（电力电子与电力传动专业论文）基于功率变换的可变电抗器研究.pdf

武汉理。【大学硕士学位论文 a b s t r a c t v a r i a b l er e a c t o ri sa ni m p o r t a n tb r a n c ho fr e a c t o r i tc a nr e a l i z ei m p e d a n c e c o n v e r s i o nw h e nv a r i a b l er e a c t o ri si nt h ec i r c u i t a sar e s u l t v o l t a g ea d j u s t m e n ta n d r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nc a nb er e a l i z e d ，w h i c hh e l p sm a k ee l e c t r i cf e n c em o r e s t a b l ea n di m p r o v et h eq u a l i t yo fe l e c t r i c e n e r g y v a r i a b l e r e a c t o rh a sw i d e a p p l i c a t i o n si nt h es o f ts t a r t ，s p e e dc o n t r o l l i n go fb l o w e r ，w a t e rp u m pa n dt h ee n e r g y c o n s e r v a t i o n t h ev a r i a b l er e a c t o rc o n s i s t so fv a r i a b l er e a c t a n c ec o n v e r t e ra n de l e c t r o n i c p o w e ri n v e r t e r t h ei n t e l l i g e n tc o n t r o l l e rc o n t r o l se l e c t r o n i cp o w e ri n v e r t e ri no r d e rt o c h a n g et h ee l e c t r i cc u r r e n ti nt h es e c o n ds i d eo fv a r i a b l er e a c t a n c ec o n v e r t e r , t h e nt h e o n ei nt h ep r i m a r ys i d ec a nb ec h a n g e d ，c o n s e q u e n t l yt h ei m p e d a n c eo fv a r i a b l e r e a c t o rc a nb ec h a n g e d t h ev a r i a b l er e a c t o ri n c l u d e st h y r i s t o rv a r i a b l er e a c t o ra n d i g b tv a r i a b l er e a c t o r a l t h o u g ht h et h y r i s t o rv a r i a b l er e a c t o rc a l lr e a l i z et h es m o o t h a d j u s t m e n t ，i th a ss e r i o u sh a r m o n i cw a v ew h i c hh a sab a di n f l u e n c eo ne l e c t r i c a l n e t w o r k i no r d e rt or e d u c eh a r m o n i ca n di t sp o l l u t i o n an e wv a r i a b l er e a c t o ru s i n g i g b ti sp r o p o s e da n dr e s e a r c h e d n ep r o p o s e dr e a c t o rc a ni m p r o v et h ep e r f o r m a n c e o ft h ev a r i a b l er e a c t o ra n dd e c r e a s eh a r m o n i cs h a r p l y f i r s t ，t h et o p o l o g ya n di m p e d a n c ec o n v e r s i o nm e c h a n i s mo ft h ev a r i a b l er e a c t o r a r ei n t r o d u c e di nd e t a i la n dq u a n t i t a t i v er e l a t i o no fi m p e d a n c ec o n v e r s i o no ft h y r i s t o r v a r i a b l er e a c t o ra n di g b tv a r i a b l er e a c t o ra r ed e d u c e dr e s p e c t i v e l yb yu s i n gf o u r i e r s e r i e s s e c o n d ，p o w e rc o n v e r s i o nu n i t so ft h et w ov a r i a b l er e a c t o r a r en o to n l v s t u d i e d ，b u ta l s oa n a l y z e da n dc o m p a r e d t h eb l o c kd i a g r a mo fp o w e rc o n v e r s i o n u n i to ft h y r i s t o rv a r i a b l er e a c t o ra n dt h a to fi g b tv a r i a b l er e a c t o ra r ed e s i g n e d i n c l u d i n gi g b tp r o t e c t i o nc i r c u i ta n dd r i v ec i r c u i t n e x t t h es i m u l a t i o nm o d e lo fi g b tv a r i a b l er e a c t o ri sb u i l ta n dt h es i m u l a t i o n o fi m p e d a n c ec o n v e r s i o no fv a r i a b l er e a c t o ri sm a d eu s i n gm a t l a b s i m u l i n k a l s ot h e s i m u l a t i o nc u r v ei sd r a w n t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h et h e o r yo fi m p e d a n c e c o n v e r s i o ni sc o r r e c t t h e ya l s os h o wt h a tt h ei g b tv a r i a b l er e a c t o rc a nb es m o o t h l y a d j u s t a b l ea n dh a r m o n i ci sd e c r e a s e ds h a r p l y l a s t ，t h ei n t e l l i g e n ts o l i ds o f ts t a r t e r ( i s s s ) i sm a d eu s i n gt h ei m p e d a n c e c o n v e r s i o nm e c h a n i s mo fv a r i a b l er e a c t o ra n dc a nb ea p p l i e di n t ot h es o f t s t a r to f 王l i 曲v o l t a g em o t o r t h ea c t u a le f f e c to fr u n n i n gs h o w st h a tt h ee q u i p m e n th a s a d v a n t a g ea n dc a n s t a r tm o t o rc o n t i n u o u s l ya n dq u i c k l y k e yw o r d s ：v a r i a b l er e a c t o r ，i m p e d a n c ec o n v e r s i o n ，p o w e rc o n v e r s i o nu n i t ， p w m ，s i m u l a t i o n i l l 武汉理工大学硕士学位论文 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特，1 1 1 j 1 1 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名： r 期： 武汉理j ：大学硕士学位论文 1 1 课题概述 1 1 1 课题题目及来源 第1 章绪论 课题题目：智能型固态软起动器的研制 课题来源：湖北省科技攻关项目 1 1 2 课题研究的背景和意义 随着现代工业的迅猛发展，面向耗能设备的节能控制以及交流电机的软起动 等变得越来越重要。可变电抗器为电抗器的一个重要分支，作为调压、调功控制、 功率因数补偿以及谐波治理等对提高电力系统稳定和改善电能质量具有非常重 要的作用，其应用前景十分广阔。 电抗器是电力系统中应用相当广泛的电感装置，按用途分类主要有并联电抗 器、消弧线圈、限流电抗器、阻尼电抗器、滤波电抗器、平波电抗器、饱和电抗 器等。并联电抗器并联连接在电力系统中，主要用来补偿电容电流，抑制超高压 长线末端空载或轻载时的电压升高；消弧线圈用来补偿中性点绝缘系统发生对地 故障时产生的容性电流，使电弧很快熄灭；限流电抗器包括串联限流电抗器、起 动电抗器等，串联限流电抗器串在负载前面用于限制负载短路电流，起动电抗器 用于与容量较大的交流电机串联实现降压起动以限制起动电流，避免危及绕组安 全，同时降低对供电电源的较大容量要求；平波电抗器用于整流以后的直流回路 中，抑制输出的整直电压中的纹波；阻尼电抗器( 也称串联电抗器) 与电容器组 或密集型电容器相串联，用以限制电容器的合闸涌流；滤波电抗器与滤波电容器 串联组成谐振滤波器，一般用于3 次至1 7 次的谐振滤波或更高次的高通滤波。 随着电力系统的不断发展，对电抗器的性能要求越来越高，在许多应用场合 希望并联或串联的电抗器电抗值根据需要可实时调节或控制。应用于软起动的可 变电抗器就是一个电抗值分级或无级可调的电抗器。常规的起动电抗器电抗值不 能调节，虽然可以实现电动机的降压起动，但是，这种常规降压起动方式采取阶 跃式( 梯级) 降压，仍存在二次冲击电流对某些机械设备产生的不良影响，如果 武汉理jr 人学硕十学位论文 串在定子电路中的起动电抗器是无级可控调节的，对于大容量电机轻载起动，便 可以实现平滑调节电动机的外施电压，进而实现电动机的软起动，实现电动机起 动电流无级平滑和稳定变化。无功补偿技术，对于提高电力系统的电能质量和挖 掘电网的潜力是十分必要的。其主要作用包括提高负载和系统的功率因数，减少 设备容量和功率损耗，稳定电压，提高供电质量，提高长距离输电中系统输电稳 定性和输电能力，平衡三相负载的有功和无功功率等。无功功率补偿是当今电力 系统研究领域的一个重大课题。电网中的无功来源主要有两个方面，一是负载中 的感性无功( 主要是电动机负载，功率因数为0 8 o 8 5 ) ，另种为输电线路本 身的容性和感性无功。在高压长距离输电线路中，并联电抗器用来对电容效应进 行补偿，抑制轻载时端电压的升高。但是，如果并接的是固定的大容量电抗器的 话，会带来以下不良影响：a ) 增大等效波阻抗，减少自然功率值和线路传输能力； b ) 在重载输电时，仍需给电抗器提供大量无功，这就要求受端系统增大容性补偿 无功和相应投资；c ) 因电抗器有持续的有功损耗而增大输电成本。而采用可变电 抗器则可减轻上述影响，它能直接接在超高压线路侧，同时发挥同步补偿机和并 联电抗器的作用。早期的无功补偿设备有并联电容器，调相机和同步发电机等， 由于并联电容器阻抗固定，不能动态地跟踪负荷无功功率的变化，而调相机和同 步发电机等补偿设备又属于旋转设备，其损耗，噪声都很大，而且还不适用于太 大或太小的无功补偿，因此这些设备已经越来越不适应电力系统发展的需要。解 决此问题的一种方法是采用无级可调电抗器与固定( 或分组投切) 的电容器支路 并联，构成静止无功补偿装置( s v c ) ，能实现快速频繁地改变输电系统的导纳 功能，这类装置典型代表为固定电容器加晶闸管控制电抗器( f c + t c r ) 和晶 闸管投切电容器( t s c ) 等类型，而以前者应用最多。而晶闸管控制电抗器( t c r ) 实际上就是通过控制晶闸管的导通角实现电抗器电抗值的可调。习惯上把通过电 气技术手段实现的电抗值连续可调的电抗器称为可控电抗器。基于这种可控电抗 器的s v c 在当今应用最广，是发展的主流，工业发达国家的主要电气设备制造 公司都在生产和积极推广。电力电子技术的发展使得柔性输电技术( f a c t s ) 在 电力系统自动控制中得到广泛重视，过去长期以来不可改变的系统参数( 例如电 压、相位、阻抗等) ，采用f a c t s 技术后都有希望实现灵活的控制。在相当多的 f a c t s 控制器件中，其核心部件就是工作在高电压、大电流工况下的可控电抗 器。 1 2 国内外可变电抗器的研究现状与发展趋势 综观发展到现在的各种可调电抗器，其类型按连续可调性的不同分为分级可 2 武汉理t 人学硕士学位论文 调与无级可调型，按基本结构的不同可分为自感与互感型，按操作控制的手段不 同则分为机械控制与电气控制型。 可调电抗器不断在应用中伴随着电网的发展而发展，从机械式、电磁式，一 直到发展到今天的电子式。下面介绍业已发展和应用的各种类型可调电抗器的基 本情况。自感型电抗器应用得最早和最广泛，可调线圈式和可调气隙式电抗器是 其最基本的形式e l l 。可调线圈式可调电抗器通过直接改变或切换绕组匝数来调节 电抗值，它有两种模式，其一是将电抗器绕组按不同的匝数，抽出若干个抽头形 成多个分接头结构，利用有载分接开关来切换接入的绕组匝数，或利用晶闸管控 制各分接头之间的导通与截止来实现匝数的变化，它们过去常见应用于消弧线圈 装置中，分别如图1 1 ( a ) 所示与图1 1 ( b ) 所示，这种类型可调电抗器不能做到电 抗值无级可调：其二是将自耦变压器当作可调电抗用，如图1 k c ) 所示，随着电 刷的移动，a x 问电抗大小可调。它主要用于电机实验与电工实验中作电机或变 压器的感性负载。可调气隙式电抗器工作原理是用电动机带动传动机构调节铁心 气隙的长度，从而改变线圈的电感，其结构如图1 i c d ) 所示。从理论上讲，这种 电抗器的电感可连续调节，但实际上因为机械惯性和电机的控制精度问题，而在 工程上无法做到。由于铁心存在可调气隙，一般说来震动和噪声较大，传动机构 容易出现故障。世界著名的哈佛来公司( h a e f d y ) 开发的插棒式消弧线圈，就 是这种方式。调气隙式电抗器的一种变体形式是动圈式无级连续调节电抗器，它 是通过调节活动线圈对固定线圈的相对位置而改变两者之间的互感，其原理和结 构与动圈式感应调压器相同。这种电抗器也存在控制精度问题。 a ) 晶闸管控制分接头方式b ) 利用有载分接开关方式 武汉理工人学硕七学位论文 a x a x c ) 自耦变压器当作可调电抗用d ) 调气隙式可调电抗器 图1 1 可调电抗器的各种形式 还有一种自感型可调电抗器是磁饱和型可控电抗器。它利用磁饱和的原理， 工作在磁饱和状态，利用磁性材料的交流有效磁导率随直流控制电流的变化而变 化的特点，借助直流控制，调节铁心磁导率来改变交流有效电抗值，从而改变交 流回路中的电流和负载所耗的功率。这种可控电抗器是在磁放大器的基础上发展 起来的。1 9 5 5 年世界上第一台磁饱和型可控电抗器在英国制造成功，其额定容 量为1 0 0 枞，工作电压为6 6 k v - 2 2 k v 。我国的武汉钢铁公司曾于8 0 年代引 进过一套磁饱和型可控电抗器型动态无功补偿装置，用于轧钢系统的自动无功补 偿。运行结果表明效果十分良好。7 0 年代以来，由于可控硅器件迅速发展和相 控电抗器( t c r ) 的出现，这种可控电抗器应用减少。但是，7 0 年代发展起来 的相控电抗器高昂的造价决定了其在电力系统广泛应用的不合理性，电力专家继 续寻找更加经济和可靠的可调无功补偿装置。1 9 8 6 年，原苏联学者 a m b p a i - - i u e b 提出了磁饱和型可控电抗器的一种新型结构，从而使磁饱和型可 控电抗器的发展有了突破性进展。新型磁饱和型可控电抗器可直接用于直到 1 1 5 0 k v 的任何电压等级的电网作为连续可调的无功补偿装置。磁饱和型可控电 抗器包括直流偏磁式可控电抗器和磁阀式可控电抗器。其中直流偏磁式消弧线圈 在直流电流加大时，交流有效磁导率降低，有效电抗值减小：反之，若直流减小， 则有效电抗值增大。这种电抗器的结构和电路接线如图1 2 所示。理论分析及实 验结果表明，对偏磁式电抗器，直流控制绕组中不仅含有控制电源提供的直流偏 磁电流，还含有由交流侧感应出的直流分量及一系列偶次谐波电流分量：在交流 工作绕组电流中，不仅含有基波电流，还含有一系列奇次谐波电流。这种可调电 抗器虽可在结构上进行很有效的改进，以减小谐波含量，但完全根除谐波是不可 能的。 4 武汉理t 大学硕+ 学何论文 图1 2 直流偏磁式可控电抗器的结构图 磁阀式可控电抗器则利用自耦直流励磁控制铁心的饱和度，实现连续可调电 抗。其电路接线和原理分别如图1 3 a 和图1 3 b 所示。当k p i ，k p 2 均不导通时， 由绕组结构的对称性可知，其与空载变压器作用相同。当电源电压处于正半波时， 晶闸管k p l 承受正向电压，k p 2 承受反向电压。此时，若触发k p l 使之导通， 电源通过变比为6 的“自耦变压器，由匝数为n 2 的线圈向电路提供直流控制 电压和电流。当k p 2 在电源的负半波被触发导通时，同样也产生直流控制电压 和电流，而且控制电流的方向与k p i 导通时一致。这样，k p l 和k p 2 在一个工 频周波内轮流导通，构成全波整流，二极管起续流作用，保证晶闸管在相应的正 向电压过零时能够顺利关断。改变k p l 和k p 2 的导通角，便可改变被控电流的 大小，从而改变铁心的饱和度，实现电抗值连续可变。 与直流偏磁式不同的是，这种可调电抗无需外加激磁电源，在整个工作范围 内，只有小铁心段磁路饱和，因此伏安特性较好。但是，谐波和噪声问题仍然是 这种可调电抗器的最大缺点。 k p i a ) 电路接线图 b ) 原理图 图1 - 3 磁阀式可控电抗器示意图 武汉理工大学硕+ 学位论文 晶闸管相控电抗器( t c r ) 在7 0 年代得到发展，应用于静止无功补偿装置 中，其结构就是两个反并联的晶闸管与一个电抗器相串联，倘若把它们作为一个 整体看成一个可控电抗器的话，这样的电路并联到电网上，就相当于一个固定电 感负载外加交流调压电路的结构，由于实际加到电感负载上的电压受晶闸管相控 调节，它们作为一个整体对外电网而言就等效于一个可受晶闸管相控的可调电抗 器，因此其本质上仍属于自感型电抗器范畴，由于晶闸管的导通角可连续可控， 因此这种等效电抗器电抗值也连续可控。 互感型可调电抗器目前最典型的是高漏阻抗变压器式可调电抗器，该电抗器 是一种变压器式可控电抗器，其一、二次绕组间的短路阻抗很大，二次绕组用晶 闸管短路，这种结构实际相当于变压器二次侧带晶闸管相控电抗器为负载，通过 调节连续可调的晶闻管的导通角来调节二次绕组中的电流，从而实现电抗值的连 续可调。其线路结构和等效电路如图1 - 4 所示。该可调电抗器结构简单，响应速 度快，可实现从空载电流到额定电流的无级连续调节，伏安特性较好。但是谐波 问题仍然是这种电抗器的缺点，而且容量越大，谐波越大。 j 控制 _ 】 线圈 j ，。 1 晶阔管 幻电路接线图b ) 等效电路 图1 4 高漏阻抗变压器式可调电抗器 晶闸管控制电抗器f f c r ) ，直流助磁可控饱和电抗器以及高漏阻抗变压器式 可调电抗器都有产生大量高次谐波的严重缺点。为解决此问题，或者用复杂的铁 芯结构和电气结构，或者并联l c 滤波器，这两者都将增加装置的成本。由于谐 波问题，且有并联谐振点，这一特性导致这些可控电抗主要构成横向补偿的无功 功率静止补偿器，对电网进行并联调节。 总的来说，可调电抗器在不断地朝电抗值连续可调，不产生谐波的方向发展。 与此同时，电力系统容量的不断发展要求可调电抗器的容量和额定工作电压也越 来越高。我国当前研制的可调电抗器最大单机工作容量为4 0 0 0 k v a ，由上海森普 电器研究所、上海森迪调压变压设备有限公司用于湘潭电机股份有限公司，作发 电机组试验负载，而在此之前该公司研制成功的可调电抗器单机最大容量为 6 武汉理l = 大学硕士学位论文 1 6 0 0 k v a ，并在我国多家大型造船企业正常使用。而在超高压方面，全国变压器 行业的五大家之一的衡阳变压器有限公司引进、研制开发的超高压可控并联电抗 器、超高压变压器电压等级为3 3 0 k v 至1 1 5 0 k v ，可以平滑地改变补偿功率，能 够将电压限制在很低水平，容量相应平滑地从额定值减少到接近于零。具有无功 补偿和过电压限制两个功能而且显示其巨大的技术优越性，填补了国内行业的空 白。 1 3 电力电子器件现状与发展方向 电力电子技术是2 1 世纪应用最广泛的技术，随着电力电子技术在国民经济 中的作用不断增强，电力电子技术发展也非常迅速。 电力电子技术主要研究电能的变换和控制。在电力电子装置中电力电子器件 是核心，它的性能对整个电力电子装置的性能有着至关重要的作用，每一代新的 电力电子器件的出现将推动整个电力电子技术向前飞速发展【2 】【3 】。 电力电子技术包括电力电子器件和由这些器件组成的各种变换电路及装置 两个方面，自8 0 年代以来， 电力电子技术取得了飞速发展，而作为电力电子技 术基础的电力电子器件对装置的尺寸、重量、技术性能和价格有着极大的影响， 而且每当一种新器件的出现，都将引起相关技术的重大变革。 第一代电力电子器件晶闸管属于半控型器件，不能自关断。1 9 5 8 年美国通 用电气( g e ) 公司研制出世界上第一个工业用普通晶闸管，1 9 6 4 年，双向晶闸管 在g e 公司开发成功，7 0 年代，晶闸管开始形成由低压小电流到高压大电流的系 列产品。同时，非对称晶闸管、逆导晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管等晶闸管 派生器件相继问世，广泛应用于各种变流装置。普通晶闸管广泛应用于交直流调 速、调光、调温等低频( 4 0 0 h z 以下1 领域，其目前是阻断电压最高、流过电流最 大、承受d v d t 、d i d t 能力最强的电力电子器件，运用由它所构成的电路对电网 进行控制和变换是一种简便而经济的办法。现在已能生产8 k v 4 k a 和6 k v 6 k a 的晶闸管，但由于p n 结的载流子积蓄效应，开关频率只能在5 0 0 h z 以下。今后 的发展方向仍是高压、大电流。目前最高科研水平为1 0 0 0 a ，1 2 0 0 0 v 。双向晶 闸管可视为一对反并联的普通晶闸管的集成，常用于交流调压和调功电路中。正、 负脉冲都可触发导通，因而其控制电路比较简单。其缺点是换向能力差、触发灵 敏度低、关断时间较长，其水平已超过2 0 0 0 w 5 0 0 a 。在实际需要的推动下，随 着理论研究和工艺水平的不断提高，电力电子器件在容量和类型等方面得到了很 大发展，先后出现了g t r 、g t o 、功率m o s e t 等自关断、全控型器件，被称 为第二代电力电子器件。在当前各种自关断器件中，g t o 容量最大、它可达到 7 武汉理工人学硕士学位论文 晶闸管相同水平的电压电流等级，工作频率最低( 1 2 k h z ) 。g t o 是电流控制型器 件，因而在关断时需要很大的反向驱动电流。g t o 通态压降大、d v d t 及d y d t 耐量低，需要庞大的吸收电路。目前，g t o 虽然在低于2 0 0 0 v 的某些领域内已 被g t r 和i g b t 等所替代，但它在大功率电力牵引中有明显优势，今后，它也 必将在高压领域占有一席之地。目前g t o 已达到6 k v 6 k a 的生产水平和9 k v 9 k a 的研制水平。 绝缘门极双极型晶体管i g b t 是目前电力电子技术领域中最有优势的功率器 件之一。它通过2 0 多年的发展从无抗短路能力到具有抗短路能力、从存在“二次 击穿”现象到无“二次击穿现象、从存在电流擎住现象到无电流擎住现象、导通 压降的降低、栅极电荷的减小、开关速度的提高和拖尾电流的减小( 开关损耗的 减小) ，极大地提高了i g b t 的性能。i g b t 早已做到1 8 0 0 v 8 0 0 a ，1 0 k h z ；1 2 0 0 v 6 0 0 a ，2 0 k h z 的商品化，6 0 0 v 1 0 0 a 的硬开关工作频率可达1 5 0 k h z 。高压i g b t 已有3 3 0 0 v 、1 2 0 0 a 和4 5 0 0 v 9 0 0 a 的器件。研究具有高压、大电流、高频率和 低损耗的i g b t 以及开展具有集成保护功能的智能i g b t 是今后的方向。由于 i g b t 的综合优良性能，它已事实上成为中小功率逆变器、变频器等电力电子装 置的主流器件。 在g t o 的基础上，近年来开发了一种集成门极换流晶闸管( i g c t ) ，它除有 g t o 高电压、大电流、更低通态压降的优点，又改善了其开通和关断性能( 开通 能力强，不要缓冲电路能实现可靠关断，存储时间短，关断门极电荷少1 ，使工 作频率有所提高，目前已有4 5 0 0 v 4 0 0 0 a 的器件，同额定水平的g t o 、i g c t 、 i g b t 起比较的话，在l k h z 以下i g c t 具有优势 4 1 。电力电子器件的应用已深 入到工业生产和社会生活的各个方面，实际的需要必将极大地推动器件的不断创 新。它的发展大致有如下几个方面。一是进一步提高现有器件的容量和提高它们 的性能，如提高容量和工作频率、降低通态压降、减小驱动功率、改善动态参数 和多功能化等。二是为满足新的应用需要开发新的器件，三是走模块集成化之路， 以缩小装置体积，提高可靠性，四是寻找新型半导体材料，进一步实现对理想功 率器件特性的追求，如寻找应用具有高载流子迁移率、强的热电传导性以及宽带 隙的新型半导体材料，如砷化镓、碳化硅、人造金刚石等的运用将有助于开发新 一代高结温、高频率、高动态参数的器件。 1 4 论文的主要研究内容 本论文在全面总结国内外有关可调电抗器技术的基础上，首次提出了基于 i g b t 功率变换器的可变电抗器，并对基于i g b t 功率变换的可变电抗器进行了 武汉理t 大学硕+ 学侮论文 深入理论分析和技术研究，重点进行了可变电抗器的建模与仿真，并介绍其在智 能固态软起动系统中的应用研究。主要内容按章节安排为：第l 章绪论；第2 章研究基于功率变换的可变电抗器的原理。介绍了可变电抗器的构建和拓扑结 构，详尽地分析了晶闸管式可变电抗器和i g b t 式可变电抗器的可变电抗原理： 第3 章具体研究可变电抗器的功率变换单元。分析了晶闸管式可变电抗器的特 点，指出其缺点，阐述了i g b t 式可变电抗器的特点和优点。设计了晶闸管式可 变电抗器的功率变换单元的硬件结构框图，设计了i g b t 式可变电抗器的功率变 换单元的硬件结构，并设计了 i g b t 保护电路和i g b t 驱动电路；第4 章着重研 究i g b t 式可变电抗器的仿真。详细阐述了m a t l a b s i m u l i n k 仿真环境，各个模 块的仿真模型，得出了仿真数据和仿真曲线；第5 章研究可变电抗器在智能固态 软起动器中的应用。详尽介绍了软起动器的系统结构框图，试验电路图及软起动 器的实际效果图；第7 为全文总结和工作展望。 9 武汉理j r 大学硕+ 学位论文 第2 章可变电抗原理 2 1 可变电抗器的构建 可变电抗器由可变电抗变换器和功率变换器构成【5 11 6 1 ，它是对传统电抗器的 一次结构性创新。它在传统电抗器中引入二次线圈，其二次线圈与电力电子功率 变换器连接。通过智能控制器控制电力电子功率变换器，改变可变电抗变换器二 次侧的电流，从而改变可变电抗变换器的一次侧的电流，当输入电压不变时，即 实现可变电抗器阻抗的改变。 基于功率变换的可变电抗器的 结构框图如图2 一l 所示。 通过智能控制器控制电力电子功率变 换器，改变可变电抗变换器二次绕组的电 流( 即改变功率或实现功率变换) ，改变可变 电抗器二次绕组的电抗，从而改变可变电抗器 一次侧的电抗，实现可变电抗器电抗的可变。 2 2 可变电抗器拓扑结构 图2 1 基于功率变换的可变电抗 器结构框图 可变电抗器的拓扑结构可以采用晶闸管反向并联，并与可变电抗变换器并 接。其拓扑结构如图2 2 所示： a i zn宁 ( a ) 单相可变电抗器( b ) 三相可变电抗器 的拓扑结构图的拓扑结构图 图2 2晶闸管式拓扑结构图 通过控制功率变换器的导通条件( 利用现代电力电子技术控制触发反并联晶 l o 武汉理l 大学硕士学位论文 闸管的延时导通电角度) 就可以改变控制线圈的电流大小，控制线圈上的电流产 生相对主磁通的反向磁通并改变电抗器铁芯磁阻，从而改变电抗器的电感值。当 控制线圈上的功率变换器完全导通时，控制线圈上的电流即达到最大值，这时主 线圈上的电流同时达到最大，使电抗器的一次电抗减小；当功率变换器关断时， 控制线圈上无电流，主线圈上的电流也降到最小，此时电抗器的一次电抗增大， 因此，在一个电源周期内可以通过调节功率变换器的导通角来改变电抗器的电抗 值对于三相电路来说，若将可变电抗器接入电路，则可以平滑地调节电抗值。 可变电抗器也可采用i g b t 管与可变电抗变换器并接，其功率变换器拓扑结 构是由一对双向高频i g b t 管组成，其拓扑结构如图2 3 所示： a z n ( a ) 单相可变电抗器( b ) 三相可变电抗器 的拓扑结构图的拓扑结构图 图2 3i g b t 式拓扑结构图 通过p w m 控制器控制i g b t 的导通与关断，就可以改变可变电抗器二次侧 线圈( 控制线圈) 的电流大小，控制线圈上的电流产生相对主磁通的反向磁通并 改变电抗器铁芯磁阻，从而改变电抗器的电感值。当控制线圈上的功率变换器完 全导通时，控制线圈上的电流即达到最大值，这时主线圈上的电流同时达到最大， 使电抗器的一次电抗减小；当功率变换器关断时，控制线圈上无电流，主线圈上 的电流也降到最小，此时电抗器的一次电抗增大，因此，在一个电源周期内可以 通过调节功率变换器的通断来改变电抗器的电抗值。 2 3 晶闸管式可变电抗器原理 可以从晶闸管功率变换器的完全关断、完全导通以及晶闸管功率变换器处 于导通工作这三种状态来分析其等效模型忉。 设可变电抗变换器的一次侧两端电压为研：二次侧两端电压为u e ，流过一 次侧电流为i t ，流过二次侧电流为f 2 ，输入侧电压为u l ，负载阻抗为z 。 武汉理t 大学硕士学位论文 ( 1 ) 晶闸管功率变换器完全关断状态的等效模型 当晶闸管功率变换器完全关断时， 其等效电路图如图2 - 4 所示：由图可 知，幻最小为0 ，故f ，最小，此时， 原边主线圈感应电动势最大，原边主 线圈阻抗最大，从而使原边负载阻抗 z 两端电压最小。 图2 - 4 单相可变电抗器关断等效图 ( 2 ) 晶闸管功率变换器完全导通状态的等效模型 当晶闸管功率变换器完全导通时， 其等效电路图如图2 5 所示：由图2 5 可知，i 2 最大，由电磁变换原理可知， i ，最大，此时，原边主线圈两端感应 电动势为原边主线圈阻抗为零，从而 使原边负载阻抗z 两端电压最大。 圈 u i二，i xl c 型 x 图2 5 单相可变电抗器导通时等效图 ( 3 ) 晶闸管功率变换器导通工作状态的等效模型 在个电源周期内，晶闸管功率变换器在关断与导通之间变化，此时，主线 圈相当于一个可变电抗器，电路原理图如图2 6 所示。 因为鲁5 i z , i 鲁= 有： 等：磐帑鲁 鲨一尘一r 盟、z 丝 i i 坠f 、n 2 1 2 阱年= ( 制z p h 于是图2 - 6 可等效为图2 7 ： 可知：q = ( z + z 1 ) ，则c ，。= 1 1l z + z 。i 町t2 南 q 彩 对公式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 进行讨论如下： ( 1 ) 当u l 及z 一定时，改变z 即可改变z ， 1 2 固 u i _ 。二1 i xb x 图2 6 功率变换器工作时可变 电抗器等效电路图 a x z z l 图2 7 工作时可变电抗器 等效电路图 盎x l西z 武汉理t 大学硕士学位论文 从而改变f ，进而改变观当z 增大时，z ，增大，f ，减小，觇减小；当z 减小时， z ，减小，f ，增大，觇增大。 ( 2 ) 当晶闸管功率变换器全导通时，z 。最小为0 ，z ，最小为0 ，f j 最大，觇最大。 ( 3 ) 当晶闸管功率变换器关断时，z 最大，历最大，i l 最小，觇最小。 ( 4 ) 设晶闸管功率变换器的控制角为口，设z ，为副边回路在工作状态下等效阻 抗，由图2 7 可知：晶闸管功率变换器两端电压为： “2 = 4 2 s i n r o t( 2 3 ) 在晶闸管工作状态下，副边电流波形正负半波对称，不含直流分量和偶次谐 波，根据傅立叶公式，可知副边电流为： i 2 ( c o t ) = ( 吒c o s n c o t + b s i n n c o t ) ( 2 - 4 ) 则铲孤础o s 蒯( 咖昙e 酱s 缸删( 研) = 龋( c o q 弘1 ) 包= 孙蛐谢( 2 翻陋2 州旷训 巳2 丽- f 2 u 2 【l c o s 4 a - l c o s 2 a + 石1 】 6 3 = 丽, f 2 u 2 1 s i n 4 a - 芝1 s m 2 口1 比较q a 3 ，可知前者远大与后者，在比较6 i ，岛，也是一样，则口3 ，色，乃一和包，岛 可忽略不记，则 友( c o t ) = 口。c o s r o t + & s i n c o tr 2 一s 、 根据赋有效值之= 去厢 之2 粕瓜丽而蕊面可 = 刀i z ，i 1 3 ( 2 6 ) 武汉理丁大学硕士学位论文 咿| = u _ 厶_ 2 l = 荷丽差愍菰面 亿7 ， 即由( 2 7 ) 式可知，当晶闸管功率变换器的控制角改变时，晶闸管功率变 换器的等效阻抗也改变，晶闸管功率变换器相当于是一个可变阻抗z 。 由( 2 7 ) 式可z 。，i 。一- 电抗器阻抗模值随晶闸管的控制角的变化曲线，如 图2 8 所示。 i z l l 1 0 0 i - i - i i - ， ： l i l 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 图2 - 8 阻抗模值随晶闸管控制角变化曲线 由图2 8 可知，随着晶闸管控制角的不断变大，可变电抗器的阻抗值不断变 大。当控制角在o 丌3 之间变化时，可变电抗器的阻抗值变化缓慢；随后晶闸 管控制角在i t 3 - 5 6 范围内变化时可变电抗器电抗变化明显；当晶闸管控制 角在5 瓤6 范围内变化时可变电抗器电抗急剧变化。 2 4i g b t 式可变电抗器原理 当可变电抗器的一次侧输入电压时，其二次侧的电压设为u n ( 其最大值为 u n m ) ，设二次侧电压的周期为t 角频率为，p w m 波的周期为t c ，其中导通时 间为f ，占空比为d 。若i g b t 管采用p w m 控制( p w m 波均为a ) ，则可变电 抗器二次侧电压变为埸，其波形如图2 - 9 所示【8 】【9 1 。 1 4 武汉理t 大学硕士学位论文 八、 u h 广 、 j 门杵：广 n 厂 几厂 厂 u 图2 - 9p w m 波形及可变 电抗器二次侧电压波形 设f 为开关函数，并定义为 f1 i g b t i 正向导通或i g b t 2 反向导通 【0i g b t i 正向截止或i g b t 2 反向截止 将f 用傅立叶级数展开得 ：d + 三芝业盟c o s ( n c o t ) ( 2 8 ) 。 一 一 ， i z - 6 式中：f2 j rt d = 一；国= ；k = 一； ttt cc f ( d ，七) = s i n ( n c o r ) + s i n n c o ( t + r ) 卜s i nn c o t + s i n n c o ( 2 t + r ) - s i n2 n c o t k 一2k 一2 l ”+ s 近似_ 互+ f ) - s i n 了刀缈z 1 。 一 2 n x 、 2 m r 2 n z 2 n x 4 n x2 m r4 n z = s i n d + s i n ( + d ) 一s i n + s i n ( + d ) 一s m kkkkk kk ，k 一22 n z2 m r k 一22 n z + + s i n ( + d ) 一s i n 2kk2k 则二次侧电压 u 2 = f u s i n c o t 将式( 2 8 ) 代入式( 2 9 ) 得 k 喜半一) ( 2 9 ) = d s i n 研+ 争窆掣 s i n ( , c o + c o ) 忡n ( n 0 3 - c o ) f 】 ( 2 - 1 0 ) 万 月；i 刀 、 一 由式( 2 1 0 ) 可知，中除包含基波u ，。s i nc o t p b ，还包含其它谐波，由于采用 i g b t 管( k 值较大) ，电路中产生的谐波次数较高，通过可变电抗器的二次侧电 感和电容抑制谐波，高次谐波被抑制，u 2 中只须考虑基波，即u ：= d s i n c o t 则二次侧电流 ：警s i n ( c o t - q a , ) z 。 式中z z 为二次侧基波阻抗值，缈- 为基波阻抗角。设可变电抗变换器的一次侧和 二次侧的匝数比为k ，则根据电磁转换原理有 一次侧电流 1 5 武汉理t 大学硕士学位论文 又 卜i 1f 2 = 警s i n ( 咖纯) 毛2ik 2i 3 1 眦研咱 由( 2 1 1 ) 和( 2 1 2 ) 式可得 l u 砌2 了v 。 a f i ：孥s i n ( c o t - q , , ) k z 、 则可变电抗转换器一次侧的阻抗的模( 当d 不等于0 时) ，u 。u 。 k 二z 2 z = 卫= 旦一= 生 i 。d u d _ 一”2 ， k 2 2 2 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 - 1 3 ) 由( 2 1 3 ) 式可知，改变占空比d 即可改变可变电抗变换器的阻抗。当d 增大时，可变电抗器的阻抗的模减小；当d 减小时，可变电抗器的阻抗的模增 大。由此证明基于功率变换的可变电抗器的阻抗是无极可调的。 。 当d = 0 时，可变电抗变换器二次 侧电路开路，可变电抗器等效电路图f l o l 如图2 1 0 所示，其中z 2 为二次侧等效 到一次侧的等效阻抗，z a 为一次绕组 的漏阻抗值，z m 为励磁阻抗，则可变 电抗器的等效阻抗为z a + z m 图2 1 0 9 = - - 0 时等效电路图 由( 2 1 3 ) 式可得i g b t 式可变电抗器阻抗模值随占空比的变化曲线 如图2 11 所示 图2 1 1 电抗器阻抗模值随占空比的变化曲线 1 6 武汉理工大学硕十学位论文 由图2 1 1 可知，当占空比逐渐增大时，可变电抗器的阻抗模值逐渐减小。 当占空比接近0 时，i g b t 式功率变换单元断开，可变电抗器的阻抗趋于无穷( 实 际是一很大的有限值) ；当占空比接近1 时，i g b t 式功率变换单元完全导通，可 变电抗器的阻抗很小，趋于0 。 2 5 本章小结 本章阐述了可变电抗器的构建、拓扑结构和原理，理论推导的结果表明不论 是晶闸管式可变电抗器还是i g b t 式可变电抗器，当改变某一个参数( 对晶闸管 式可变电抗器该参数为晶闸管的触发角，对i g b t 式可变电抗器该参数为i g b t 的p w m 波的占空