CN101615884A

CN101615884A - 移相斩波的高功率因数串级调速装置

Info

Publication number: CN101615884A
Application number: CN200910050291A
Authority: CN
Inventors: 江友华; 曹以龙
Original assignee: Shanghai University of Electric Power
Current assignee: Shanghai University of Electric Power; University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2009-04-30
Filing date: 2009-04-30
Publication date: 2009-12-30

Abstract

本发明涉及一种移相斩波的高功率因数串级调速装置。内馈电机转子侧通过Y/Y/△变压器与两个三相整流器相连，构成12脉波整流，减少转子侧谐波含量，并提高了转子侧功率因数，整流器直流侧连接移相斩波器，减少了直流脉动，提高了斩波器的可靠性和稳定性，两个斩波器后端连接共同母线，最后通过PWM整流器，把逆变电流回馈回电网，不仅减少了调节绕组的谐波含量，提高了其功率因数，并且可以有效防止逆变颠覆。本发明不仅可以减少转子侧谐波电流，还减少了逆变侧谐波电流，从而减少整个调速装置的谐波含量，使串级调速装置的功率因数得到大大提高。

Description

移相斩波的高功率因数串级调速装置

技术领域

本发明涉及一种串级调速技术，特别涉及一种移相斩波的高功率因数串级调速装置。

背景技术

我国是一个电力资源非常短缺的国家，节能作为一项重要的技术政策，对国民经济的发展具有深远的影响。风机和水泵在国民经济各部门中应用的数量众多，分布面极广，耗电量巨大。据统计，全国风机和水泵的耗电量占到整个工业用电量的40％以上，而风机、水泵一般在运行中都要进行负荷调节，相应的流量也要跟踪调节。传统的调节方法是调节入口或出口的阀门开度，使得风机、水泵用电量的30％~40％消耗在调节阀门及管网压降上，这是一种效益差、能耗大、设备损坏快、维修量大、运行费用高的落后办法，不仅造成了电能的巨大浪费，而且与经济运行标准也有相当大的差距。如果对风机、水泵进行调速，则可以取得很好的节能效果，提高经济效益。目前比较有发展前景的高压大功率调速技术应该是串级调速技术和高压变频技术，其中串级调速技术是从电机转子侧来实现调速，而高压变频调速技术是直接从定子侧来调速，两者各有千秋。但是对于那些调速性能要求不高，调速范围不宽的高压大功率风机、水泵，串级调速是一种比较经济可行的调速方案。然而传统的串级调速系统存在功率因数低、谐波含量大等缺点，并且目前工业现场使用的内馈斩波串级调速系统的斩波器大多采用开环控制，其动态性能不好，转子整流电流不可控，容易发生过流故障，使得装置的可靠性降低，这些都影响了串级调速在风机、泵类负载调速场合的推广应用。

发明内容

本发明是针对现在大功率风机、水泵存在串级调速系统存在功率因数低、谐波含量大、故障多的问题，提出了一种移相斩波的高功率因数串级调速装置，采用12脉波整流减少了转子整流侧的谐波，提高了转子侧的功率因数；由于采用了移相斩波，减少了直流电流脉动，增加了装置的稳定性；由于采用了PWM逆变技术，不仅减少了逆变侧的谐波，提高了系统的功率因数，还可以有效防止逆变颠覆故障，增强了装置的可靠性。

本发明的技术方案为：一种移相斩波的高功率因数串级调速装置，依次包括整流部分、斩波部分、逆变部分和控制部分，内馈电机转子绕组与Y/Y/Δ变压器相连接，变压器副边线圈相差30°，输出分别通过第一和第二整流器构成12脉波整流，斩波部分由两个相移差90°的第一斩波器和第二斩波器构成，第一、二整流器输出分别接第一、二斩波器，电流经过两个斩波器移相斩波电流脉动变小后，电流信号进入由PWM整流器组成的逆变部分进行逆变，输出逆变电流连接内馈电机的调节绕组，控制电路由第一DSP控制器和第二DSP控制器组成，第一DSP控制器输出控制第一、二斩波器的斩波脉冲，第二DSP控制器控制PWM整流器的脉冲，第一DSP控制器与第二DSP控制器之间通过双口RAM进行数据交换。

所述第一、二斩波器分别由一个电感、一个二极管及一个晶体管IGBT构成，所述第一、二整流器输出接斩波器电感，电感另一头接二极管的正极和晶体管IGBT的集电极，流入斩波器的电流即输入电感的电流，流出斩波器的电流为二极管输出电流。所述两个斩波器的二极管输出连接点，和两个斩波器中晶体管发射极输出连接点，汇集于储能电容正负两侧，储能电容后端连接PWM整流器。

所述PWM整流器由六个可控器件IGBT构成，六个可控器件IGBT两个一串，然后三组并联，每个IGBT反并联一个二极管，每两个串联可控器件IGBT的三个连接点连接内馈电机的调节绕组侧。

本发明的有益效果在于：本发明移相斩波的高功率因数串级调速装置，采用新的电力电子技术及新的拓扑结构和控制方法，对内馈斩波串级调速的斩波器实行数字式双闭环控制，并引入PWM整流技术，使之共同作用于串级调速，使其性能、功率因数和可靠性都得到提高，在技术上将会使串级调速系统上升一个台阶。

附图说明

图1为本发明移相斩波的高功率因数串级调速装置原理图；

图2为传统调速系统六脉波整流波形图；

图3为本发明移相斩波的高功率因数串级调速装置十二脉波整流波形图；

图4为单Boost斩波器形成的电流波形图；

图5为本发明移相斩波的高功率因数串级调速装置中移相斩波器形成的电流波形图；

图6为本发明移相斩波的高功率因数串级调速装置采用PWM整流器得到的电流与电压波形图。

具体实施方式

基于移相斩波的高功率因数串级调速装置的原理如图1所示。图1由主电路及控制电路两个部分组成。主电路又由内馈电机1与串级调速装置两部分构成。其中内馈电机又分为三个部分，定子绕组(流过的电流为I_s)，转子绕组(流过的电流为I_r)，调节绕组(流过的电流为I_f)；串级调速装置由整流部分(12脉冲整流)，斩波部分(移相斩波)，逆变部分(PWM整流器)构成。其中整流器部分与内馈电机1转子绕组是通过Y/Y/Δ变压器2相连接，副边线圈相差30°，输出通过两个整流器3、4构成12脉波整流，减少了转子侧谐波，提高了功率因数。斩波部分由两个相移差90°(θ＝π/N，这里N＝2)的斩波器5、6构成，其中斩波器5由电感L₁、二极管D₁及晶体管IGBT1构成，整流器3输出接电感L₁，电感L₁另一头接二极管D₁的正极和晶体管IGBT1的集电极，流入的电流是i₁，即输入电感L₁的电流，流出的电流为i₃，即为二极管D₁输出电流。斩波器6由电感L₂、D₂及IGBT2构成，电路连接同斩波器5，流入的电流是i₂，流出的电流为i₄。两个斩波器在A，B两点相连接，A点为二极管D₁和二极管D₂输出连接点，B点为晶体管IGBT1和晶体管IGBT2发射极输出连接点，A，B两点汇集于储能电容7正负两侧，其电流关系满足下列等式：i₃+i₄＝i₅(1)，储能电容7后端连接了PWM整流器8，整流器8又由6个可控器件IGBT构成，分别是IGBT3～IGBT8，6个可控器件IGBT两个一串，然后三组并联，每个IGBT反并联一个二极管，分别对应的是D3～D8。PWM整流器中的两个串联可控器件IGBT的三个连接点C、D、E连接内馈电机的调节绕组侧，其逆变电流是I_f。

控制电路主要由两个DSP控制器9、11构成，DSP控制器芯片均采用Ti公司的TMS320LF2407，其中DSP控制器9主要输出控制两个斩波器5、6的斩波脉冲，即控制IGBT1和IGBT2的使能端，使得直流电流脉动比较小，电流比较平稳；DSP控制器11主要控制PWM整流器六路IGBT的脉冲，使得转差功率能够有效回馈电网，不仅减少了整流器的谐波含量，还可以有效防止逆变颠覆。DSP控制器9与DSP控制器11之间通过双口RAM10进行数据交换。

传统串级调速采用六脉波整流，如图2所示，其交流侧整流电流波形如图2(a)所示，整流侧直流电压波形如图2(b)所示。其交流侧电流波形畸变厉害，直流侧直流脉动也比较大，60°一个脉动周期。

图3为本发明采用十二脉波整流得到的交流侧电流波形如图3(a)和整流侧的直流电压波形如图3(b)，由图3可知，其交流侧电流波形如图3(a)畸变率比较小，直流侧电压波形如图3(b)直流脉动也比较小，30°一个脉动周期。

图4是采用单个Boost斩波器进行斩波得到的电流波形，由图4可知，其电流脉动比较大。

图5为本发明采用移相斩波器形成的电流波形，图5(a)不同斩波器电流波形，图5(b)移相斩波的合成电流波形，对比可知，采用移相斩波后，直流侧电流波形脉波小，比较稳定，容易控制。

传统串级调速后端采用晶闸管有源逆变，但其逆变波形类同六脉波整流的交流侧电流波形，谐波含量比较大，功率因数低。图6是采用PWM整流器代替晶闸管逆变得到的电流与电压波形，由图6可知，其电流波形接近正弦波，且电流相位与电压相位接近，功率因数比较高。此外，由于采用了PWM整流器，可控电力电子器件可立即关断，因此不会发生逆变颠覆故障。

Claims

1、一种移相斩波的高功率因数串级调速装置，依次包括整流部分、斩波部分、逆变部分和控制部分，其特征在于，内馈电机转子绕组与Y/Y/Δ变压器相连接，变压器副边线圈相差30°，输出分别通过第一和第二整流器构成12脉波整流，斩波部分由两个相移差90°的第一斩波器和第二斩波器构成，第一、二整流器输出分别接第一、二斩波器，电流经过两个斩波器移相斩波电流脉动变小后，电流信号进入由PWM整流器组成的逆变部分进行逆变，输出逆变电流连接内馈电机的调节绕组，控制电路由第一DSP控制器和第二DSP控制器组成，第一DSP控制器输出控制第一、二斩波器的斩波脉冲，第二DSP控制器控制PWM整流器的脉冲，第一DSP控制器与第二DSP控制器之间通过双口RAM进行数据交换。

2、根据权利要求1所述移相斩波的高功率因数串级调速装置，其特征在于，所述第一、二斩波器分别由一个电感、一个二极管及一个晶体管IGBT构成，所述第一、二整流器输出接斩波器电感，电感另一头接二极管的正极和晶体管IGBT的集电极，流入斩波器的电流即输入电感的电流，流出斩波器的电流为二极管输出电流。

3、根据权利要求2所述移相斩波的高功率因数串级调速装置，其特征在于，所述两个斩波器的二极管输出连接点，和两个斩波器中晶体管发射极输出连接点，汇集于储能电容正负两侧，储能电容后端连接PWM整流器。

4、根据权利要求1所述移相斩波的高功率因数串级调速装置，其特征在于，所述PWM整流器由六个可控器件IGBT构成，六个可控器件IGBT两个一串，然后三组并联，每个IGBT反并联一个二极管，每两个串联可控器件IGBT的三个连接点连接内馈电机的调节绕组侧。