交流励磁变速恒频发电机励磁系统设计
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摘要：变频器作为励磁系统的核心，其性能的好坏将会直接影响发电机的输出电压质量，论文分析比较了交―交变频器与交―直―交变频器的有缺点，设计了以交―直―交变频电路为主的发电机励磁系统，并提出了控制方案。
关键词：变频器；PWM；逆变
中图分类号：TH17 文献标识码：B 文章编号：1009-9166（2011）0014(C)-0132-02
一、励磁装置简介
交流励磁变速恒频发电机的励磁都是由变频电源提供的。伴随着电力电子技术的发展，变频装置的性能、容量也不断提高，为交流励磁发电机进一步发展提供了可能，目前的变频装置按能量的传递方式可分为交―直―交型变频器和交―交型变频器。
（一）交―直―交型变频器
交―直―交型变频器原理，是由整流器、中间环节和逆变三个部分组成。1、输出频率不受电网频率的影响，只取决于电力电子器件的切换频率，因此输出频率的调节范围广；2、可采用自关断器件，当采用晶闸管时，利用负载的反电动势换相，因此系统结构简单，控制方便，能适应恶劣环境运行。
（二）交―交型变频器
交―交变频器是指无直流中间环节，直接将较高固定频率（fi）的电压变换为频率（f0）较低，而且可变的输出电压的变换器。其特点为：1、能量直接变换，因此比一般的变频器具有更高的效率；2、由于其交流输出电压是直接由交流输入电压的某些部分包络所构成，因而其输出频率比输入频率低得多时，输出波形较好；3、变频器按电网电压过零自然换相，可采用普通晶闸管；4、因电路结构方式的特点，所用晶闸管元件数量较多；5、功率因数低，特别是在低速运行时更低，需要适当补偿。
二、励磁装置的选择
分析交―交变频器与交―直―交变频器的优缺点，从而选择最优的励磁装置，交―交变频器与交―直―交变频器的优缺点如下：
（一）交―交变频器的优点
1、无中间直流环节，损耗小，效率高。2、开关器件采用晶闸管，以利于大功率应用，采用电源自然换相，不需强迫换流电路。3、可以实现能量反馈，使电机作四象限运行。4、输出低频时，谐波含量小，负载转矩脉动低。
因此适用于大功率、低速交流传动领域。
（二）交―交变频器的缺点
1、晶闸管元件数量多，成本高，控制复杂。2、最高输出频率受限制，f0/fi＜1/3。3、输入侧功率因数低，当输出电压较低时，功率因数更低
（三）交―直―交变频器的优点
1、控制电路简单可靠；2、无最大、最小速度限制，调速范围宽；3、发电机不承受高的dv/dt，电磁兼容性好；4、对电网波动不敏感
（四）交―直―交变频器的缺点
1、三级变换（整流、升压、逆变）使系统效率下降2%―3%；2、直流环节电容为高压、大容量，体积大、价格高；3、网侧电感容量较大。
在风力发电中发电机组为中小功率的占多数，而现在在中小功率的发电机组的励磁装置交―直―交变频器占优势，运用地已经很成熟，并且有以上的多种优点，所以这里选择交―直―交变频器为励磁装置。
三、SPWM变频调速技术工作原理
在交―直―交变频器交流调速系统中，为了简化主电路的功率环节，加快系统的动态相应，减少高次谐波电流，减少电机转矩脉动，人们把整流环节从可控环节改为不可控环节。为了实现电压频率协调控制，人们把研究重点放在逆变环节，并提出了许多新的设想。1964年，德国的A•Schonung等率先提出了脉宽调制变频的思想，他们把通讯系统中的调制技术推广应用于交流变频。用这种技术构成的PWM变频器基本上解决了常规六拍阶梯波变频器存在的问题，为近代交流调速系统开辟了新的发展领域。
在交―直―交变频装置中，整流器是不可控的，它的输出电压经电容滤波（附加小电感限流）后形成恒定幅值的直流电压，加在逆变器的输入端。控制逆变器中的功率开关器件通断，其输出端即获得一系列宽度不等的矩形脉冲波形，而决定开关器件动作顺序和时间分配规律的控制方法即称为脉宽调制方法。通过改变矩形脉冲的宽度可以控制逆变器输出交流基波电压的幅值，通过改变调制周期可以控制其输出频率，从而在逆变器上可同时进行输出电压幅值与频率的控制，满足变频调速对电压与频率协调控制的要求，这就是PWM逆变器的工作原理
脉冲波形的宽度可以通过一系列算法得到，作为控制逆变器中个开关器件通断的依据。人们引入通讯技术中的“调制”这一概念，以所期望的波形作为调制波，而受它调制的信号称为载波。SPWM变频系统的主电路，它的工作原理是：由单片机产生的三相SPWM控制脉冲，经驱动放大电路放大后，控制主开关T1―T6的通断，将整流滤波后的单相直流电压逆变为三相交流电压拖动异步电动机，改变调制信号的周期与幅值，也就改变了主开关的输出脉冲周期与占空比，从而实现电机的VVVF控制。
（一）PWM的控制方式
SPWM有两种控制方式，可以是单极式，也可以双极式。两种控制方式调制方法相同，输出基本电压的大小和频率也都是通过改变正弦参考信号的幅值和频率而改变的，只是功率开关器件通断的情况不一样。采用单极式控制时在正弦波的半个周期内每相只有一个开关器件开通或关断，双极式控制时逆变器同一桥臂上下两个开关器件交替通断，处于互补的工作方式。
（二）逆变器输出电压与脉宽的关系
在变频调速系统中，负载电机接受逆变器的输出电压而运转。对电机来说有用的只有基波电压，通过对SPWM输出波形的傅立叶分析可知，输出基波电压的幅值与各项脉宽有正比的关系，说明调节参考信号的幅值从而改变各个脉冲的宽度时，就实现了对逆变器输出电压基波幅值的平滑调节。
（三）脉宽调制的制约条件
将脉宽调制技术应用于交流调速系统要受到逆变器功率器件开关频率和调制度的制约。
逆变器各功率开关器件的开关损耗限制了脉宽调制逆变器的每秒脉冲数（即逆变器每个开关器件的每秒动作次数）。
同时，为保证主电路开关器件的安全工作，必须时所调制的脉冲波有个最小脉宽与最小间隙的限制，以保证脉冲宽度大于开关器件的导通时间与关断时间。定义调制度
（3―1）
（3―1）式中Urm和Ucm分别为正弦调制波参考信号与三角载波的峰值，M在0―1之间变化，并且总小于1。
四、逆变主电路拓扑结构选择
逆变主电路可以选择单相半桥或者单相全桥逆变电路。
单相半桥逆变电路，优点：电路简单，使用器件少。缺点：1、输出交流电压幅值为直流侧电压的一半，要求交流220V输出时，对前级发电机设计的耐压要求将比较高。2、直流侧需两电容器串联，要控制两者电压均衡。
单相全桥逆变电路，共两对桥臂，可看成两个半桥电路组合而成。两对桥臂交替导通1800。输出电压和电流波形与半桥电路形状相同，幅值高出一倍。考虑到前级发电机耐压设计和滤波电容的选择，这里采用三相全桥逆变电路，整个发电机系统主电路拓扑结构用三个单相逆变电路可以组合成―个三相逆变电路。但在三相逆变电路中，应用最广的还是三相桥式逆变电路，采用IGBT作为开关器件的电压型桥式逆变电路及波形，可以看成出3个半桥逆变电路组成。
和单相半桥、全桥逆变电路相同，电压型三相桥式逆变电路的基本工作方式也是180°导电方式，即每个桥臂的导电角度为180°，同一相（即同一个半桥）上下两个臂交替导电，各相开始导电的角度依次相差120°。这样，在任―瞬间，将有3个桥臂同时导通。可能是上面一个臂下面两个臂，也可能是上面两个臂下面一个臂同时导通。因为每次换流都是在同一相上下两个桥臂之间进行的，因此也被称为纵向换流。
在这里选择三相桥式逆变电路，并用IGBT作为开关器件。
结语：交流励磁变速恒频发电机励磁系统设计，首先就介绍了变频器的励磁装置，分交―直―交型变频器和交―交型变频器，讨论了它们之间优缺点从而选择最优的变频器―交―直―交型变频器，选定变频器后，对其控制方法和拓扑结构进行了分析与选择。
作者单位：哈尔滨技师学院
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