PWM型串级调速装置——GTO在交流调速装置中的应用

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1988.03.011 北京钢铁学院学报 第10卷第3期 Journal of Beijing University Vol,10 No.3 1988年7月 of Iron and Steel Technology July 1988 PWM型串级调速装置 GTO在交流调速装置中的应用 诸祖同洪定国 吴小鸣 (自控牧研室) 播 要 本文论述了可控硅逆变器逆变角影响申级调速装置功率因数的基本原理。从而 闸明了当采用PWM型串级调速装置时，它的功率因数可得到一定程度的改善。从 研制的PWM型申级调速装置试验结果，证明了理论分析的正确性。由于这种装置 的结构和控制较简单，在实际应用中能得到较大的经济效益。 关键词：功率因数，申级调速装置，可关断可控硅，脉宽调制 A Pulse-Width Modulated (PWM)Type of Cascade Connected Device for Speed Control -The Utilization of GTO for Alternating Current Device Zhu Zutong,Hun Dingguo,Wu Xiaoming Abstract This paper discusses the basic principle which the inverted firing angle of thyristor inverter has the influence on power factor of a cascade connected device.On the basis of this principle,if it adopts a PWM type of cascade connected device,the power factor is improved to a certain extent.The tested results fully prove that the theoritical analysis is correct. Because the constructioa and control of this PWM type of cascade connected device are comparalively simple and the economic benefit by using 1987-09一07收稿 344

北 京 钢 铁 学 院 学 报 第 卷第 期 年 月 一 型 串 级 调 速 装 置 — 在交流调速装置 中的应 用 诸祖 同 洪定国 吴 小鸣 自控 教研 室 摘 要 本文论 述 了可控硅 逆变器 逆变角影响串级调速装置功率因数的 墓本原理 。 从而 阐明 了当采 用 型 串级 调 速装置时 ， 它 的功率因数可 得 到一 定程度的 改善 。 从 研制的 型串级 调速装置试验结果 ， 证 明 了理论 分析的正 确性 。 由于这种装置 的结 构和控 制较简 单 ， 在实际应 用 中能得 到较大 的 经济效 益 。 关越词 功 率因数 ， 串级调速装置 ， 可关断可控硅 ， 脉宽 调制 一 — “ ， 了 夕夕 ， 牙 水 ， 、 一，、 、 。 ， · ， ， ， · 一 ， 手 · 、 一。 · 比 、 一。 、 。 一 一 收 稿 DOI ：10．13374／j ．issn1001—053x．1988．03．011

of this device is got. Key words:power factor,cascade speed control,turn-off SCR,pulse width modulation (PWM) 引言 串级调速装置是一种应用范围较广的交流调速装置，它的技术简单，运行可靠，并有较 大的节能效益。由于串级调速装置运行时的功率因数很低，一般只有0,4~0.6，影响它的推 广应用。提高串级调速装置的功率因数是我国目前急待解决的课题。 1影响串级调速装置功率因数的基本因素 在文献〔1]中叙述了影响串级调速装置功率因数的基本因素，串级调速装置是改变逆变 器的逆变角B调节逆变电压U,其关系式为： "+a =3v6U:sinotd(ot)=-2.34U3cosB 进而控制电动机的传速。这时串级调速装置功率因数的变化规律可用图1中的电流向量图 加以描述。图中按照B=30°时其调速范围 D=2来选择逆变变压器副边电压，并在额定 负载转矩时，改变B角调节电动机的转速。其 所对应的向量图在理想情况下，逆变电流I:的 幅值不变，I向量端点的轨迹如图1中ab所 示，这时电动机的定子电流I,不变，装置总电 流为iw=1,+1,所以w的向量端点的轨迹如 图1中cd所示。从Iw的轨迹可以看出，当改 变B角调节电动机的转速时，串级调速装置的 图1电泼向量图 功率因数是很低的。 Fig,1 The current phasor diagram 2PWM型串级调速装置 由上节分析可知，串级调速装置用改变逆变角B调节电动机的转速，使其功率因数很 低，如果不是采用改变逆变角B而是按下面所述的采用脉宽调制，那么就可提高它的功末因 数，这可称为PWM型串级调速装置。其原理接线图如图2所示。它仅仅在原串级调速装置 的逆变器直流侧并联一个GTO元件，这时按PWM方式控制GTO元件导通和关断，来改变逆 变电压U,从而调节电动机的转速。而且.PWM的控制方式可按逆变器的逆变角B固定在正 角和负角两种不同控制方式，达到不同情况下提高装置功率因数的月的。 (1)B固定为正角时的工作情况：这时应选择B=30°，即按最小换向重叠角选择B角， 对提高装置的功率因数最有利。 345

苏 ‘砰 、 · ， 飞 ， 一 ， 日 侣旨‘ 二 串级调速 装置是一种应 用 范围较广 的交流调速 装置 ， ‘白的技术简单 ， 运 行 可靠 ， 并有较 大 的节能 效益 。 由于串级调速装置 运行时 的功 率因数很低 ， 一 般 只有 。 一 ， 影响它 的推 广应 用 。 提高串级调速装 置 的功率 因数是 我 国 目前急 待解 决 的课题 。 影响 串级调速装置功率因 数 的基本因 素 在 文献 〔 〕 中叙 述 了影响串级调速 装置功 率 因数的基本 因素 ， 串级调速装 置是 改 变逆变 器 的逆变 角刀调节逆 变 电压 矶 ， 其 关系式为 玩 兀 气 ‘ 侧毛 臼 臼 一 刀 一 十 进而 控制 电动机 的转速 。 这 时 串级调 速装 置 功率 因数 的变 化 规律可 用图 中 的 电流向量图 加 以描 述 。 图中按照 刀 “ 时 其 调 速 范 围 来选 择逆变 变 压器副 边电压 ， 并在额定 负载转矩时 ， 改变 夕角调节电动机 的转速 。 其 所 对应 的向最 图在理 想情况下 ， 逆变 电流 。 的 幅值不变 ， 。 向量端点的轨迹 如 图 中 所 示 ， 这 时 电动机 的定子 电流 ，不 变 ， 装 置总电 流 为 二 ， ， 所 以 的 向量端 点的轨迹如 图 中 所 示 。 从 场 的轨迹可 以看 出 ， 当改 变 刀角调 节 电动 机 的转速 时 ， 串 级调速 装置 的 功 率因数是 很低 的 。 图 电流 向量 图 型 串级调速装置 由上节分析可 知 ， 串级 调速装置 用改变 逆 变 角刀调 节电动机 的转速 ， 使其 功 率 因 数 很 低 ， 如果不 是采用改变逆 变 角刀而 是按下面所述 的采用脉宽调制 ， 那 么 就可 提高它 的功率 因 数 ， 这可 称为 型 串级调速装置 。 其原 理接 线 图如 图 所示 。 它仅仅在原 串级 调速装置 的逆变器直流侧并联一 个 元件 ， 这 时按 方式 控制 元 件导通 和 关断 ， 来改变 逆 变 电压 队 ，， 从而 调节电动机的转速 。 而且 的控制方式可按 逆 变 器 的逆 变角刀固 定 在正 角和 负角两 种不 同 控制方式 ， 达 到不 同情况下 提高装置功 率 因数 的 日的 。 刀固定为正 角时 的工作情况 这 时应选 择刀 。 ， 即按 最小换向重叠 角选择刀角 ， 对 提高装置 的功 率因数最 有利

当B=30°时，且GTO导通角为零，即GTO元件在全关断状态，相当千普通串级调速 装置工作在B=30°时的情况，这时逆变电压U=-2.34U2cos30°为最大，对应电动机的转 速为最低。电流向量图可用图3表示。 7iQw是 b PM 1P1Q1Qn o)Ia 图2PWM型串级调速装置原理接线图 图3电流向量图 Fig.2 The clementary diagram of a PWM Fig.3 The current phasor diagram cascade dcvice 考虑到使逆变电压和逆变电流波形的对称悝，可减少谐波电流及其对电源的影响，故选 择PM控制点在逆变电压波形每个波头的中点，当GTO元件导通时，逆变电压波形瞬时值 即降到零，如图4(a)所示。GTO元件按PWM方式控制，导通角r的变化范围为0~60°， 这时逆变电流波形如图4(b)所示。 逆变电压U可按下式求出 (÷+a)+(÷-÷) +a u,=[∫VsU,n(on+∫Uinrd(ei) +a (-号+a)+(÷+÷) =-2.34U2cosB(1-2sin F) 当B周定在30时：U,=-2.026U,(1-2sin7) 可用GTO的导通角x,即按PWM方式控制，改变逆变电压U,从而调节电动机的转速。 从图4(b)逆变电流波形可以看出，当PWM方式控制时，逆变电流波形的轴线不变，如 果忽略电流波形中的高次谐波，只计基波，那么逆变电流I。的相位不变，但其大小随π角增 大而减小，直到x=60时1。=0为止。其电流向量图如图3所示，装置总电流【w端点的 轨迹为ab直线段，与图1对比可知，PWM型串级调速装置的功率因数可得到一定程度的提 高，特别在T值较大，电动机转速较高时更为明显，它将接近电动机本身的功率因数。 由于逆变电流波形受PWM控制而改变，不再是120°矩形波，电流中的谐波通过计算机 对波形的谐波分解，各次主要谐波的相对值表示在图5。曲线(1)(2)(3)分别表示基波、5 次，7次谐波随控制角t的变化曲线。从曲线可以看出，这时的谐波电流尤其7次诸波在某 -一区间相对较大（相对120°矩形被），但是在t值较大，相对应的电动机转速较高时，h 于I。的绝对值已很小，则谐波电流值也很小，它对电源的影响也就很小了。 (2)B固定为负角时的情况：当B为负角时，逆变器中的可控硅元件不能靠电网电压进 行自然换流，而必须进行强迫换流。为了满足强迫换流的需要，本装置只需改变对GTO元件 346

当刀 。 。 时 ， 且 导通 角为零 ， 即 元件在全 关断状态 ， 相 当千普通 串级 调速 装 置 工作 在 刀 。 时 的情况 ， 这 时 逆 变电压 矶 一 。 为最大 ， 对应电动机 的转 速 为最低 。 电流向量 图可 用 图 表示 。 穿 图 型 串级 调速装 置原 理接线 图 「 图 电流 向量 图 考虑到使逆 变电压和逆 变电流波 形的对称栓 ， 可 减少 谐波 电流及其对 电源的影响 ， 故选 择 控制 点在逆 变电压波形每个波 头 的 中点 ， 当 元件导通时 ， 逆 变电压波 形 瞬时值 即降到零 ， 如 图 所示 。 元件按 方式 控制 ， 导 通 角 二 的 变化范围为 。 一 “ ， 这时逆 变 电流波形如 图 所示 。 逆 变电压 玩可按下式求 出 厂 户 一兀 从 砂 宁 宁 一 宁 杯万 曰 “ 令 午斌万 臼 宁 干 宁 二 一 · ‘ 一“ “ 一 ，‘· 于 ， 当 “ 固定 在 。 ’ 认 一 · ” “ 一 ，‘ ” 令 ， 可 用 的导通 角 ， 即按 方式控制 ， 改 变逆 变电压 矶 ， 从 而 调节 电动机 的转速 。 从 图 逆 变电流波 形可 以看 出 ， 当 方式 控制时 ， 逆 变电流波 形 的轴线 不 变 ， 如 果 忽略 电流波形 中的高 次谐 波 ， 只计基 波 ， 那 么逆 变电流 。 的相位不 变 ， 但 其大 小 随 角增 大而 减 小 ， 直 到 。 时 为止 。 其 电流 向量 图如 图 所示 ， 装 置 总 电流 人 端 点 的 轨 迹 为。 直线段 ， 与图 对 比可 知 ， 型 串级调 速装置的功 率因数可得 到一 定 程 度 的提 高 ， 特 别在 值较 大 ， 电动机转速 较高时 更为明显 ， 它将接近 电动机本 身的功率 因数 。 由于逆 变电流波 形 受 控制 而改 变 ， 不再 是 “ 矩 形 波 ， 电流 中的谐波通 过 计算机 对 波 形 的谐波分解 ， 各次主 要谐波 的相对值表示在 图 。 曲线 分别表 示基 波 、 次 次 谐波随控制角 ‘ 的变化 曲线 。 从 曲线 ，可以看 出 ， 这 时 的谐波 电流尤其 次 谐波在某 一 区 间相对 较大 相对 “ 矩 形波 ， 但 是在 值较 大 ， 相 对应 的电动 机 转速较高 时 ， 由 于 。 的绝对值 已很 小 ， 则谐波 电流值也很 小 ， 它对 电源的影响也就很小 了 。 刀固定 为 负角时 的情况 当 刀为负角时 ， 逆 变器 中的可 控硅 元件不 能 靠 电 网 电 压进 行 自然 换 流 ， 而 必须进 行强 迫 换流 。 为 了满足强 迫 换流的需要 ， 本装 置只需改 变对 元件

4}a=150° 4 (a) ot (6) 30 图4PWM型逆变电压和电流波形(B=30°) 图5月=30°时PWM逆变电流的谐波曲线 Fig.4 The waveforms of iaverted voltage and Fig.5 The curves of harmonic com- current of inertor controlled by PWM ponets of a PWM inverted method (under condition =30) current under condition =30 的PWM控制方式，而不需任何其它换流装置，为此将PWM的控制点设定在可控硅的换流 点。这时GTO元件既作为逆变器可控硅的强迫换向元件，又按PWM方式控制，调节逆变电 压，从而控制电动机的转速，一个元件同时完成这两个功能。 图6(a)(b)表示当B=-30°，GTO元件导通x度时的逆变电压和逆变电流波形。逆变 电压U可按下式求出： 2+a- Ua=是∫'VgU,o 3 }+a+÷, =-2.34U:.2co5 Bsin(2) 当B=-30时=-4.05U:sin(g-2） 所以改变t值即可改变逆变电压U,进而调节电动机的转速。这时x值的调节范围为 Tm1n~60°，Tm:a值根据可控硅强迫换向的换向时间需要来确定。 4a=210° @t (a) 9=30 (b) 图6PWM型逆变电压和电泼波形B=一30° 图7电流向量图 Fig,6 The wave forms of PWM inverted voltage Fig.7 The current phasor diagram and current under condition -30 347

、 卜 厂 ‘ 粤 泥。 户州 ‘ 了沪尸 尸砰拼尸 ” 、 ’ 口 图 型 逆 变 电压 和 电流 波 形 夕 “ 王 呈。 夕 的 控制方式 ， 而 不 需任何其它 换流装置 ， 图 夕二 ” 时 逆变电流 的谐波 曲线 口二 为此 将 的控制 点设 定在可 控 硅 的 换 流 点 。 这时 元件既作为逆 变器可 控硅 的强迫 换 向元 件 ， 又 按 方式控制 ， 调 节逆 变电 压 ， 从而 控 制 电动机 的转速 ， 一 个元 件同时完成这 两 个功能 。 图 表示 当夕二 一 “ ， 元件导通 度时 的逆变 电压和逆变 电流波形 。 逆变 电压 矶可按 下式求 出 括 奋 封 “ 一 福 侧 百 宁 十 号 一 一 。 二 。 。 。 ， · 令 一 合 万 丁 ，场日 一 ” 时 创 一 。 ， 叹— 一不‘ 所 以改变 值 即 可 改变 逆变 电压 ， 进而 调节 电动机 的转速 。 这 时 值的调 节范 围 为 丫， ‘ 。 一 。 “ ， 。 ‘ 。 值 根 据可 控 硅强 迫 换 向的换向时 间需 要来确定 。 户 曰同 吟 图 型 逆 变电 压 和 电流 波 形 刀二 一 “ 图 电流 向最 图 ， 玉 至 尹二 一

图7表示阝=-30°时PM型串级调速装置的电流向量图。由于这时逆变电流波形的轴 线不变，果只计基波，那么I。的相位不随x值而改变，但是I的大小随x值增大而减小， 直到x=60°时I。=0为止。总电流Tw向量端点的轨迹为图7中直线段cd,c点对应最小控制 角m时的工作点。对比图3和图7很容易看出，当B=一30°时装置的功路因数可进一步得 到提高，尤其在低速时更为明显。 显然B角向负方向增大，还可进一步提高装置的功率因数，但是为了满足可控硅的换向 要求，极限情况为B=-60°。 了实际测量结果 在研制的PWM型串级调速装置上进行实际测试，所得结果完全证明了上述分析的正确 性。 试验装置参数如下： 电机：功率：1.7kW,转速：905r/min; 电压：220/380V; 电流：8.55/4.94A；转子电压：171V,转子电流：7.4A 逆变变压器：连接：Yo/Y;电压：380/127V。 武验中保持电动机轴上的负载转矩为1/2额定转矩，在B=30°和B=-30°两种控制方 式下，测定装置的功率因数随控制电机转速的变化曲线，即cosp=f(n),如图8所示。曲 线(3)表示一般串级调速装置的功率因数曲线，曲线(1)(2)分别表示B=+30°和B=-30°时 PWM型串级调速装置的功率因数曲线，同时测得电动机在此负载转矩时本身的功率因数为 Cosm=0.67,曲线对比充分说明了PWM型串级调速装置的功率因数可得到一定程度的提 高。而且B=30°适用于高转速运行的场合，这时的功率因数已接近电机的功率因数，而B= 一30°更适用于低转速的场合。 同时在试验装置上，实测了逆变电压和逆变电流的波形，图9()(b)表示B=30°时逆变 电压和逆变电流波形，(c)(d)表示B=-30°时逆变电压和逆变电流波形。 21 0.5 ) ) 500 rom 图8cosp=f(m)曲线 图9实测PWM型逆变电压和电泷波形 Fig.8 The relative curves tested Fig.9 The tested waveforms of inverted voltage co9市=j(m) and current of a PwM type of inverter 4结 论 PWM型串级调速装置是一种新型交流调速装置，具有结构简单， (转下页) 348

图 表示刀 一 “ 时 型 串级调速装 置 的 电流向量 图 。 由于 这时 逆变 电流波 形的轴 线不变 ， 如 果 只 计基波 ， 那 么 。 的相位不 随 值而改变 ， 但是 。 的大 小随 值增大而减 小 ， 直到 。 时 。 为止 。 总电流 了 向量端点的轨迹为图 中直 线 段 ， 。 点对应 最 小控制 角 二 ‘ 时 的工作点 。 对 比 图 和 图 很容 易看 出 ， 当刀 一 ” 时 装置 的功率 因数 可 进一 步得 到提高 ， 尤其在低速时更为明显 。 显然 刀角向负方向增大 ， 还可进一 步提高装置 的功率因数 ， 但 是 为 了满足可 控硅 的换 向 要求 ， 极限情 况 为 刀 一 。 。 寒际测盆结果 在研 制 的 型 串级 调速装置上进行实际 测试 ， 所得结果完全证 明 了上 述分析 的正 确 性 。 试验 装置 参数如下 电机 功率 转速 电压 电流 转子 电压 转 子 电流 逆 变 变压 器 连接 电压 。 。 试验 中保 持 电动机 轴上 的负载 转矩 为 额定转矩 ， 在 刀 “ 和 刀 一 “ 两 种 控制 方 式下 ， 侧定装置 的功率因数随 控制 电机 转速 的变化 曲 线 ， 即 切 。 ， 如 图 所 示 。 曲 线 表示一 般串级 调速 装置 的功率 因数 曲线 ， 曲线 分别 表示 刀 。 和刀二 一 。 时 型 串级调速装置 的功率 因数 曲线 ， 同时测得 电动机在此 负载转矩 时本身的功 率 因数为 必 ， 曲线对 比充分 说明 了 型 串级调速 装置 的功 率 因数可 得 到一 定 程 度 的 提 高 。 而且刀 “ 适 用于高转速 运行 的场 合 ， 这 时 的功 率 因数 已接 近 电机 的功率 因 数 ， 而刀 一 。 更适 用于低转速 的场 合 。 同时在试验 装置上 ， 实侧 了逆 变电压和逆变 电流的波 形 ， 图 〔 表示刀 “ 时逆 变 电压和逆 变电流波形 ， 。 表示刀 一 。 。 时逆 变电压和逆 变 电流波形 。 卜 」口两国口 「 一 刁日门 厂 尸日 」 口 」 厂 二 叶一厂 一 厂书 一 厂 恻日 训 气日 “ 习 门卜 口口 人」口日〔 厂 团闷同口 川「 厂冈子 月洲 护 厂口 土 月 一 洲卜 「」口 ‘ 州 门一 口 口口口巨〔 口「 一」「几 不二 厂 一口口 词口尸 川 飞 干任 日」 口巨日 一 门 」口 目日口」口 日口囚 厄厂 日 门日口 旦 口 匕」口田口团日山卜 二 曰 日 口日几门』口匹」 日 口口匕 甲 ’ 巴日匕口 ， 厂 目 口广门「门门尸 口 巨 ， 门 目门口口口巨口 代甘 冬城 图 ， 二 曲线 丁 礴 ， 结 论 图 实 测 型 逆 变 电 压和 电流 波 形 。 只。 型 串级 调速装置 是一 种新型 交流调速装置 ， 具有结构简单 ， 转下 页