毕天昊 王钦若 张 卓 王永昌
（广东工业大学自动化学院，广东 广州 510006）
【摘 要】本文主要讲述的是将状态空间平均法应用于4MW电动机斩波串级调速系统，解决了4MW电机斩波串级调速的控制系统的设计问题。利用状态空间平均法，将绝缘栅双极型晶体管（IGBT）和续流二极管（FWD）考虑为非理想元器件。实验表明，相比于传统串级调速系统，该控制系统可靠稳定，静态特性和动态特性更好，功率因数也更高。工业生产中，采用这种控制系统的设备运行良好，节能效果显著。
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关键词 状态空间平均；串级调速；升压斩波
The Application Study on 4MW Chopping Cascade Speed Regulation System
BI Tian-hao WANG Qin-ruo ZHANG Zhuo WANG Yong-chang
（School of Automation, Guangdong University of Technology, Guangzhou Guangdong 510006, China）
【Abstract】This paper is about the state space averaging method used in high power motor chopper cascade control system, which solves the problems of the designing of the control system in high power chopping cascade speed regulation system. Based on state-space averaging method, the Insulated Gate Bi-polar Translator(IGBT) & Free-Wheel Diode(FWD) are considered as non-ideal components. The experiments show that the control system is reliable and stable. It also has the better steady-state and dynamic characteristics and higher power factor compared with traditional cascade speed regulation systems. In the industrial sites, several devices based on this control system have been running very well with remarkable energy-saving effect.
【Key words】State-space averaging; Cascade speed regulation; Boost chopping
作者简介：毕天昊（1988—），男，黑龙江哈尔滨人，广东工业大学硕士研究生，研究方向为现代自动化装备技术。
0 引言
像鼓风机和水泵这类对于调速性能及动态特性要求不高的设备，斩波串级调速是最有效的控制方法之一。由于开关非线性的存在，对于不同的控制方法，控制器的数学模型也有所不同。然而，单纯的理论研究会把IGBT和FWD考虑成了理想元器件，当把高频斩波串级调速应用到大功率绕线转子异步电动机上时，就会出现很多问题，例如散热性、故障保护和电磁干扰(EMI)等问题。当设备是中等功率或低功率异步电动机时，这些问题可能是微不足道的，但当设备是大功率感应电动机时，这些问题对于斩波调速系统的设计就非常重要了。
本文介绍了斩波串级调速的原理，提出了斩波串级调速的数学模型，给出基于该模型的系统设计，并在4兆瓦的绕线转子异步电动机的斩波串级调速系统中使用。
1 斩波串级调速的原理
斩波串级调速系统的典型框图如图1所示。图中，REC是由二极管组成的不可控三相桥式整流电路，CH是采用IGBT作为功率器件的升压斩波电路，INV是由可控硅组成的有源逆变电路。当IGBT完全导通时，b点和e点之间的电压等于IGBT的正向压降Vce；当IGBT完全关断时，b点和e点之间的电压等于电容两端电压UC。假设IGBT的频率是f（则周期T=1/f），假设占空比等于α，则IGBT在每个周期内的开通时间为τ=α/f。理论上，如果能够控制转子的平均电势，就可以控制感应电动机的转速，即通过改变α的值来控制转子的转速。
2 斩波串级调速系统建模
2.1 升压斩波器的状态空间平均模型
IGBT的开通关断两种不同状态的等效电路分别如图2和图3所示。
图2和图3中，Urec为整流电压；UC为电容两端电压；Uinv为逆变前直流电压；R1和L1为沿电路点a-b-e的电阻和电感，R2和L2为沿电路点c-d-e的电阻和电感（见图1）；RI为IGBT导通时的等效电阻； RF为续流二极管导通时的等效电阻；i1为整流电流；i2为逆变前直流电流。
假设升压斩波器工作在连续导通模式，其在一个周期内的等效方程式如下所示：
为了得到升压斩波电路的动态模型，可以通过状态空间平均法在一个周期内对i1取平均，然后得到表达式如下：
分别将控制变量和状态变量分解为直流分量和交流分量，可得
2.2 IGBT和续流二极管对斩波电路影响的分析
将公式（7）进行拉普拉斯变换，占空比α到整流电流i1的传递函数的推导过程如下
若忽略功率器件的等效电阻(RI=0,RF=0)，α到i1 的传递函数就
可表示为
3 实验结果及分析
目前该系统已投入国内某水泥厂使用。设计外观与实际整体外观分别如图4、图5所示，触摸屏采用人机交互，以便用户直接观察或设置参数。整个系统包含了水阻柜，整流柜，斩波柜，逆变柜，升压变压器，水冷系统和控制器。
将4兆瓦绕线转子异步电机的斩波串级调速作为范例，其电机数据如下：
额定功率：4000kW，功率因数：0.9，定子电压：10kV，定子电流：282.6A，转子电压：3060V，转子电流：801A，额定转速：992转/分，防护等级：IP54，调速范围D=1.2，变压器的二次侧额定电压：1450V。
IGBT的测量电压如图6所示，续流二极管的测量电压如图7所示。
现场测试数据都近似等于理论值，根据图6、图7可以看出UC几乎不变。调试过程中，随着占空比的增加，转子的转速升高，整流电压减小，但逆变前直流电流并不总是随着占空比的增加而减小。电流被续流二极管反向阻断，大部分转差功率由逆变器送回电网，达到节能效果。当转速高于某个值时，逆变器直流电流会随转子转速的升高而减小。这种现象的原因是当转差率发生变化时，机械特性也将随之变化。
4 结论
本文论述了大功率绕线转子感应电动机的斩波串级调速系统。根据状态空间平均法，提出了涉及IGBT和续流二极管的升压斩波电路的模型，设计了相应的控制系统，并通过实验验证了该系统的可靠性和稳定性。通过实验结果得知，该系统状态稳定、动态响应速度快、节能效果显著。此外，多层铜排结构设计确保了杂散电感足够小，但繁琐的结构使设备安装变得很麻烦。以上这些问题将作为系统进一步改善的主要内容。
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［责任编辑：汤静］