正弦型高功率因数GTO串级调速装置

D0I:10.13374/i.is8n1001053x.1990.05.010 第12卷第5期 北京科技大学学报 Vol,12 No.5 1990年9儿 Journal of University of Scienee and Technology Bcijing Sept.1990 正弦型高功率因数GTO串级调速装置 李跃· 诸祖同·· 摘要：在提高常规串级调速装置的功半因数的些鼬上，研究「能降低逆变电流中 谐波战分的逆变控制方案。使用GTO代替常规逆变器中的可挖硅，传助次谐波PWM技术 达择疑佳开关点，并使逆变器触发角4在180°一270°内变化，则能抑制逆变器的谐波电流， 还能提高逆变器的功因数。这套装置用户非级调速的实验表明：电流超首型的功率因数 北游后型的行明並是高，逆变电流中低次谐波大大诚少。 关键词：非级调速，GTO逆变器，诰丧仰制 A GTO Scherbius Drive with Sinnsoidal Gurrent and High Power Factor Li Yue·Zhu Zutong· ABSTRACT:The paper discusses the strategy of reducing the harmonic cu- rrents of the inverter on the base of improving the power factor of conventional static scherbius drives.Not only the harmonic currents of inverler has been sup- pressed,but also the power factor of inverter has been improved with the aid of subharmonic PWM Lechniques for deter-mining oplimal switching angles and making firing angle a vary betwcen 180 and 270 using GTO thyristor instead of normal thyristor in inverter.The scherbius drive cxperiments employing the new inverter show that the power factor of leading current type is much higher than lagging current lype and the lower order harmonic currents of the inverter have been grertly reduced.The structure and the control of the cquipment is 198809-21收脑 ·首钢大学(Unirersity of Shoudu Iron and Stcel Company) ··北京f升技人空(University uf Science and Technology Bcijing) ·162·

第 卷第 期 年 北 京 科 技 大 。 。 学 学 报 。 一月尸 正弦型高功率因数 串级调速装置 李 跃 诸祖同 ’ 摘 要 在 提 高常 规 串级 调速装 置 的功率 因数的 丛 础上 ， 研究 能 降低 逆 变 电 流中 祷波 成 分的 还 变控 制 方 案 。 使 川 丁 代替常 规逆 变器中的 可 控 硅 ， 借助 次 谐波 伎术 选择最 住开 关点 ， 井 使逆 变器 触 发 角 ‘ 在 。 。 了。 “ 内 变化 ， 则能 抑 制逆 变器 的 谐波 电流 ， 还 能 提 佰逆 变器的 功 率因 数 。 这 套装 置 川 串级 调 速的实脸 表 明 电 流 超 、犷型 的 功率 囚数 比 滞后 型 的 有明 显 提 高 ， 逆 变电流 中 低 次 告波大 大 减 少 。 关键词 出 级 调速 ， 逆 变 器 ， 法 波 抑 、 、 ‘ 邝 ‘ 一。 一 。 少 ， 。 ， ‘ 、 、 一 、 一 ， 一 、、 、 一 一 、 、 、 一 〕 、 一 一 、 一 一 一 、 少 认 一 。 一 “ 一 一飞、 二 一 ， 一 从 认 · ‘飞一 一 、 ， 以 ‘夕 、 ‘ 。 、 一 、 一 一 · 一 、 一 月下 · 一 收 稿 式 · 钢 大 学 三 ， 、 、 〕 」匕。 仁不卜伎人 ·’ 七 二 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1990．05．010

very simple. KEY WORDS:power factor,scherbius drive,GTO-thyristor,PWM,har- monics 低同步串毁调速是一种节能效果较好的交流调速方法，其技术简单，运行可靠，因而得 到了广泛应用。但是由于它的功率因数很低，并且逆变电流中存在着大量的游波成分，阻碍 了进一步向大功率化和普及化发展。因此，提高功率因数、改善逆空电流波形是我国目前呕 Rotor 制1GTO非级调逆装置塑 Fig,I Diagram of GTO scherbius devicc 待解决的课题。文献〔1)已经解决了功因数低的问题，本文将在其基础上解决逆变电流波 形问题。主电路如图1所示。 1谐波抑制原理 一般电流源逆变器所产生的电流为120°方波（假设电流连续）。为了允分利用PWM技 术减少谐波，应采用在180°内调制的方式。电流型逆变器的脉宽调制波形特点可以用某些约 束来表示，以获得对称的三相输出电流，这些约束可以表示为： (1)每半周中心60°范围内不允许调制。 (2)波形应具有1/4波和半波对称性。 (3)在30°和150°处，波形必须是反镜像的。 按照这些约束，任何时刻只有两相导电，逆变器同一桥臂上的两个GTO不会在任何半 周内同时触发，不会发生直通故障，而且能保证宜流侧电流的连贯。另外，由上述对称性可 知，在每一桥臂导通的半周期内，它流波被斩成奇数段脉冲。PWM逆变电流波形中将不会 有3倍次和偶次谐波。每个GTO每周期导通时间总和仍为120°。对于给定的每半周脉冲数R, 按照上述对称性约束，除30°位置外，整个波形的未知开关角数目为： K=(R-1)/2 其大小影响消除谐波的数甘。 采用次谐波调制法作为依据、可以收到较好的谐波抑制效果。次谐波调腳法的原理是： 在180°内采用一个梯形调制波e与一个三角形载波c。相比较，当em三：e。时产生脉冲。显 然，按照这样的规律进行控制是满足上述3条约束的。山此得出的逆变电流波形划图2所 ·163

』 ， 、 · ， 一 ， 入迄 ， 低 同步串级调 速是一种节 能效 果较好 的交流调 速方法 ， 其技术简单 ， 运行 可 靠 ， 因而 得 到 了 广泛应 用 。 但是 由于它 的功率 因数很低 ， 并且逆 变电 流 中存 在着大 量的 谐波 成分 ， 阻碍 了迸 一 步 向大功 率化和 普及化发 展 。 因 此 ， 提 高功率 因数 、 改 善逆 变 包流波形是 我 国 目前岖 、 价 ‘ 二 串级 调速装 置 原 理 图 丫 待解决 的课题 。 文献 〔门 已经 解决 了功 率 因数 低 的问题 ， 本文将 在其基础上 解决逆 变 电流波 形 问题 。 主电路如 图 所示 。 谐波抑制原理 一 般电流源 逆 变器所产生 的电流为 “ 方波 假设 电流 连 续 。 为 充分利 用 技 术减少 谐波 ， 应采用 在 “ 内调 制 的方式 。 电流型逆变器 的脉宽调 制波形特点可 以 用 某些 约 束 来表示 ， 以获得对称的三相 输出 电流 ， 这 些 约束 可以表示 为 每半周中心 。 “ 范围 内不允许调 制 。 波形应具有 波和半波对称性 。 在 “ 和 。 ” 处 ， 波形 必 须是 反镜像 的 。 按照 这 些 约束 ， 任何时 刻只有两 相 导 电 ， 逆 变器 同一桥臂上 的两 个 不 会在 任 何半 周 内同时触 发 ， 不 会发 生直通故障 ， 而 且 能保证直流侧 电流的连 贯 。 另外 ， 由上 述对称 性可 知 ， 在每一桥 臂导通 的半 周期 内 ， 屯流波被斩 成奇数 段脉冲 。 逆 变 电流波形 中将 不 会 有 倍次和偶次谐波 。 每个 每周期导 通时 间总 和仍 为 “ 。 对 于给定的每半周脉 冲数 ， 按 照上述对称 性约束 ， 除 。 位置外 ， 整 个波 形 的未知开关角数 目为 一 其大小影响 消除谐波 的数 甘 。 采 用次 谐波调 制法 作为 依据 ， 可以收到较好 的谐波抑制效果 。 次 谐波调 制法 的原理 是 在 。 “ 内采 用一个梯形 调 制波 。 ， 与 一 个三 角形载波 。 。 相 比 较 ， 当 。 。 〕 。 。 时 产生脉冲 。 显 然 ， 按照这 样 的规律进行 控 制是 满足上述 条 约束的 。 由此得 出 的逆 变 电流波 形 如 图 沂 ，

270° 33户360* 30°60.90°-120150 图2PWM型逆变化流(k=5) Fig.2 PWM inverler currenl (k=5) 示。 K个未知开关角可通过下式计算出来： a,=吾·是” i=1,2,…K 式中：M为调制指数，R为半周脉冲数。 影响谐波抑制效果的因素有两个：(1)载波信号的频率∫c,(2)调制指数M,即.的橘 值与.的幅值之比。对这种PWM型电流波形进行富氏分解，各次谐波电流幅值为： .-cos"gC(-1D+2克-0cosa,-晋)〕 对给定的R,当调制指数M变化时，a.也变化，因而各次谐波幅值也变化。一般来说，当M R-23 R=21 ==19 LR=17 R-15 Rei ✉=11 LLwh-R-i 1,00 .80 .60 0.40 0.00 山Lo 791521273为394有R=1 llarmenie number,n 用3电流次谐波调制须游图(=0.82) Fig.3 Harmonic amplitude (M=0.82) ·46·

‘ 一 月 吧，的 一 。 轰 弓沪 图 么 型 逆变电流 尺 二 幻 之“ 示 个未知开 关角可通 过 下式 计算出来 一 十 一 ‘ 十 几 万 万丁 不飞二百 舀不牙 一 气 “ 引 ， … 万︸ 一 式 中 为 调 制指数 ， 尸 为 半周脉冲数 。 影响谐波 抑制效果 的因素有两个 载 波倍号 的频率 ， 调制指数 ， 月仆。 。 的福 值与 。 。 的幅值之 比 。 对 这种 型电流波形进行富 氏分解 ， 各次 谐波 电流幅值 为 汀 广 ， 一 二 叮汀 饭 、 、 介 一 为 刃 一 ‘ 十 ’ 。 ‘ 一 二 门尸 对给定的 ， 当调 制指数 变化时 ， 、 也变化 ， 因而 各次谐波幅值也变 化 。 一 般来说 ， 当 竹︸︸。︸一产︺︸ ︸。‘尸︸认‘ 图 电流次 浩波 调制须谱 图 爪 “ 。 王 · 、 二 ·

为0,82~0.85左右时，绝大多数谐波均达到最小值。用计算机对各次谐波在M=0.82,R= 1~23时进行仿真计算，结果绘于图3。 可以看出，随着脉冲数R增多，可抑制的低次谐波也增多，幅值较高的谐波随之向高次 方向转移。增加脉冲数R固然可以降低更多低次谐波，但是必将增加逆变器的开关损耗，因 此，在实际工作中应综合考虑两方面的因素。一旦确定出半周脉冲数R,就可计算出相应的 最佳开关角，用以控制GTO的工作。本文对9脉冲型(R=9)次谐波调制进行了实验。在这 种情况下，逆变器中每个GT0每周期导通和关断各9次，最窄脉宽为1184s,第23次以下的 谐波幅值只有7次和19次较高，分别为基波的4%和9%。23次以上的谐波可以很容易地通过 电网滤波器吸收。 由于逆变器在折波方式下工作，是在180°内调制，其起始触发角：。应比常规120°方波 型的a小30°，也即当“♪从150°到240°时，逆变电压从最大到零。按计算出的9脉冲型开关 角，求得逆变电压与移相角ap的关系为： Un-3y2U2[0.807c05a4,-0.466sina 逆变电压最大值为1.26U21。实验结果与计算公式完全吻合。 GTO逆变器在这种斩波方式下工作时，逆变器中每个GTO的每次换流都是按强迫换流 和自然换流方式交替进行的。当移相角a小于180时，GTO按1、3*、5*顺序换流时为自 然换流，而按5*、3*、1*顺序换流时为强迫换流。当a,大于180°时，则换流情况刚好相反。 即按1*、3*、5*顺序换流时为强迫换流，相反顺序时为自然换流。2、4*和6*GTO换沈情 况也是这样。 为了实现上述控制方案，控制部分采用了一片廉价的单片微型计算机如图4，将计算出 的最佳开关角折合成相应的时间常数，存入单片机，由软件控制，依次给6个GTO发出门极 通断信号。使用单片机，硬件工作量少，成本低，抗干扰性强，运行稳定可靠。 Synchro INT 0.6 -Uc eireuit Single chipup Firing "6 18151 circuit 0.1 A/D) BUS .2 0 200 400 600 800 n,r/min 图4逆变器控制电路框图 图5恒转矩负载功率因数对比曲线(M/M0=0.4》 Fig.The block-scheme of control cir- Fig.5 Comparison of powder factor cuit of inverter under constant torgue load 2实验结果 根据上述谐波抑制方案对串调装置进行了电流超前和滞后的控制试验。进行了功率因数 ◆465·

‘ ‘ 、 、 卜 、 一 、 、 为。 一 。 左 右时 ， 绝 大 多数 谐波 均达到 最 小值 。 用计算 机对齐次 谐 波 在 二 。 ， 刀 二 一 时进行仿 真计算 ， 结果绘于图 。 可 以看 出 ， 随 着脉冲数 增多 ， 可抑制 的低次谐 波 也增 多 ， 幅值较 高的谐 波随之 向高次 方 向转移 。 增加 脉冲数 固然可以降低更多低次谐波 ， 但是必将增 加逆 变器 的开 关损耗 ， 因 此 ， 在实际工作 中应 绘合考虑两方 面的 因素 。 一旦确定出半 周脉冲 数 尸 ， 就可 计算出相应 的 最佳开 关角 ， 用 以控 制 的工 作 。 本文对 脉冲型 二 次 谐波调 制进行 了实验 。 在这 种情况 下 ， 逆变器 中每个 每周期导 通和关断 各 次 ， 最 窄脉宽 为 娜 ， 第 次 以 下的 谐波幅值 只有 次 和 次较 高 ， 分 别 为基波 的 和 。 次以上 的谐波可 以很 容易地通过 、匕网滤 波器吸收 。 由于逆变器 在斩 波 方式 下工 作 ， 是在 。 “ 内调 制 ， 共 起始触发 角 ，，应 比 常 规 “ 方波 型的 小 “ ， 也即 当外 ，从 “ 到 ” 时 ， 逆 变 电压从最 大 到零 。 按计算出的 脉冲 型开 关 角 ， 求得逆变 电压与移相 角 ，， 的关 系 为 ，。 了 ， 〔 。 ， 、 ， 一 ，， 〕 逆变 电压最大值 为 。 ，。 实验结果与 计算公式完全吻合 。 逆变器 在这种斩 波方式下工 作时 ， 逆变 器 中每个 的每次 换 流都是按强迫 换流 和 自然换流方式交替进行 的 。 当移相 角 ，，小 于 。 “ 时 ， 按 “ 、 ’ 、 顺序换流时为 自 然换流 ， 而 按 ’ 、 、 顺序换流时 为强迫换流 。 当 ，，大 于 。 “ 时 ， 则换流倩况刚好相反 。 即 按 ’ 、 ， 、 ’ 顺序 换流时 为强迫换流 ， 相 反顺序 时为 自然 换流 。 ” 、 吐 和 非 换流情 况 也是这样 。 为了实现上述控 制方案 ， 控制部分采用了 一片廉价 的 一 单片微型计算机 如 图 ， 将 计算出 的最佳开 关 角折合 成相 应 的时 间常 数 ， 存入单片机 ， 由软件控 制 ， 依次给 个 发 出门极 通 断信号 。 使用单片机 ， 硬件工 作 量少 ， 成本低 ， 抗干扰性 强 ， 运行稳定 可靠 。 里 弄之 一 夕 一一 一 洲 ， 户一 杯 口 尸 才 尸了气扮汁尸 导了 母、屡 图 在 逆 变器控 制 电路框 图 毖 一 图 弓 恒转 矩 负载功 率 因数 对比 曲线 入州 二 。 改介 实 验 结 果 根据上述 谐波抑制方案对 串调装置进 行了电流超前和滞后的控制试验 。 进 行 了功率 因数

对比。结果表明，在负载运行时，功率因数有明显提高。 逆变器运行于电流超前状态(。=230)时的逆变电压和逆变电流如图6所示。 a 图6串调装置逆变电流与逆变电压 Fig.6 Current and voltage of inverter in scherbius drives 3结 论 (1)GTO是一种理想的大功率开关元件，易于实现斩波控制。 (2)这种电流超前型逆变器使串级调速装置的功率因数明显提高。 (3)逆变电流接近正弦型，低次谐波被抑制。 (4)使用单片机控制，工作稳定可靠，体积大大减少。 参考文献 1诸祖同.。北京钢铁学院学报，1987：(2)：57 2 CHANDRASEKHAR NAMUDURI et al,IEEE Trans,Ind,Appl,1986; I-22(6):1052 ·466m

对 比 。 结果表明 ， 在负载运行时 ， 功率 因数 有明显提高 。 逆变 器运行 于 电流超 前状态 ，， “ 时 的逆变 电压和逆 变电流如 图 所示 。 图 串调装置逆 变电流与逆 变电压 犷 ￡ 结 论 是一种理 想的大功率开 关元件 ， 易于实现斩波控制 。 这种 电流超前型逆 变器使 串级调 速装置的功率 因数明显提高 。 逆 变电流接近正 弦型 ， 低 次谐波被抑制 。 使用单片机控 制 ， 工 作稳定可靠 ， 体积大 大减少 。 参 考 诸 祖同 北京钢铁学院学报 ， 一 文 献 ，， ，