基于双IGBT的斩波式串级调速系统的研究

异步电动机串级调速系统如何通过改变Ef相位调节电机转速。假定电动机拖动恒转矩负载，转子每相电流，2为：

电动机产生的转矩M=CMφI2cosψ2，I2值的减小使电动机转矩亦相应减小，电动机转矩值小于负载转矩值的状态，稳定运转条件被破坏，迫使电动机降速。随着转速的降低，s的值增大，转子电流I2回升，转矩M亦相应回升，直到电动机转矩与负载转矩相等时，减速过程结束，电动机就在此转速下稳定运转，即串入与E2相位相反的附加电势Ef幅值愈大，电动机的稳定转速就愈低。反之亦然。

3 异步电动机串级调速系统功率因数分析

串级调速装置的容量与调速范围成正比，当要求的调速范围不宽时，装置的容量较小，可降低费用。但传统的晶闸管串级调速系统存在突出的缺点：功率因数低、无功损耗大。其原因有以下几方面：

(1)串级调速系统中的逆变变压器需要由电网吸收无功功率QB，这是造成总功率因数低的主要原因。

串级调速系统总的功率因数为：


串级调速系统从电网吸收的总有功功率为P=P1一PB，而从电网吸收的总无功功率为Q=Q1+QB，使得串级调速系统总功率因数较低。

(2)串级调速系统中转子整流电路存在严重的换流重叠现象，引起电动机转子电流落后于转子电压相位μ／2，使电动机本身运转的功率因数变差，即cosψD=cosψcos(μ／2)

(3)串级调速系统中电动机和逆变变压器的电流波形发生畸变，其电流的高次谐波分量引起无功的畸变功率，使串级调速系统的总功率因数亦变坏。提高功率因数的关键是如何减少从电网中吸收的无功功率。

4 几种改进串级调速方案分析

4．1 三相四线双晶闸管串级调速系统

三相四线双晶闸管串级调速的核心是在异步电动机转子回路串入4线式变流器，该电路用辅助的晶闸管为无功功率提供了通路，从而提高了系统的功率因数。其控制方法是通过控制主桥晶闸管和辅助晶闸管轮流导通，使逆变桥直流侧电压在线电压与相电压之间跳变，从而达到提高功率因数的目的。

4．2 新型GTO串级调速系统

新型GT0串级调速系统是在逆变器的直流侧并联一个GTO元件，并通过PWM方式控制GT0的导通和关断，改变直流回路逆变电压，从而调节电动机转速。该方案中PWM的控制方式，可按逆变器的逆变角β固定在正角或β角固定在负角两种不同方式控制，达到不同情况下提高装置功率因数的目的。

4．3 新型三相四线双IGBT串级调速方案

对于新型GTO串级调速系统，尤其在β角为负的情况下，通过装置向电网回馈无功，较大地改善了系统功率因数，但其回馈电流的波形较差，电压损失较大，晶闸管关断不可靠，由于采用PWM控制，系统装置也比较复杂。

为此，需要寻求一种简单、高效的新型转差回馈调速装置，使其能更大程度地提高系统功率因数，从而引入三相四线制双IGBT串级调速方案，其原理如图2所示。绕线式异步电动机的转子输出电压，经整流后与三相桥式晶闸管逆变电路相连；VT7，VT8为两个辅助开关元件IGBT，它为无功功率提供了通路，RCD网络并联于IGBT两端，起限制IGBT峰值电压的作用。

这种方案的基本思想是以传统串级调速装置为基础，在逆变器的直流侧并联两个辅助可关断元件IGBT，其中点与逆变变压器(2次侧采用星形接法)中性点相接。按照一定的控制方式，将逆变角β固定在一个较小角度，通过控制逆变桥晶闸管和2个IGBT元件的导通和关断改变逆变电压，进而调节电动机的转速，达到提高功率因数的目的。

5 新型三相四线双IGBT串级调速控制方案

以逆变桥中5号晶闸管(VT5)与1号晶闸管(VT1)的换相为例分析该方案中IGBT器件的控制方法。图3示出了逆变桥中IGBT与晶闸管的控制脉冲顺序，其中，逆变角β固定在零处，IGBT导通角δ变化范围为0°~120°。