新型三相四线制串级数字调速系统设计

文章摘要：新型三相四线制串级数字调速系统设计 李林龙 （华中科技大学，湖北 武汉 430074） 1引言 工业生产中存在着大量的风机、泵类负载，目前风量、流量控制基本上是靠风门和闸阀调节，而不是靠电机调速来实现的，因此大量的电能被浪费。如果用交流调速技术将恒速运行的异步机改造成可调速的传动系统，节能的经济和社会效益将是巨大的。

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新型三相四线制串级数字调速系统设计 李林龙
（华中科技大学，湖北 武汉 430074）

1引言
工业生产中存在着大量的风机、泵类负载，目前风量、流量控制基本上是靠风门和闸阀调节，而不是靠电机调速来实现的，因此大量的电能被浪费。如果用交流调速技术将恒速运行的异步机改造成可调速的传动系统，节能的经济和社会效益将是巨大的。

目前，工业生产中普遍采用的是PWM变频调速系统，这种调速属于精确型调速。但是，风机、泵类等这种大容量平方转矩负载，由于具有调速范围小(一般为50％～100％)、系统静动态特性要求低等特点，如果采用变频调速方法，有可能会产生得不偿失的效果，而采用串级调速则不同。首先，对风机、泵类负载采用变频调速，其变频器从定子侧变频，功率为全功率，串级调速方法是从转子侧进行调速，其逆变器功率仅为全功率的1/2～1/3；其次，对大容量高压电机采用变频调速，其高压变频器价格比较昂贵，若是采用串级调速方法，由于转子侧是低压，可以大大节省投资。另外，串级调速系统还具有装置安全、可靠性高的优点。即使串调逆变装置出现故障，异步电动机也能完全脱离串调装置转换到转子短接全速运行。传统串级调速方法功率因数较低，串调系统在高速满载运转时总功率因数约在0.6左右，低速时总功率因数更差。因此，有必要对传统的串级调速系统进行研究，提高其功率因数。

本文提出了一种对传统串级调速改进的新型三相四线串级调速方案，并以80C196KC单片机为核心，组成一个全数字新型串级调速控制系统，对新型数字串级调速系统进行硬件设计。

2基本原理

在传统的串级调速系统中，调速装置不断从电网吸收无功功率，整个调速系统的功率因数很低。而新型三相四线制IGBT串级调速则不然，它的主要特点是转子回路不但不从电网吸收无功功率，相反当电机低于额定转速时，它还向电网发出无功功率，这样系统的功率因数比传统串级调速系统要高得多。图1是新型三相四线串级调速系统电路原理图。这种方案中，电机转子三相绕组经全波整流器、电抗器、逆变器、逆变变压器连接电网。新型三相四线制串级调速中的逆变器增加了两个相串联的IGBT，再与六个晶闸管组成的逆变桥并联，两个IGBT的串连中点与逆变变压器二次侧的中线相连。通过控制六个晶闸管和两个IGBT就可以达到在调速的同时提高系统的功率因数目的。

图2画出了新型三相四线串级调速方案中IGBT 的控制脉冲及逆变桥晶闸管的触发脉冲。图中，IGBT的控制脉冲周期为2л/3，从自然换相点处开始，VT7和VT8两管交替导通，脉冲宽度（即导通控制角）的变化范围为0~2л/3。晶闸管(1, 3,5)的触发脉冲起始点定在VT8控制脉冲的下降沿处，结束点为VT7控制脉冲的开始时刻。晶闸管(4，6，2)的触发脉冲起始点定在VT7控制脉冲的下降沿处，结束点为VT8控制脉冲的开始时刻。

图1和图2中，在a，b的自然换相点前，晶闸管4，5导通，逆变电压为uca。在a，b的自然换相点处，给VT8控制脉冲，使其导通。VT8 导通瞬间，由于电容C1经VT8形成放电回路，同时，由于VT8的导通，给电容C2充电，当放电结束(即ucl／<ua)后，晶闸管4承受一反向电压，通过控制VT8的导通时间，使管4可靠关断，此时由于晶闸管5和VT8形成回路，逆变电压为c相的相电压uc。VT8控制脉冲结束，IGBT关断，在脉冲下降沿处触发晶闸管6，使 b相导通，此时逆变桥中管5、管6导通，所以逆变电压由c相相电压跳变为 b、c两相间的线电压ucb。逆变电压波形如图3所示。图中画出了δ从20°变化到105°时逆变电压波形。可以看出，通过控制IGBT制脉冲角δ的大小，就可以达到调节逆变电压，进而调节电机转速的目的。模拟元件构成的串级调速系统电路具有结构复杂、脉冲对称性不好以及脉冲容易受电网电压波动的影响等缺点，为了克服模拟元件的以上缺点，我们采用MCS80C196KC单片机来实现逆变电路晶闸管和IGBT的触发和控制，这种单片机控制系统能及时准确地产生晶闸管的触发脉冲和IGBT的控制脉冲，并且硬件简单。

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