王桂英 嚴(yán)志全

唐山學(xué)院，河北唐山063000

摘要 本文主要介紹了拖動(dòng)電機(jī)用高壓變頻器研制過程中的一些關(guān)鍵技術(shù)問題，對(duì)于今后高壓變頻器發(fā)展具有一定幫助。

關(guān)鍵詞 高壓變頻器；拖動(dòng)；功率單元串聯(lián)；井聯(lián)同步均流

中圖分類號(hào)TN77 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A 文章編號(hào) 1674-6708（2012）61-0062-02

0 引言

變頻器是利用電力半導(dǎo)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(xiàn)代電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，高壓大功率變頻調(diào)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(lián)或單元串聯(lián)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(yè)廣泛應(yīng)用的泵類負(fù)載，占整個(gè)用電設(shè)備能耗的40%左右，電費(fèi)在自來水廠甚至占制水成本的50%。這是因?yàn)椋阂环矫?，設(shè)備在設(shè)計(jì)時(shí)，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(jī)輸出不同的流量。隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和自動(dòng)化，智能化程度的提高，采用高壓變頻器對(duì)泵類負(fù)載進(jìn)行速度控制，不但對(duì)改進(jìn)工藝、提高產(chǎn)品質(zhì)量有好處，又是節(jié)能和設(shè)備經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的要求，是可持續(xù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。對(duì)泵類負(fù)載進(jìn)行調(diào)速控制的好處甚多。從應(yīng)用實(shí)例看，大多已取得了較好的效果(有的節(jié)能高達(dá)30%～40%)，大幅度降低了自來水廠的制水成本，提高了自動(dòng)化程度，且有利于泵機(jī)和管網(wǎng)的降壓運(yùn)行，減少了滲漏、爆管，可延長設(shè)備使用壽命。

低壓變頻器已經(jīng)取得企業(yè)界的認(rèn)可，高壓變頻器市場(chǎng)正在啟動(dòng)，前景十分好。市場(chǎng)需求迅速增加。目前研制的用于風(fēng)機(jī)水泵高壓變頻器已有多臺(tái)正在正常運(yùn)轉(zhuǎn)，使用的是單元串聯(lián)多電平電壓源型變頻器，適用于風(fēng)機(jī)水泵，但不能用于傳送帶驅(qū)動(dòng)、礦石粉碎機(jī)、軋機(jī)、擠壓機(jī)、窯傳動(dòng)等重載啟動(dòng)的電機(jī)[1，2]。為了克服這種變頻器不能用于重載啟動(dòng)電機(jī)的缺陷，本文主要探討了拖動(dòng)電機(jī)用高壓變頻器相關(guān)技術(shù)問題。

1 方案選擇

主要技術(shù)指標(biāo)是：

10 000V，360kW，額定電流為26A，負(fù)載為窯傳動(dòng)，啟動(dòng)電流為150A。生產(chǎn)的用于風(fēng)機(jī)、水泵電機(jī)的高壓變頻器用的是功率單元串聯(lián)方案，效果很好，仍然選這種方案。其理由是：

1）輸出電平數(shù)多，因此輸出波形特別好，能適合普通異步電動(dòng)機(jī)，且不必降額使用；2）所需IGBT數(shù)量大。但對(duì)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(shù)大，對(duì)電網(wǎng)污染小，功率因數(shù)高；4）功率單元數(shù)量大，這是個(gè)缺點(diǎn)，但結(jié)構(gòu)完全一樣，可以互換，這對(duì)生產(chǎn)、調(diào)試、留備用件等都來了很大方便；5）技術(shù)已經(jīng)掌握，已有成功經(jīng)驗(yàn)，可靠性有保證。

2 技術(shù)重點(diǎn)

重載啟動(dòng)電機(jī)的啟動(dòng)電流在低壓啟動(dòng)時(shí)是正常運(yùn)行電流的6倍~10倍，如果用正常的方法制作，雖可正常啟動(dòng)，但正常運(yùn)行時(shí)設(shè)備會(huì)有很大的余量，是很大的浪費(fèi)。

我們采用的是串并轉(zhuǎn)換技術(shù)，在啟動(dòng)時(shí)短時(shí)用四管并聯(lián)．等電機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，立即切換為雙管并聯(lián)，直到一定轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)為全串聯(lián)，完成啟動(dòng)。

3 系統(tǒng)原理

功率單元串并聯(lián)結(jié)構(gòu)，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(guān)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(jié)構(gòu)

1）功率單元

線電壓10 000V，相電壓5 773V，每相由12個(gè)單元串聯(lián)，每個(gè)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(shè)計(jì)。

2）功率單元主電路

功率單元主電路結(jié)構(gòu)是典型的三相輸入單相輸出電路。

切換開關(guān)s4-s6的主電路中，其中可控硅為開關(guān)元件，可調(diào)電阻為大功率低阻值在線可調(diào)電阻模塊，用于在多管并聯(lián)時(shí)調(diào)節(jié)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(cè)傳感器，檢測(cè)到的電流值隔離后送到協(xié)調(diào)控制模塊，通過其中的高度單片機(jī)計(jì)算出電阻誤差值，快速平滑地調(diào)節(jié)各電阻模塊，達(dá)到均流的目的，據(jù)測(cè)量各功率單元電流的誤差可控制在15%以內(nèi)。

切換開關(guān)S2-S3的主電路是兩只雙向可控硅一端相聯(lián)的結(jié)構(gòu)。S1的主電路中還有一只可調(diào)電阻模塊。

3.2 控制系統(tǒng)

1）堆波技術(shù)采用功率單元串聯(lián)實(shí)現(xiàn)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(shù)。堆波方法控制實(shí)現(xiàn)較簡單，波形質(zhì)量也比較好，功率器件開關(guān)次數(shù)少，開關(guān)損耗小，但它存在兩個(gè)缺點(diǎn)：串聯(lián)的各單元承擔(dān)的功率不一致；變壓器各付邊繞組承擔(dān)的功率不一致。載波移相技術(shù)可以得到良好的輸出波形。它克服了堆渡方法的兩個(gè)缺點(diǎn)，但功率器件開關(guān)次數(shù)較堆波方法多，開關(guān)損耗比較大。

我們采用第一種方式，在主控制器上實(shí)現(xiàn)了各功率單元的選通信號(hào)定期輪換，串聯(lián)的各單元承擔(dān)的平均功率相等，隔離變壓器的各付邊繞組承擔(dān)的平均功率也都相等，各個(gè)單元的結(jié)構(gòu)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(diǎn)；

2）檢測(cè)到的開關(guān)信號(hào)隔離后傳到電流同步模塊，這四個(gè)模塊通過光纖通訊，相互協(xié)調(diào)，使四模塊的開通和關(guān)斷時(shí)間誤差控制在200ns以下，盡量使四模塊同時(shí)開通和關(guān)斷，達(dá)到同步的目的：這里關(guān)鍵是電流脈沖的上升和下降沿的檢測(cè)精度，以及解決好單片機(jī)的抗干擾問題；

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

4）啟動(dòng)完成后，可調(diào)電阻模塊、協(xié)調(diào)控制模塊、電流同步控制模塊及三個(gè)電流檢測(cè)傳感器在上位機(jī)的控制下退出工作。每相只留一個(gè)電流傳感器工作，用于對(duì)電機(jī)工作狀態(tài)的檢測(cè)控制。

4 結(jié)論

1）原理正確，結(jié)構(gòu)合理；

2）電流同步模塊單片機(jī)軟件運(yùn)行良好，功能基本齊全。電路設(shè)計(jì)合理，滿足了電流同步的要求；

3）可調(diào)電阻模塊電路設(shè)計(jì)巧妙，能及時(shí)調(diào)節(jié)阻值且調(diào)節(jié)平滑，很好地達(dá)到了均流的目的。

參考文獻(xiàn)

[1]張選正，倪芳國產(chǎn)3～10kV中高壓變頻器主電路現(xiàn)狀及改進(jìn)措施[J].電機(jī)與控制應(yīng)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(jī)工程學(xué)報(bào)，2003，23(9).