深度揭秘功率變換的可變電抗器 一、引言
可變電抗器作為電抗器的一個(gè)重要分支，它具有調(diào)節(jié)電壓和無(wú)功補(bǔ)償?shù)墓δ埽捎糜陔姍C(jī)的軟起動(dòng)、風(fēng)機(jī)和水泵的調(diào)速控制，也可用于礦熱爐的節(jié)能控制，其應(yīng)用前景十分廣闊。
本文研究了一種基于功率變換的可變電抗器，它是對(duì)傳統(tǒng)電抗器的一次結(jié)構(gòu)性創(chuàng)新：它在傳統(tǒng)電抗器的基礎(chǔ)上附加了二次繞組，構(gòu)成可變電抗變換器；一次繞組與負(fù)載串接構(gòu)成一次阻抗串接電路；二次繞組與電力電子功率變換器并接。
二、可變電抗器的構(gòu)建及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
1．可變電抗器的構(gòu)建
可變電抗器由可變電抗變換器和功率變換器構(gòu)成。通過(guò)智能控制器控制電力電子功率變換器改變可變電抗變換器二次側(cè)的電流，從而改變可變電抗變換器的一次側(cè)的電流，當(dāng)輸入電壓不變時(shí)，實(shí)現(xiàn)可變電抗變換器二次阻抗的改變，從而實(shí)現(xiàn)可變電抗變換器一次阻抗的改變，實(shí)現(xiàn)可變電抗器的阻抗的可變。可變電抗器的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：
2．可變電抗器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
可變電抗器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以采用晶閘管反向并聯(lián)，并與可變電抗器并接。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。可變電抗器也可采用一對(duì)雙向IGBT管串接，并與可變電抗器并接，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示：
三、可變電抗器的阻抗變換機(jī)理
本文重點(diǎn)對(duì)單相IGBT式可變電抗器(圖2a)的原理進(jìn)行研究[3]。當(dāng)可變電抗器的一次側(cè)輸入電壓時(shí)，其二次側(cè)的電壓設(shè)為UN（其最大值為UNm），若IGBT管采用PWM控制（PWM波均為A），則可變電抗器二次側(cè)電壓變?yōu)閁2，其波形如圖4所示：將f用傅立葉級(jí)數(shù)展開(kāi)得式中：將（1）式代入（2）式得由（3）式可知，中除包含基波外，還包含其它諧波，由于采用IGBT管（k值較大），電路中產(chǎn)生的諧波次數(shù)較高，通過(guò)可變電抗器的二次側(cè)電感和電容抑制諧波，高次諧波被抑制，U2中只須考慮基波，則二次側(cè)電流式中Z2 為二次側(cè)基波阻抗值，為基波阻抗角。設(shè)可變電抗變換器的一次側(cè)和二次側(cè)的匝數(shù)比為K,則根據(jù)電磁轉(zhuǎn)換原理有一次側(cè)電流則可變電抗轉(zhuǎn)換器一次側(cè)的阻抗的模（當(dāng)D不等于0時(shí)）由（7）式可知，改變占空比D即可改變可變電抗變換器的阻抗。當(dāng)D增大時(shí)，可變電抗器的阻抗的模減小；當(dāng)D減小時(shí)，可變電抗器的阻抗的模增大。由此證明基于功率變換的可變電抗器的阻抗是無(wú)極可調(diào)的。
四、可變電抗器在軟起動(dòng)中的應(yīng)用
上述可變電抗器可應(yīng)用于電機(jī)軟起動(dòng)，采用該可變電抗器制作的智能固態(tài)高壓軟起動(dòng)裝置實(shí)際運(yùn)行效果良好。智能固態(tài)高壓軟起動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。
當(dāng)電機(jī)起動(dòng)時(shí)，合上K2,可變電抗器與電動(dòng)機(jī)串接，控制系統(tǒng)控制可變電抗器，使其電抗值逐步由大變小，電動(dòng)機(jī)兩端電壓逐步由小變大，當(dāng)接近額定值時(shí)，合上K1，斷開(kāi)K2，軟起動(dòng)結(jié)束，電機(jī)以額定轉(zhuǎn)速正常運(yùn)行。
高壓軟起動(dòng)器實(shí)際運(yùn)行空載起動(dòng)電流波形與直接全壓起動(dòng)時(shí)電流波形如圖8所示。由以上圖可知電機(jī)直接起動(dòng)時(shí)啟動(dòng)時(shí)間短，約2s，電流最高達(dá)額定電流的6.4倍，且長(zhǎng)時(shí)間電流達(dá)額定值的5.7倍；而軟起動(dòng)開(kāi)始電流幾乎是0，電流最大約達(dá)額定值的2倍，且啟動(dòng)時(shí)間大大增長(zhǎng),約30s。可見(jiàn)電機(jī)軟起動(dòng)性能比電機(jī)全壓起動(dòng)性能大為改善，真正實(shí)現(xiàn)了起動(dòng)電流小、起動(dòng)沖擊力小、起動(dòng)損耗少、諧波小的軟起動(dòng)。
五、結(jié)束語(yǔ)
本文提出了一種可變電抗器，它是對(duì)傳統(tǒng)電抗器的結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新，闡述了它的構(gòu)建、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、阻抗變換機(jī)理，采用該可變電抗器制作的軟起動(dòng)器實(shí)際運(yùn)行效果良好，經(jīng)濟(jì)效益大。 |
