多路并聯(lián)高效節(jié)能的高壓大功率斬波調(diào)速系統(tǒng)

苑亞敏，常喜茂，周玉星，姜東海，馬　玥

(1.保定華仿科技股份有限公司，河北保定071051；2.華北電力大學(xué) 產(chǎn)業(yè)管理處，河北保定071003；3.國(guó)網(wǎng)河北省電力公司 培訓(xùn)中心，河北保定071000)

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多路并聯(lián)高效節(jié)能的高壓大功率斬波調(diào)速系統(tǒng)

苑亞敏1,2，常喜茂1,2，周玉星1，姜東海1，馬玥3

(1.保定華仿科技股份有限公司，河北保定071051；2.華北電力大學(xué) 產(chǎn)業(yè)管理處，河北保定071003；3.國(guó)網(wǎng)河北省電力公司 培訓(xùn)中心，河北保定071000)

摘要：超大功率電機(jī)斬波串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)節(jié)能空間遠(yuǎn)大于小功率電機(jī)，但目前鮮有研究，主要是因?yàn)閱蝹€(gè)IGBT構(gòu)成的斬波器不能解決超大功率電機(jī)轉(zhuǎn)子電壓高且電流過大問題。針對(duì)性提出多路斬波并聯(lián)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，基于狀態(tài)空間平均法對(duì)主回路進(jìn)行分析，建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。采用疊層母排結(jié)構(gòu)，利用每個(gè)斬波器的電抗器自動(dòng)均流，實(shí)現(xiàn)5 400 kW多路并聯(lián)調(diào)速系統(tǒng)，突破了單路斬波器小電流瓶頸。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明各斬波支路電流均衡，總和為母線電流值，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，節(jié)能效果明顯，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益突出。

關(guān)鍵詞：多路并聯(lián)；狀態(tài)空間平均法；斬波串級(jí)調(diào)速；疊層母排；

0引言

在當(dāng)前節(jié)能減排的嚴(yán)峻形勢(shì)下，節(jié)能調(diào)速是大型高壓電機(jī)應(yīng)用中的迫切需求，斬波串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)[1-4](相對(duì)于變頻調(diào)速)具有變流功率小、運(yùn)行條件寬松、成本低等優(yōu)點(diǎn)，非常適用于在高壓大功率風(fēng)機(jī)、水泵等設(shè)備的節(jié)能降耗應(yīng)用上。目前在國(guó)內(nèi)的許多工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)都得到了廣泛的應(yīng)用，大多都是幾百千瓦到一兩千瓦中小型功率電機(jī)，轉(zhuǎn)子電壓也僅在幾百伏至一千伏左右，其系統(tǒng)采用直流斬波回路PWM數(shù)字控制方式，將最小逆變角固定，有效降低了逆變顛覆故障，使得系統(tǒng)更加安全可靠，而且在功率因數(shù)提升、諧波抑制等方面有所提高。然而超大功率的斬波串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)研究卻極少涉及，主要是因?yàn)閱蝹€(gè)IGBT構(gòu)成的斬波器不能解決超大功率電機(jī)轉(zhuǎn)子電壓高且電流過大問題。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)多數(shù)采用國(guó)外進(jìn)口的高壓變頻器或者進(jìn)相器(僅能通過提高功率因數(shù)來節(jié)能不能調(diào)速)或者效率更低的液力耦合器，急切需要對(duì)超大電機(jī)斬波調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，減少企業(yè)節(jié)能成本。

1多路并聯(lián)斬波調(diào)速技術(shù)特點(diǎn)

高頻斬波串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)[5-12]是在傳統(tǒng)的串級(jí)調(diào)速理論基礎(chǔ)上，用Boost升壓斬波器代替原有電抗器，在轉(zhuǎn)子回路中串入可吸收轉(zhuǎn)差功率的附加電動(dòng)勢(shì)，通過改變附加電動(dòng)勢(shì)的大小，來達(dá)到改變轉(zhuǎn)子電流，進(jìn)而改變電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的目的。系統(tǒng)由液阻柜、二極管整流器、升壓斬波器和晶閘管有源逆變器組成，如圖1。逆變器的逆變角固定在最小安全值，產(chǎn)生恒定附加直流反電勢(shì)Uf，通過調(diào)節(jié)斬波器開關(guān)IGBT的導(dǎo)通時(shí)間，來調(diào)節(jié)串入轉(zhuǎn)子回路的等效電勢(shì)，使得轉(zhuǎn)子電流變化，從而改變電磁轉(zhuǎn)矩，達(dá)到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的目的，多余的能量通過逆變變壓器回饋給電網(wǎng)。

圖1　高頻斬波串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

超大功率電機(jī)，轉(zhuǎn)子電壓電流都很大，通常在1 kA以上，轉(zhuǎn)子開口電壓在2～3 kV左右，即使50%額定轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)子電壓也已達(dá)到1～1.5 kV左右，目前符合應(yīng)用要求的主流IGBT器件規(guī)格有800 A/3 300 V和1 200 A/3 300 V兩檔。考慮安全裕度和過載容量，調(diào)速系統(tǒng)只能采用多只IGBT并聯(lián)的方式才能滿足大電流的使用需求，因此，提出了多路并聯(lián)斬波串級(jí)調(diào)速電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖2所示。假設(shè)有m路斬波單元且參數(shù)一致，轉(zhuǎn)子電流經(jīng)過整流后，會(huì)平均分配到每只開關(guān)管，每只管承受的電流為總電流的m分之一。

圖2　多路并聯(lián)斬波回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)方式分為同時(shí)驅(qū)動(dòng)和分時(shí)驅(qū)動(dòng)兩種狀態(tài)[13-15]，同時(shí)驅(qū)動(dòng)方式，硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，但開關(guān)損耗及電流波紋較大；而交錯(cuò)并聯(lián)分時(shí)驅(qū)動(dòng)開關(guān)損耗和電流波動(dòng)都較小，但硬件設(shè)計(jì)復(fù)雜，控制繁瑣，工程應(yīng)用時(shí)，故障點(diǎn)會(huì)增加，本文采取同時(shí)驅(qū)動(dòng)方式。在器件選型上，IGBT、FRD選擇同一批性能參數(shù)最為接近的，電抗器不僅設(shè)計(jì)參數(shù)要一致，而且從選料生產(chǎn)加工也要是同一批次，雖無法保證理論上各路斬波單元參數(shù)完全一致，但總能達(dá)到最小容許范圍。

2多路并聯(lián)斬波調(diào)速系統(tǒng)建模

2.1多路并聯(lián)斬波調(diào)速系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)包含二極管、IGBT、晶閘管等多種非線性元件，是一套復(fù)雜的非線性系統(tǒng)；由于電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)頻率十幾Hz，相對(duì)斬波2 kHz非常低，可以看作穩(wěn)定不變的直流量；晶閘管逆變器工作頻率50 Hz，直流側(cè)300 Hz，是脈動(dòng)的直流量，由于電抗器L2的濾波作用，也可認(rèn)為是直流量；因此，只分析斬波電路的工作狀態(tài)即可。

假設(shè)斬波回路電抗L11～L1m完全相同，各支路元件特性完全相同，且IGBT1～I(xiàn)GBTm均在同一時(shí)刻導(dǎo)通，則同步驅(qū)動(dòng)的多路并聯(lián)斬波回路的特性等同于單路的升壓斬波回路特性，母線電流等于各支路電流之和，因此僅分析單路斬波回路的工作狀態(tài)，就能了解整個(gè)并聯(lián)斬波回路的工作狀態(tài)。工作在電流連續(xù)模式下，其工作模式僅分為導(dǎo)通和關(guān)斷兩種狀態(tài)[16]，如圖3所示。圖中Uz為整流電壓；Uf為逆變前直流電壓；R1和L1為線路電阻和斬波電抗器含線路電感；R2和L2為線路電阻和平波電抗器含線路電感；Rg為IGBT導(dǎo)通時(shí)等效電阻；Rf為FRD導(dǎo)通時(shí)等效電阻；i1為整流直流電流；i2為逆變直流電流，uc為電容兩端電壓。

圖3　多路并聯(lián)斬波調(diào)速系統(tǒng)等效電路圖

2.2多路并聯(lián)斬波回路建模

斬波調(diào)速系統(tǒng)的電抗器和電容器參數(shù)均會(huì)合理優(yōu)化，實(shí)際運(yùn)行工況整流母線電流連續(xù)，因此，就以電流連續(xù)為分析條件，斬波器工作在CMM模式下，工作狀態(tài)僅分為導(dǎo)通和關(guān)斷兩種狀態(tài)，如圖3。在一個(gè)周期T內(nèi)，設(shè)導(dǎo)通時(shí)間為(dT)，關(guān)斷時(shí)間為(1-d)T，則可得到斬波回路在一個(gè)周期T內(nèi)的等效狀態(tài)方程，見式(1)和式(2)：

(1)

(2)

將方程寫成矩陣形式，可以得到系統(tǒng)狀態(tài)方程式(3)和式(4)

(3)

(4)

令：

利用狀態(tài)平均法[14]，合寫式(3)和式(4)可推導(dǎo)出狀態(tài)空間平均方程(5)：

(5)

令〈x(t)〉T的導(dǎo)數(shù)為零，得到方程的靜態(tài)工作點(diǎn)的解：

(6)

式(5)仍然是非線性方程，再利用擾動(dòng)法求解小信號(hào)線性動(dòng)態(tài)模型，對(duì)幾個(gè)矢量引入擾動(dòng)，即令：

代入式(5)，并忽略二階交流項(xiàng)，可得到小信號(hào)交流模型，如式(7)

(7)

這樣就得到了占空比、結(jié)構(gòu)參數(shù)、輸入?yún)⒘亢拓?fù)載直流電流在一個(gè)開關(guān)周期平均量的動(dòng)態(tài)關(guān)系，由于轉(zhuǎn)子電流與負(fù)載直流電流均值相關(guān)，進(jìn)而決定了轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。而多路斬波電路母線總電流為i1

3樣機(jī)設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1電機(jī)參數(shù)和調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)樣機(jī)配套繞線異步電機(jī)型號(hào)為YRKK1000-6，額定功率5 400 kW，定子電壓10 kV，定子電流368.8 A，功率因數(shù)0.875，效率96.4%，轉(zhuǎn)速996 r/min，轉(zhuǎn)子電壓2 070 V，轉(zhuǎn)子電流1 575 A，過載倍數(shù)1.8。逆變變壓器容量為1 250 kVA，原副邊電壓為10 kV和1 200 V。

多路并聯(lián)斬波調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖4，左中右依次為整流柜、三面斬波柜、逆變柜，其中斬波電路為三路并聯(lián)，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電容、1只3 mH/750 A電抗器組成。工作頻率為2 kHz，斬波散熱器功率為7 000 W。采用遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)控制[17]，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備如圖5，該系統(tǒng)已成功投運(yùn)于水泥磨循環(huán)風(fēng)機(jī)上配套電機(jī)。

圖4　調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖5　現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備圖

3.2疊層母排及散熱器設(shè)計(jì)

在IGBT的開通關(guān)斷過程中，電流變化率非常大，樣機(jī)采用ABB生產(chǎn)的5SNA1200E330100模塊，其開通和關(guān)斷時(shí)間僅為1 us左右。由于直流電容側(cè)電壓高達(dá)1 400 V，IGBT在關(guān)斷期間需要承受的電壓即為電容電壓1 400 V。若IGBT兩端的線路雜散電感Ls過大，該雜散電感在IGBT關(guān)斷時(shí)必然感應(yīng)出高電壓，并疊加在IGBT兩端引起過電壓，超過IGBT模塊的額定電壓后，就會(huì)面臨器件燒毀的危險(xiǎn)。

特殊設(shè)計(jì)的疊層母排結(jié)構(gòu)如圖6，疊層母排由銅質(zhì)正極板、銅質(zhì)負(fù)極板、環(huán)氧樹脂三部分組成，同時(shí)連接IGBT、FRD和電容C，形成回路，保證了連接距離最短；母排上下極板中間由絕緣材料隔離的結(jié)構(gòu)本身，就已經(jīng)構(gòu)成了一臺(tái)簡(jiǎn)易電容器；因此母排雜散電感Ls非常小，實(shí)際測(cè)量值不大于50 nH，大大降低了IGBT在關(guān)斷時(shí)電流變化引起的過電壓。

圖6　疊層母排設(shè)計(jì)圖

散熱器的合理設(shè)計(jì)和正確安裝是工程應(yīng)用中功率器件IGBT和FRD正常工作的關(guān)鍵，文獻(xiàn)[14]中就出現(xiàn)了器件燒毀現(xiàn)象。為了保證斬波器的熱量能即時(shí)散發(fā)到環(huán)境中去，系統(tǒng)采用熱管式散熱器加頂部強(qiáng)迫風(fēng)冷的形式，散熱器表面要求光滑平整，并涂抹導(dǎo)熱膏增大器件與散熱器接觸面積，減小接觸熱阻。風(fēng)機(jī)采用風(fēng)壓大風(fēng)量足的離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行散熱，相對(duì)自然冷卻和水冷結(jié)構(gòu)來說，是工程應(yīng)用中最經(jīng)濟(jì)可靠的。

3.3運(yùn)行數(shù)據(jù)和波形

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試過程中具體實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見表1。由數(shù)據(jù)可以看出，隨著占空比的減小，電機(jī)的轉(zhuǎn)速降低，定子電流降低，整流直流降低，電容電壓基本維持不變，反饋電流逐漸增大，大部分轉(zhuǎn)差功率由逆變器送回電網(wǎng)。理論上逆變直流和反饋電流都會(huì)在轉(zhuǎn)差率1/3處出現(xiàn)最大值，也就是轉(zhuǎn)速在666 r/min左右，此時(shí)回饋能量最大，反饋電流也最大。然而由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備實(shí)際生產(chǎn)工況要求，轉(zhuǎn)速已最低，再降低就不能滿足生產(chǎn)要求，因此沒能測(cè)量到反饋電流最大值。

表1　斬波調(diào)速系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)(風(fēng)門全開)

實(shí)際轉(zhuǎn)速在817 r/min時(shí)，測(cè)得單路斬波單元的電流波形如圖7，使用電流表筆測(cè)量，量程10 mV/A，3.583 V到4.5 V之間(即358.3 A到450 A)，三路基本相同。總電流值1 350 A與屏幕顯示值1 320 A(整流直流/A)基本一致。

圖7　單路斬波單元電流現(xiàn)場(chǎng)波形

4結(jié)論

本文介紹了斬波串級(jí)調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀，并根據(jù)大功率電機(jī)轉(zhuǎn)子電壓高電流過大的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)多路IGBT斬波并聯(lián)電路，基于狀態(tài)空間平均法建立其數(shù)學(xué)模型，采用疊層母排結(jié)構(gòu)減小回路雜散電感，利用斬波回路電抗器自動(dòng)均流。實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)首臺(tái)5 400 kW水泥磨循環(huán)風(fēng)機(jī)配套斬波串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，節(jié)能效果顯著，達(dá)到同行業(yè)領(lǐng)先水平。

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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)

Abstract：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.

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

中圖分類號(hào):TM921.53

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2016.03.003

作者簡(jiǎn)介：苑亞敏(1978-)，女，工程師，研究方向?yàn)殡姍C(jī)調(diào)速控制、電力電子技術(shù)，E-mail：yuanyamin2007@163.com。

收稿日期：2016-01-18。