节能型GTO串级调速装置

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1987.02.008 北京钢铁学院学报 J.Beijing Univ.of Iron Steel Technol. Vo1.9No.21987 节能型GTO串级调速装置 诸祖同储方杰白彩凤 (电气传动教研室) 摘 要 节能型CT0串级调速装置是一种新型的整流装置.该装置的功率因数得到很 大的改善，它的推广应用將对节能有较重要的意义。 论文讨论了改善功率因数的原理和方法，试验测定了绕线型电机.一般串级湖 速装置和节能型GT0串级调速装置的功率因数特性曲线.曲线对比能够说明节能型 GT0串级调速装道高功率因数的优点。， 关键词：功率因数。串级装置.可关断可控陆 A GTO Cascade Equipment of Saving Energy for Variable Speed Control System Zhu Zutong Chu Fangjie Bai Caifeng Abstract A GTO cascade equipment of saving energy is a modern type of rec- tifire equipment.The power factor of this equipment is improved greatly. The application of this system will have more important signlficance for economy of energy.In this paper the principles and methods of improv- ing the power factor are discussed.Performance curves of the power fac ior of a wound-rotor induction motor,a SCR cascade and a GTO cascade equipment are shown also.These curves are drown from a experime- ntal equipment developed by us.The comparison between these curves 198片-10·15收稿 57

北 京 钢 铁 学 院 学 报 。 节能型 串级调速装置 诸祖 同 储方杰 白彩凤 诵 电气传动教研室 摘 要 节能型 串级调速装置是一种新型 的整流 装置 该装置 的功率因数得 到 很 大的改薯 ， 它 的推广应用将对节能有较重要的意义 。 论文讨论了改善功率因数 的原理和方法 ， 试验测定了绕线型 电机 一般 串级调 速装 置和 节能型 串级调速装置的功率因 数特性曲线 曲线对 比能够说明节能型 串级调 速装置高功率 因数 的优 点 关键 词 功率 因数 ， 串级装置 ， 可关断可控硅 ‘ 一 “ 才 。 尸 刀 ， 〕 、 月 · 飞 主 夕 ， 寻 一 ， 么 ， 拟 ， 。 一 · 几一女稿 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1987．02．008

can be used to explain the advantage of the high power factor of a GTO cascade equipment. Key words:the power factor,cascade equipment,gate turn-off 前 言 串级调速装置是在我国目前的技术条件下应用最为广泛的一种交流调速装置，由于 它的技术较为简单、运行可常，所以它也特别适用于中小企业交流传动装置的技术改 造，以求达到节能及提高产品质量的目的。十几年来审级调速装置在企业中大量推广得 到了显著的经济技术效果。 目前采用普通可控硅的一般串级调速装置存在着一个很大的缺点，即运行中它对电 网的功率因数很低，即使运行在高速满载时它的功率因数也只有0.6左右，而在低速运 行时功率因数将更低。这种过大的无功损耗从节能的角度是极为不利的，所以在我国目 前广泛采用串级调速的情况下，提高串级调速装置的功率因数是急待解决的课题，这对 节能有极其重要的作用。 1 串级调速试验装置 为了清晰对比说明串级调速装置的功率因数，我们研制了一套串级调速试验装置， 并在这装置上进行了各种情况下的试验，将试验所得的数据绘制成曲线如图1所示。 试验装置的参数如下 试验电机：功率：1.7kW, 转速：905r/min, 0.9 ) 3) 电压：220/380V, 0.8f 0.7 电流：8.55/4.94A, 转子电压：171V, 0.5 0.4 2) 转子电流：7.4A, c.3 逆变变压器：YoY,380/127V, 6.2 0.1 图1中曲线(1)表示试验电机本身的 2.83.23.64.04.44.8 功率因数随负载（定子电流）的变化曲线， 11,A 在电机满载时它的功率因数为0.79。出线 图1功率因数特性曲线 (2)表示该实验装置按一般串级调速装置 Fig.1 Performznce curves of the 运行时所测得的装置总功率因数随电机定子 power fuctor 电流的变化曲线，这时电机的空载转速调整 至600r/min。从曲线(2)可以看出：在电机满载运行时，一般串调装置总功率因数 已降到0.4左右。由曲线(1)、(2)相对比，可明显地看出串级调速装置的功率因 数在低速运行时很低。 58

， ， 一 月 合 串级调 速 装置 是在我 国 目前 的技术条件下 应用最 为广泛 的一 种交流调速装置 ， 由于 它 的技术较为简单 、 运 行 可 靠 ， 所 以它 也 特别 适用 于 中小 企业 交流传动装置 的 技 术 改 造 ， 以 求达 到 节 能及提高 产品质量 的 目的 。 十 几年来 串级调 速 装置 在企业 中大量推 广 得 到 了显 著的经 济技术 效果 。 目前采 用普通 可 控硅 的一般 串级调速 装置存 在着一 个很 大的缺点 ， 即运行 中它 对 电 网 的功率因数很 低 ， 即使运行 在高速满 载 时它 的功率因数也 只 有 左 右 ， 而 在低 速 运 行 时功率因数将更低 。 这种过大的无功 损耗从节能的角度 是极 为不利 的 ， 所 以在我 国 目 前广泛采 用 串级调 速 的情况下 ， 提高串级调 速 装置 的功率 因 数 是急待解决 的课题 ， 这对 节能有极其 重要 的作 用 。 串级调速试验装置 为 了清晰对 比说 明串级调 速 装置 的功率因 数 ， 我 们研制 了一 套串级调速试验装置 ， 令在这装置 上进行 了各种情况下 的试验 ， 将试验 所 得的数据绘制成 曲线 如图 所示 。 试验装置 的参数如 下 ‘ 试验 电机 功率 ， 日口︸︵︸︸︸八 啥洲巴比︸矿‘ 公污 转速 ， 电压 ， 电流 ， 转子 电压 ， 转子 电流 ， 逆 变变压 器 丫 丫 ， ， 图 中曲线 表 示试验 电机本身 的 功 率 因数随负载 定 子 电流 的变化 曲线 ， 在 电机满 载 时它 的功 率 因 数 为 。 曲 线 表 示该 实验装置 按一般 串级调 速 装置 运行 时所测 得的 装置 总 功率 因数随电机定 子 电流 的 变化 曲线 ， 这 时电机的空 载转速调 整 ， 图 功率 因数特性曲线 ， ￡ ， 至 。 从 曲线 可 以看 出 在 电机满载运行 时 ， 一般 串调 装置 总功率 因 数 已降 到 左 右 。 由 曲线 、 相 对比 ， 可 明显地 看 出串级调 速装置的功 率 因 数在低速运行时很 低

2一般串级调速装置功率因数分析 串圾调速装置的功率因数低有若干个原 因，其中最主要的原因就是由于其逆变系统 PQw Pe 的工作状态造成的。为此，我们首先对串级 PM P1Q1 调速装置逆变系统的工作状态进行简单的分 析。 Ps 见图2。其逆变系统由逆变整流桥和逆 变变压器组成，而一般串级调速装置的逆变 整流桥是由普通可控硅组成。当它处在逆变 状态运行时，可控硅的控制角α的工作范围 为90°≤a≤150°。以=120°为例说明串级 图2串级调速装置原理我线 调速装置的功率因数。 Fig.2 Elenentary diagram of a cascade equipment (d) (b) 图3逆变电压，电流波形图及向置图(a=120°) Fig.3 Wave of inverse voltege :nd current;Phasor disgram (a=120*) 图3(a)表示不考虑重迭角对应a=120°时，逆变整流桥的逆变电压波形。图3· (b)表示a相逆变电流的波形，它为120°宽的矩形波。此时，a相电流的轴线滞后于a 相电压的轴线120°，那么a相电流的基波分量i,:的相位也必然滞后于a相电压Ua120°。 图3(c)用向量图表示逆变系统基波电流和电压的相位关系（不计电流高次谐波）， 可见电源供给逆变系统电流的相位滞后电源电压的相位120°，电流的有功分量IP与电源 电压U反相，说明逆变系统向电源馈送有功功率P=3UI,而电流的无功分量I。滞后 59

一 般 串级调速装置功率因 数分析 串级调速 装置 的功率 因数低有若干 个 原 因 ， 其 中最 主要 的原 因就 是 由于其逆 变系统 的工作 状态造成 的 。 为 此 ， 我们首先对 串级 调 速 装置逆 变 系 统 的工 作 状 态进行 简单的分 析 。 见 图 。 其 逆 变系统 由逆 变整流桥 和逆 变变压 器组 成 ， 而 一般 串级调 速装置 的逆 变 整流桥 是由普通 可 控硅 组成 。 当它 处 在逆 变 状 态运行 时 ， 可 控硅 的控制角 的工 作范 围 为 。 《 《 。 。 以 砂为例 说 明串级 调速装置 的功率 因数 。 本 图 串级 调速装置原理接线断 ， 了 ， 盈 盆 「一、 嘟 ︸ ‘ ‘洲才 自工、︸ ‘尸，月 、 月 ︼ ·之 尹、沪 、一 月 妇 ‘ 卜 口 、 盛 二 、 图 逆变电压 电流 波形图及 向置图 。 ’ 下 ， 、 、 ，， ‘ 、 图 表 示不考虑 重迭 角对 应 “ 时 ， 逆 变整流桥 的逆 变电压 波形 。 图 表示 相逆 变电流的波 形 ， 它 为 “ 宽的矩 形波 。 此 时 ， 相 电流 的轴 线滞 后 于 相 电压 的轴 线 。 ， 那么 相 电流 的墓 波分量 。 ，的相位也必然滞后 于 相 电压 “ 。 图 。 用 向量 图表 示逆 变系统基波 电流和 电压 的相位关 系 不计 电流高次谐波 ， 可 见电源供给逆变系 统 电流的相位滞后 电源 电压 的相位 ， 一 电流 的有功分量补与 电源 电压 反相 ， 说 明逆 变系统 向 电源馈送 有功功率 二 ， 而 电流 的无功分 量 。 滞 后

于电源电压U90·°，说明逆变系统从电源吸收感性无功电流，这种感性无功电流I。的大 小决定于控制角α的数值。由于电机和逆变系统都吸收滞后无功电流，所以一般串级调 速装置的功率因数是很低的。为了逆变整流桥中的普通可控硅能进行正常换流，它们的 控制角必须小于150°，这样采用普通可控硅的一般串级调速装置，功率因数是无法提 高的。 3节能型串级调速装置 节能型串级调速装置是用改变上述逆变系统的工作状态来提高它的功率因数的，即 使逆变系统的控制角α在180°~270'之间改变，为此，只将逆变整流桥中的普通可控硅 用新型可关断可控硅来代替。 可关断可控硅元件又简称GTO,是八十年代发展的新型大功率整流元件，它是一 种大功率快速开关元件，它具有可控硅和开关晶体管两者的优点。GTO元件目前在国 外主要应用在PWM的变频调速系统。本文作者考虑到我国的具体情况，'首先将GTO元 件应用到串级调速装置，研制了节能型高功率因数串级调速装置。 当串级调速装置的逆变系统采用GTO元件后，利用GTO元件的关断特性，逆变系 统的控制角α在180°~270°之间改变时，GT0元件之间也能进行正常换流。不过这时 GTO元件之间的换流是强迫换流，它们是通过触发控制系统加以控制的。 a=240°的逆变波形如图4(a)所示 =240- 240 (d) () ·图4逆变电压.也流波形图及向量图(a=240°) Fig.4 Wave of inverse voltage and current;Phasor diagram (a=240. 以A、B换流为例说明。采用GTO元件后为何可使α>180°。设在t时刻进行换流， 此时同时分别给A相和B相GTO元件关断和开通脉冲，A相元件强迫关断，而B相元件受 7 正向电压后即可导通。这样虽然在A相元件导通时B相元件受反向电压，但只要当A相 60

于 电源 电压 寸 · 。 ， 说 明逆 变系统从 电源吸 收感性 无功 电流 ， 这种感性无功 电 流 的 大 小 决 定 于控制 角 的数值 。 由于 电机和逆 变系统都吸 收滞后 无功 电流 ， 所以一 般 串级调 速 装置 的功率 因数 是很 低 的 。 为 了逆 变整流 桥 中的普通 可 控硅 能进行正 常换流 ， 它 们的 控制 角 必须 小 于王 。 ， 这 样采 用普 通 可 控硅 的一羽受串级调 速 装置 ， 功 率 因 数 是无 法 提 高 的 。 节能型 串级调 速装置 节能型 串级 调 速 装置 是用 改 变上述 逆 变系 统 的工 作状态来提 高它 的功率 因数的 ， 即 使 逆 变系 统的控制 角 在 “ ’ 之 间改 变 ， 为此 ， 只 将逆 变整流桥 中的普通可 控 硅 用 新型可关 断可控硅 来 代替 。 可关 断可控硅 元件又 简称 ， 是八十年代发展 的新型 大功率整流元件 ， 它 是 一 种大功率快速 开关 元 件 ， 它 具 有可控硅 和 开关 晶体管两者 的优 点 。 元件 目 前 在 国 外 主要 应用 在 的变频调 速 系统 。 本文 作者考虑 到 我 国的具体情况 ， ’ 首先将 元 件应用 到 串级调速装置 ， 研 制 了节 能 型高功率 因数 串级调 速 装置 。 当串级调 速装 置 的逆 变系统采 用 元件后 ， 利 用 元件的关 断特性 ， 逆 变 系 统的控制角 在 。 。 “ 之 间改 变时 ， 元件之 间也 能进行 正 常换流 。 不 过 这 时 元件之 间的换流 是强迫换流 ， 它 们 是通 过触发控制 系统加 以控制的 。 。 的逆 变波形 如图 所示 生‘ 引 丫 「 ’ 图 逆变 电压 电流 波形图及 向量 图 一 ’ 万、 一 以 、 相换流 为例 说 明 。 采 用 元件后 为何可使 “ 。 设 在士时刻进行换流 ， 此时同时分别给 相和 相 元 件关 断和 开通脉 冲 ， 相元 件强 迫关 断 ， 而 相 元件受 正 向电压 后 一 即可导 通 。 这 样虽然在 相 元件导通时 相元 件受反 向电压 ， 但只要 当 相

元件关断后B相元件就可承受正向电压。 ,α=240°时逆变电流波形如图4(b)所示，电流波形的轴线滞后电压波形轴线240°， 电流波形的基波分量滞后于电源电压240°。图4（℃）表示这一电压和电流的向量图。 电流的有功分量I,仍与U反相，它与图3(c)相同，但电流的无功分量I。却超过前电 压U90°，说明此刻逆变系统从电源吸收容性无功电流，它与图3(c)中的无功电流反 相。这个容性无功电流可以补偿电机所需的感性无功电流，因而可使总的功率因数提 高。图4(d)表示α=240°时串调装置电压和电流向量图，由图可见总电流Iw的相位角 Pw大大减小，因而提高了装置总功率因数cosP。 图5表示对该实验装置实际测量逆变系统逆变电压的波形，(a)表示一般串级调 速装置在a<150°时的逆变电压波形，(b)表示节能型串级调速装置a>180。时的逆变 电压波形。 (a) 6) 图5实侧逆变电压被形 Fig.5 Experimental wave of inverse voltage 节能型串级调速装置测定的功率因数曲线如图1中（3)所示，这条曲线对应电机 的空载转速仍为600r/min,从曲线(2)、（3)对比可知，节能型串级调速装置的 功率因数远远高于一般的串级调速装置，在电机额定电流时，它已超过了电机的功率因 数。当增大控制角a,空载转速提高到850r/min时，实测功率因数曲线如图1中曲线 (4)所示，在电机额定电流时，总功率因数已接近cosPw=0.9。 用适当提高逆变变压器副边电压的方法，显然还可以进一步提高装置的功率因数， 甚至可使电流超前电源电压，相当于同步电动机过激超前运行状态。 4结 论 节能型串级调速装置与一般串级调速装置在结构上的唯一区别，仅仅是用GTO元 件代替普通型可控硅，使其逆变工作状态的控制角α在180°~270°之间改变，即可达到 提高功率因数的目的。除了要对触发控制系统作简单的改进外，两种串调系统完金相 同，所以原有一般的串调系统极易改为节能型串调系统。为了使节能型串级调速装置能 在实际中推广应用，我们将着手进行大功率节能型串级调速装置的研制。 对节能型串级调速装置的触发控制系统及其有关过电压问题不在本论文中叙述。 参考文献 〔1〕张立：可关断可控硅及其应用，人民邮电出版社，1982 〔2〕刘竞成：交流调速系统，上海交通大学出版社，1984 61

元 件关 断后 相元 件就可 承受正 向电压 。 · 时逆 变 电流 波形 如 图 所示 ， 电流 波 形 的轴 线滞后 电压 波 形 轴 线 “ 电流 波 形 的基 波分量滞后 于 电源 电压 “ 。 图 表 示 过一 电压 和 电流 的 向 量 图 。 电流的有功分量 仍 与 反相 ， 它 与 图 ‘ 相 同 ， 但 电流的无功分量 却 超 过 前 电 压行。 ， 说 明此刻逆 变系统从 电源吸 收容 性 无功 电流 ， 它 与 图 。 中的无功 电流 反 相 。 这 个容 性 无功 电流 可 以 补偿 电机所需 的 感性无功 电流 ， 因而 一 可使 总 的功 率 因 数 提 高 。 图 表 示 “ 时串调 装置 电压 和 电流 向量 图 ， 由图可见总 电流 的相位 角 切 大 大减小 ， 因而提高 了装 置 总 功率 因数 切 。 图 表示 对该 实验装置 实际测量逆 变系统逆 变电压 的波形 ， 表 示一般 串级 调 速装 置 在 “ 时的逆 变电压 波形 ， 表 示节能型串级调 速装 置 。 时 的逆 变 电压 波 形 。 图 实侧逆变 电压波形 一， 节能型串级 调 速装 置测 定的功率 因 数 曲线 如图 中 所示 ， 这条 曲线 对应 电机 的空 载转速 仍 为 ， 从 曲线 、 对 比可知 ， 节能 型 串级调 速装 置 的 功 率 因数远远 高 于一般 的 串级调 速装 置 ， 在 电机额 定 电流 时 ， 它 已超过 了 电机 的功 率因 数 。 当增大控制 角 ， 空 载转速提高到 、 时 ， 实 测 功率 因数 曲线 如 图 中 曲 线 所示 ， 在 电机额定 电流 时 ， 总 功率 因数 已接近 。 切 。 用 适 当提 高逆 变 变压 器副边 电压 的方 法 ， 显然还可 以进一 步提 高 装置 的功 率 因 数 ， 甚至 可使 电流 超前 电源 电压 ， 相 当于同步 电动机过激 超前运行 状态 。 结 论 节能型串级调速装置与一般 串级调速 装置 在结 构上 的唯一 区别 ， 仅仅 是 用 元 件 代替普通 型可 控硅 ， 使其逆 变工 作 状态 的控制 角 在 “ 一 ” 之 间改变 ， 即可 达 到 提 高功率因数的 目的 。 除 了要对触发控制 系 统作 简单的改进外 ， 两 种 串调 系 统 完 全 相 同 ， 所以原有一般 的 串调 系统极易改为节能型 串调 系 统 。 为 了使节 能 型 串级调 速 装置 能 在实际 中推广应 用 ， 我们将着手进行大功率节能型串级调 速装置 的研 制 。 对节能型 串级 调速装置 的触发控制系统及其有关过 电压 问题 不在 本论 文 中叙述 。 参 考 文 献 〔 〕 张立 可关 断可 控硅 及其 应用 ， 人 民邮 电 出版社 ， 〔 〕 刘竞成 交流调 速系统 ， 上海 交通大学 出版社