍采用的是pwm變頻調(diào)速系統(tǒng)，這種調(diào)速屬于精型調(diào)速，調(diào)速范圍寬，輸出響應(yīng)快，性能好。但是，對于風(fēng)機、泵類等大容量平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，由于其具有調(diào)速范圍小(一般為50％－100％)、系統(tǒng)靜動態(tài)特性要求低等特點，如果采用變頻調(diào)速方法有可能會產(chǎn)生得不償失的效果，而采用串級調(diào)速則不然。其次，對大容量高壓電機采用變頻調(diào)速，其高壓變頻器價格比較昂貴，若是采用串級調(diào)速方法，由于轉(zhuǎn)子側(cè)低壓調(diào)速，相對來說可以節(jié)省很大投資。另外，串級調(diào)速系統(tǒng)還具有裝置安全、可靠性高的優(yōu)點。即使串調(diào)逆變裝置萬一出現(xiàn)故障，異步電動機也能完全脫離串調(diào)裝置轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)子短接全速運行，但串級調(diào)速方法存在一個突出的缺點，就是系統(tǒng)功率因數(shù)較低，調(diào)節(jié)范圍也不大，動態(tài)響應(yīng)也不快，而且對于已有籠型電機的改造項目有些不便。因此應(yīng)該根據(jù)具體情況，選擇最經(jīng)濟實惠的調(diào)速方法來實現(xiàn)高壓大功率電機的調(diào)速。

4 結(jié)束語
在世界能源緊張、能源費用高漲的今天，交流調(diào)速技術(shù)作為節(jié)約能源的一個重要手段，且市場需求旺盛，因此引起了人們的高度重視，但還有大量的工作需要國內(nèi)研究者們?nèi)プ?，相信隨著更多國內(nèi)研究機構(gòu)和企業(yè)的關(guān)注，這些技術(shù)必將在高壓大功率的應(yīng)用場合中大顯身手。

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作者簡介
江友華(1974-) 男 博士研究生 主要從事電力電子技術(shù)與電力傳動方面的研究。