软开关技术在串级调速系统中的应用与研究

　　在传统斩波式串级调速系统中，斩波器开关管采用的是硬开关变换技术。但是，为了减小变流器的体积和重量，就必须增加开关频率，然而开关频率的提高将导致开关损耗增加，从而影响整个系统的效率[1，2]。移向全桥 ZVZCS PWM DC-DC 软开关技术可有效减小开关损耗，实现开关的高频工作[3]。

　　1 升压斩波式串级调速原理

　　图 1 为升压斩波串级调速系统的原理图。电机为三相绕线式异步电机。转子侧的相电动势经三相不可控整流器整流，变换成直流电压。直流电压经过斩波环节，变成大小可调的直流电压。

　　直流电压再经过三相有源逆变器，逆变成三相交流电压，并通过逆变变压器将三相交流电压回馈至电网，达到调速的目的[4]。也可以说，升压斩波串级调速是通过改变斩波器占空比的大小来改变附加电动势的大小，从而改变电机的转速。

　　在串级调速系统中，斩波器 S 工作在开关状态。当 S 导通时，逆变器输出端的附加电动势被短接; 当 S 关断时，输出的电动势为最大[5]。

　　由上式可见，改变斩波器开关闭合时间 τ 的大小，就可以改变电机转速 n 的大小。占空比 τ的导通时间越长，串调系统的转速 n 就越高。反之，则转速越低。当 τ = 0 时，即斩波器开关一直处于断开状态，异步电动机就工作在串级调速状态下的最低转速[6]

　　当电机拖动恒定负载稳态运行时，增加斩波器的占空比，使得逆变电压变大，即增加了反相电动势。但由于机械惯性的原因，电机的转速不能瞬间变化。但此时转子侧的电流已经减小了，电机的转速由于转子电流的减小，会逐渐变小。直到机械转矩和电磁转矩重新达到平衡时，电机稳定在新的转速[7]。图 2 是升压斩波式串级调速系统的调速过程。

　　2 软开关变化器的工作原理

　　为了在高频电路中使用 IGBT，有学者提出了零电压零电流( ZVZCS) 全桥 PWM 变换器[8]。ZVZCS 由超前臂和滞后臂构成，超前臂实现了零电压开关 ( ZVS) ，滞后臂实现了零流压开关( ZCS) 。而电流纹波会带来很多弊端，容易在用电器上产生谐波，导致效率较低。笔者通过在变压器二次侧加入一个辅助电路，不但满足了ZVZCS 的初始条件，还减小了电流纹波。改进的全桥 ZVZCS 变换器如图 3 所示。它在传统的变换器基础上加了一个辅助电路并且在滞后臂串联了二极管，该电路在半个周期内共有8 个工作状态。假设除特别指定元件外，所有电阻、电感、电容和变压器均为理想元件。