新型三相四线制串级数字调速系统设计

新型三相四线制串级数字调速系统设计

李林龙
（华中科技大学，湖北 武汉 430074）

1引言
工业生产中存在着大量的风机、泵类负载，目前风量、流量控制基本上是靠风门和闸阀调节，而不是靠电机调速来实现的，因此大量的电能被浪费。如果用交流调速技术将恒速运行的异步机改造成可调速的传动系统，节能的经济和社会效益将是巨大的。

目前，工业生产中普遍采用的是PWM变频调速系统，这种调速属于型调速。但是，风机、泵类等这种大容量平方转矩负载，由于具有调速范围小(一般为50％～100％)、系统静动态特性要求低等特点，如果采用变频调速方法，有可能会产生得不偿失的效果，而采用串级调速则不同。首先，对风机、泵类负载采用变频调速，其变频器从定子侧变频，功率为全功率，串级调速方法是从转子侧进行调速，其逆变器功率仅为全功率的1/2～1/3；其次，对大容量高压电机采用变频调速，其高压变频器价格比较昂贵，若是采用串级调速方法，由于转子侧是低压，可以大大节省投资。另外，串级调速系统还具有装置安全、可靠性高的优点。即使串调逆变装置出现故障，异步电动机也能完全脱离串调装置转换到转子短接全速运行。传统串级调速方法功率因数较低，串调系统在高速满载运转时总功率因数约在0.6左右，低速时总功率因数更差。因此，有必要对传统的串级调速系统进行研究，提高其功率因数。

本文提出了一种对传统串级调速改进的新型三相四线串级调速方案，并以80C196KC单片机为，组成一个全数字新型串级调速控制系统，对新型数字串级调速系统进行硬件设计。

2基本原理

在传统的串级调速系统中，调速装置不断从电网吸收无功功率，整个调速系统的功率因数很低。而新型三相四线制IGBT串级调速则不然，它的主要特点是转子回路不但不从电网吸收无功功率，相反当电机低于额定转速时，它还向电网发出无功功率，这样系统的功率因数比传统串级调速系统要高得多。图1是新型三相四线串级调速系统电路原理图。这种方案中，电机转子三相绕组经全波整流器、电抗器、逆变器、逆变变压器连接电网。新型三相四线制串级调速中的逆变器增加了两个相串联的IGBT，再与六个晶闸管组成的逆变桥并联，两个IGBT的串连中点与逆变变压器二次侧的中线相连。通过控制六个晶闸管和两个IGBT就可以达到在调速的同时提高系统的功率因数目的。

图2画出了新型三相四线串级调速方案中IGBT 的控制脉冲及逆变桥晶闸管的触发脉冲。图中，IGBT的控制脉冲周期为2л/3，从自然换相点处开始，VT7和VT8两管交替导通，脉冲宽度（即导通控制角）的变化范围为0~2л/3。晶闸管(1, 3,5)的触发脉冲起始点定在VT8控制脉冲的下降沿处，结束点为VT7控制脉冲的开始时刻。晶闸管(4，6，2)的触发脉冲起始点定在VT7控制脉冲的下降沿处，结束点为VT8控制脉冲的开始时刻。

图1和图2中，在a，b的自然换相点前，晶闸管4，5导通，逆变电压为uca。在a，b的自然换相点处，给VT8控制脉冲，使其导通。VT8 导通瞬间，由于电容C1经VT8形成放电回路，同时，由于VT8的导通，给电容C2充电，当放电结束(即ucl／<ua)后，晶闸管4承受一反向电压，通过控制VT8的导通时间，使管4可靠关断，此时由于晶闸管5和VT8形成回路，逆变电压为c相的相电压uc。VT8控制脉冲结束，IGBT关断，在脉冲下降沿处触发晶闸管6，使 b相导通，此时逆变桥中管5、管6导通，所以逆变电压由c相相电压跳变为 b、c两相间的线电压ucb。逆变电压波形如图3所示。图中画出了δ从20°变化到105°时逆变电压波形。可以看出，通过控制IGBT制脉冲角δ的大小，就可以达到调节逆变电压，进而调节电机转速的目的。模拟元件构成的串级调速系统电路具有结构复杂、脉冲对称性不好以及脉冲容易受电网电压波动的影响等缺点，为了克服模拟元件的以上缺点，我们采用MCS80C196KC单片机来实现逆变电路晶闸管和IGBT的触发和控制，这种单片机控制系统能及时准确地产生晶闸管的触发脉冲和IGBT的控制脉冲，并且硬件简单。

MCS80C196KC单片机是专为电机控制而设计的16位机，其晶振可以用到20MHz，指令执行速度快，可以满足算法控制、脉冲产生、系统保护的功能要求。它的内部有HSI高速输入单元和HSO高速输出单元。MCS80C196KC内部还有A/D 模数转换单元，不用外扩A/D转换。本方案以
MCS80C196KC单片机为组成了全数字新型串级调速控制系统，其系统结构框图如图4所示。

图中电流反馈信号取自逆变器交流侧，经全波整流电路送到MCS80C196单片机A/D转换口ACHl，电流反馈信号用于过流保护；对于风机、泵类负载，要求的转速控制不是很高，把转子整流电压信号反馈给单片机(接A/D转换口ACH2)，组成电压反馈转速控制系统，这样可以省去测速码盘或测速发电机，使系统简化。给定量由ACH0端送入，在单片机内与反馈量进行比较、计算后，由高速输出通道(HSO，0，HSO，1)和P1口输出脉冲，控制IGBT与逆变桥晶闸管的导通与关断，控制电机调速。两个IGBT的控制脉冲，从 MCS80C196KC高速输出口发出，经过脉冲宽度15°和IGBT过电压检测保护处理后，输入到 IGBT驱动电路。

同步电路产生晶闸管的触发脉冲和IGBT的控制脉冲，通过检测主电路电压的过零点，取得同步。在知道主电路电压的过零时刻后，通过单片机内部的定时器就可以知道在何时产生触发和控制脉冲。
在新型三相四线制串级调速中，晶闸管是通过 IGBT强迫换流的。晶闸管的关断需要一定时间，当IGBT的控制脉冲宽度小于换相重叠角时，就会出现换相失败。为了防止这种情况的发生，IGBT的控制脉冲宽度设定为15°。从三相四线制串调方案的原理可知，VT8的控制脉冲开始时刻正好是由同步电路形成的三路20ms方波信号的上升沿时刻，VT7的控制脉冲开始时刻正好是三路20ms方波信号的下降沿时刻。因此用CC4098进行沿检测并形成15°的脉冲，这样就从硬件上实现了IGBT的控制角。

在IGBT关断时，主电路的电流发生变化，由主电路电抗引起高压，产生开关浪涌电压。而IGBT承受正向过电压的能力有限，为了防止正向过电压击穿IGBT，在有主电路的RCD保护的同时，增加了IGBT正向过电压检测保护电路。这样，在出现RCD网络不能保护的过电压异常时，检测电路检测到过电压信号，使IGBT重新导通， IGBT承受的高压就会消失。

4结论

在能源日益紧张的今天，占工业总用电量1/3 的风机、泵类负载的节能运行，必将对缓解当前能源紧张的局面产生巨大的影响。虽然传统串级调速系统的功率因数很低，但作为风机、泵类负载合适调速方法定会得到更深入的研究和更广泛的应用。如果这种高功率因数的新型串级调速方法在工业生产中得到大范围内的推广和应用，会在很大程度上减少风机、泵类负载对能源的浪费，对缓解能源的紧张状况做出巨大贡献。