拖動電機用高壓變頻器相關問題探討

王桂英 嚴志全

唐山學院，河北唐山063000

摘要 本文主要介紹了拖動電機用高壓變頻器研制過程中的一些關鍵技術問題，對于今后高壓變頻器發展具有一定幫助。

關鍵詞 高壓變頻器；拖動；功率單元串聯；井聯同步均流

中圖分類號TN77 文獻標識碼A 文章編號 1674-6708（2012）61-0062-02

0 引言

變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。隨著現代電力電子技術和微電子技術的迅猛發展，高壓大功率變頻調速裝置不斷地成熟起來，原來一直難于解決的高壓問題，近年來通過器件串聯或單元串聯得到了很好的解決。在冶金、化工、電力、市政供水和采礦等行業廣泛應用的泵類負載，占整個用電設備能耗的40%左右，電費在自來水廠甚至占制水成本的50%。這是因為：一方面，設備在設計時，通常都留有一定的余量；另一方面，由于工況的變化，需要泵機輸出不同的流量。隨著市場經濟的發展和自動化，智能化程度的提高，采用高壓變頻器對泵類負載進行速度控制，不但對改進工藝、提高產品質量有好處，又是節能和設備經濟運行的要求，是可持續發展的必然趨勢。對泵類負載進行調速控制的好處甚多。從應用實例看，大多已取得了較好的效果(有的節能高達30%～40%)，大幅度降低了自來水廠的制水成本，提高了自動化程度，且有利于泵機和管網的降壓運行，減少了滲漏、爆管，可延長設備使用壽命。

低壓變頻器已經取得企業界的認可，高壓變頻器市場正在啟動，前景十分好。市場需求迅速增加。目前研制的用于風機水泵高壓變頻器已有多臺正在正常運轉，使用的是單元串聯多電平電壓源型變頻器，適用于風機水泵，但不能用于傳送帶驅動、礦石粉碎機、軋機、擠壓機、窯傳動等重載啟動的電機[1，2]。為了克服這種變頻器不能用于重載啟動電機的缺陷，本文主要探討了拖動電機用高壓變頻器相關技術問題。

1 方案選擇

主要技術指標是：

10 000V，360kW，額定電流為26A，負載為窯傳動，啟動電流為150A。生產的用于風機、水泵電機的高壓變頻器用的是功率單元串聯方案，效果很好，仍然選這種方案。其理由是：

1）輸出電平數多，因此輸出波形特別好，能適合普通異步電動機，且不必降額使用；2）所需IGBT數量大。但對耐壓要求不高，功率器件不存在均壓問題；3）輸入整流電路的脈沖數大，對電網污染小，功率因數高；4）功率單元數量大，這是個缺點，但結構完全一樣，可以互換，這對生產、調試、留備用件等都來了很大方便；5）技術已經掌握，已有成功經驗，可靠性有保證。

2 技術重點

重載啟動電機的啟動電流在低壓啟動時是正常運行電流的6倍~10倍，如果用正常的方法制作，雖可正常啟動，但正常運行時設備會有很大的余量，是很大的浪費。

我們采用的是串并轉換技術，在啟動時短時用四管并聯．等電機開始轉動，立即切換為雙管并聯，直到一定轉速，轉為全串聯，完成啟動。

3 系統原理

功率單元串并聯結構，如圖1所示，以每相12單元為例，圖中只畫出一相。圖中1-12為功率單元，S1-S6為切換開關單元，其中S1-S3為單刀雙擲單元，S4-S6為單刀單擲單元。

3.1 電路結構

1）功率單元

線電壓10 000V，相電壓5 773V，每相由12個單元串聯，每個單元的的輸出為481V(有效值)。圖1中1-12模塊仍使用原來的設計。

2）功率單元主電路

功率單元主電路結構是典型的三相輸入單相輸出電路。

切換開關s4-s6的主電路中，其中可控硅為開關元件，可調電阻為大功率低阻值在線可調電阻模塊，用于在多管并聯時調節各管的電流值，使各管的電流值盡可能一致。圖1中在功率單元3、6、9、12的輸出端附有高精度電流檢測傳感器，檢測到的電流值隔離后送到協調控制模塊，通過其中的高度單片機計算出電阻誤差值，快速平滑地調節各電阻模塊，達到均流的目的，據測量各功率單元電流的誤差可控制在15%以內。

切換開關S2-S3的主電路是兩只雙向可控硅一端相聯的結構。S1的主電路中還有一只可調電阻模塊。

3.2 控制系統

1）堆波技術采用功率單元串聯實現高壓變頻器，控制方式一般有兩種：

（1）堆波方；（2）載波移相技術。堆波方法控制實現較簡單，波形質量也比較好，功率器件開關次數少，開關損耗小，但它存在兩個缺點：串聯的各單元承擔的功率不一致；變壓器各付邊繞組承擔的功率不一致。載波移相技術可以得到良好的輸出波形。它克服了堆渡方法的兩個缺點，但功率器件開關次數較堆波方法多，開關損耗比較大。

我們采用第一種方式，在主控制器上實現了各功率單元的選通信號定期輪換，串聯的各單元承擔的平均功率相等，隔離變壓器的各付邊繞組承擔的平均功率也都相等，各個單元的結構與控制電路也都完全相同。這樣即不增加損耗，叉克服了堆渡方式固有的缺點；

2）檢測到的開關信號隔離后傳到電流同步模塊，這四個模塊通過光纖通訊，相互協調，使四模塊的開通和關斷時間誤差控制在200ns以下，盡量使四模塊同時開通和關斷，達到同步的目的：這里關鍵是電流脈沖的上升和下降沿的檢測精度，以及解決好單片機的抗干擾問題；

3）控制信號的傳輸。為了系統的可靠性，防止大電壓和大電流跳變對控制信號的干擾，控制信號采用光纖傳輸。各單元的控制信號是多通道并行傳輸，減少信號的中間處理環節，效果很好；

4）啟動完成后，可調電阻模塊、協調控制模塊、電流同步控制模塊及三個電流檢測傳感器在上位機的控制下退出工作。每相只留一個電流傳感器工作，用于對電機工作狀態的檢測控制。

4 結論

1）原理正確，結構合理；

2）電流同步模塊單片機軟件運行良好，功能基本齊全。電路設計合理，滿足了電流同步的要求；

3）可調電阻模塊電路設計巧妙，能及時調節阻值且調節平滑，很好地達到了均流的目的。

參考文獻

[1]張選正，倪芳國產3～10kV中高壓變頻器主電路現狀及改進措施[J].電機與控制應用，2011，38(6).

[2]毛承雄，李維波，陸繼明，等.高壓變頻器共模電壓仿真研究[J].中國電機工程學報，2003，23(9).