TMdrive-80變頻器工作原理及其應(yīng)用

劉金芝，王新朋

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，河北 唐山 063000）

產(chǎn)線機(jī)械設(shè)備由日本MH公司提供，電氣設(shè)備由日本TMEIC公司提供，電氣傳動(dòng)采用日本TMEIC公司生產(chǎn)的TM系列變頻器。其中，七臺(tái)主電機(jī)采用的變頻器都是以GCT為功率元件的三電平PWM全數(shù)字矢量控制傳動(dòng)系統(tǒng)（TMdrive-80），這種控制方式真正實(shí)現(xiàn)了正弦波輸出，減少了高次諧波、減少了力矩紋波，實(shí)現(xiàn)了高功率因數(shù)的控制要求。

1 TMdrive-80系統(tǒng)配置

系統(tǒng)配置如圖1所示，主傳動(dòng)7臺(tái)變頻器中R1、R2由 35000V/3000V 的 整 流 變 壓 器 供 電，F(xiàn)1～F5由35000V/3450V的整流變壓器供電，所使用的維護(hù)軟件為MS-TOOL。GCT整流器單元和逆變器單元都采用帶熱交換器的純水裝置進(jìn)行冷卻，7臺(tái)傳動(dòng)柜裝配有兩組純水冷卻單元（R1～F2為一組，F(xiàn)3～F5為一組），其作用是為了帶走各相GCT元件及電阻的熱量。進(jìn)入變頻柜的純水單元分別由兩臺(tái)泵驅(qū)動(dòng)，一供一備，同時(shí)柜體內(nèi)部裝有漏水檢測(cè)裝置，對(duì)純水冷卻的安全提供了保障。主傳動(dòng)變頻器所驅(qū)動(dòng)的七臺(tái)主電機(jī)為交流同步電機(jī)，容量為：R1、R2，6600kW；F1～F4，9300kW；F5，7400kW，速度反饋檢測(cè)元件使用Resolver。

2 TMdrive-80主回路構(gòu)成及工作過(guò)程

2.1 基本單元構(gòu)成

TMD-80的主回路無(wú)論是整流部分還是逆變部分，均采用相同的單元型結(jié)構(gòu)，即以R、S、T，U、V、W各為一個(gè)獨(dú)立的單元結(jié)構(gòu)，其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。該單元為T(mén)MD-80系統(tǒng)主回路的基本單元，其中G1～G4為GCT元件，DF1～DF4為續(xù)流二極管，DC1和DC2為嵌位二極管。

2.2 三電平逆變器主回路工作過(guò)程

TMD-80三電平逆變器輸出電壓的主回路單相模擬圖如圖3所示，V1A～V4A、V1B～V2B為開(kāi)關(guān)元件，DF1A～DF4A、DF1B～DF2B為續(xù)流二極管，DC1A、DC2A、DC1B、DC2B為嵌位二極管。工作過(guò)程如下：

當(dāng)單元1的V1A、V2A閉合，單元2的V1B、V2B閉合時(shí)，則加到負(fù)載上的電壓VAB=VPVN=Ed+Ed=+2Ed。

當(dāng)單元1的V1A、V2A閉合，單元2的V2B、V3B閉合時(shí)，則加到負(fù)載上的電壓VAB=VPVC=+Ed。

當(dāng)單元1的V2A、V3A閉合，單元2的V2B、V3B閉合時(shí)，則加到負(fù)載上的電壓VAB=VC=0。

當(dāng)單元1的V2A、V3A閉合，單元2的V1B、V2B閉合時(shí)，則加到負(fù)載上的電壓VAB=VC- VP=-Ed。

當(dāng)單元1的V3A、V4A閉合，單元2的V1B、V2B閉合時(shí)，則加到負(fù)載上的電壓VAB=VN- VP=-Ed-Ed=-2Ed。

這樣就可以得到+2Ed、+Ed、0、-Ed、-2Ed五種電壓。

3 TMdrive-80三電平PWM工作原理

3.1 菱形三電平PWM調(diào)制

TMD-80系統(tǒng)逆變器中，采用了三電平PWM調(diào)制技術(shù)，其根據(jù)所得到的27種開(kāi)關(guān)狀態(tài)計(jì)算出三相電壓VU、VV、VW的矢量和，即可得到TMD-80三電平PWM的基本電壓矢量，依照相關(guān)方法進(jìn)行矢量合成，可得到圖4所示的TMD-80三電平PWM的基本電壓矢量圖。由圖4中可知，在這27種開(kāi)關(guān)模式下得到的三相電壓分別對(duì)應(yīng)于四種幅值，12個(gè)相位角及19個(gè)獨(dú)立的空間，而這19個(gè)獨(dú)立空間就是菱形三電平PWM中的19個(gè)基本電壓矢量。

圖3 TMD-80逆變器主回路單相模擬圖

圖4 PWM菱形調(diào)制矢量圖

3.2 三電平PWM逆變器調(diào)頻原理

3.3 三電平PWM逆變器調(diào)壓原理

其中T1、T2、T3、T4表示在T時(shí)間內(nèi)分別執(zhí)行矢量的時(shí)間。另輸出電壓矢量的標(biāo)幺值和控制指令相等。只要同時(shí)滿足（1）、（2），就能在該區(qū)間T內(nèi)實(shí)現(xiàn)電壓矢量等效。在這暫不考慮各矢量的幅角，將它們的模代入（1）中，得：

若將T1：T2：T3：T4=0：2：1：1代入式（3）中，則得：

如以上所述，適當(dāng)?shù)馗淖僒1：T2：T3：T4比值就可以改變輸出電壓矢量的大小，變頻器就能輸出不同幅值的三相正弦波電壓，從而實(shí)現(xiàn)變頻器的調(diào)壓功能，TMD-80系統(tǒng)就是在某一時(shí)刻選擇到六角形空間電壓矢量圖中的某一矢量，決定了這一時(shí)刻逆變器的輸出狀態(tài)，也就是功率開(kāi)關(guān)元件的ON、OFF組合方式，同時(shí)決定了這一時(shí)刻逆變器三相輸出電壓的瞬時(shí)值，還嚴(yán)格地制約了這一時(shí)刻三相電壓瞬時(shí)相位關(guān)系。所以直接利用六角形空間電壓矢量圖，恰當(dāng)?shù)剡x擇并執(zhí)行其中的部分（或全部）基本電壓矢量，就能對(duì)逆變器的輸出電壓進(jìn)行控制。

3.4 TMD-80系統(tǒng)三電平逆變器PWM調(diào)制原理

我們介紹了TMD-80系統(tǒng)中調(diào)頻及調(diào)壓的基本原理，由于在T時(shí)間內(nèi)逆變器只能輸出2～4個(gè)狀態(tài)，即2～4個(gè)較寬的脈沖，所以輸出諧波分量大，故系統(tǒng)需要在T時(shí)間內(nèi)盡可能增加對(duì)該區(qū)間內(nèi)所選中的基本電壓矢量的執(zhí)行次數(shù)，縮短每一次執(zhí)行每一個(gè)基本電壓矢量的持續(xù)時(shí)間，并使的標(biāo)幺值等于系統(tǒng)的指令電壓矢量，達(dá)到減小輸出電壓的脈沖寬度，降低輸出諧波分量的目的，即把（1）式改為：

受功率開(kāi)關(guān)元件開(kāi)關(guān)頻率的限制，n的取值不能太大。這樣逆變器就能輸出我們滿意的PWM電壓波形。如，當(dāng) ?T1i=0、 ?T2i= ?T3i= ?T4i，n=3的條件下輪流執(zhí)行三個(gè)基本電壓矢量，即CNN→PN N→PCN→PCC→PNN→PCN→CNN→PNN→PCN，可以得出，逆變器的輸出線電壓已經(jīng)很接近正弦波了。以上忽略了許多條件的情況下特定性地說(shuō)明逆變器如何實(shí)現(xiàn)調(diào)頻、調(diào)壓的PWM調(diào)制。實(shí)際系統(tǒng)中，為了在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)逆變器的輸出能很好的接近正弦波，系統(tǒng)對(duì)電壓矢量不一定同時(shí)選擇，T1、T2、T3、T4不可能相等，這些均要按控制模型作適時(shí)的參數(shù)計(jì)算而得。

4 結(jié)語(yǔ)

TMDrive-80系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化控制，其控制精度高，穩(wěn)定性好，可靠性高，可以滿足現(xiàn)場(chǎng)任何復(fù)雜的工藝條件的控制要求，使其在冶金生產(chǎn)線的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛。三電平PWM變頻器有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便，性能優(yōu)異等諸方面的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，高功率因數(shù)的實(shí)現(xiàn)，降低了對(duì)供電電網(wǎng)容量的要求和污染，省略了供電系統(tǒng)中的無(wú)功補(bǔ)償電路和諧波濾波器安裝要求。