翟學(xué)鋒，徐 鋼，李辰龍，楊宏宇

(江蘇方天電力技術(shù)有限公司，江蘇南京 211102)

面對可再生資源消耗過大、能源短缺的局面，我國提出要建立資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會。高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)中由于使用了高壓變頻器，較之于不使用變頻器調(diào)速的場合，平均可節(jié)能約30%，因而在電力、石化、鋼鐵等工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[1]。

目前對高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)研究，主要集中在高壓變頻器（通常為6 kV、10 kV）自身的研究，而對于高壓變頻器與電機(jī)之間如何協(xié)調(diào)控制研究得不多[2，3]。高壓變頻器通常由若干個低壓變頻器串聯(lián)而成，因此對其控制比較復(fù)雜。交流電機(jī)調(diào)速的方法通常有恒壓頻比控制、矢量控制等。恒壓頻比控制結(jié)構(gòu)簡單、成本低、控制方便，廣泛應(yīng)用于各種生產(chǎn)場合。矢量控制雖然調(diào)速性能高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、控制復(fù)雜?？紤]到高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)絕大部分用于風(fēng)機(jī)和水泵，而風(fēng)機(jī)、水泵對調(diào)速性能的要求不是太高，因此本文采用恒壓頻比控制方法[4，5]。在所有高壓變頻器種類當(dāng)中，級聯(lián)型移相式高壓變頻器由于串聯(lián)了若干個低壓功率單元來實現(xiàn)高壓輸出，對電網(wǎng)諧波污染較小，輸出電壓和電流的諧波含量低，輸入功率因數(shù)較高，且不必采用諧波濾波器和功率因數(shù)變換器，在實際中應(yīng)用廣泛[6-9]。

1 級聯(lián)型多電平高壓變頻器結(jié)構(gòu)

級聯(lián)型多電平高壓變頻器是將若干個模塊化低壓功率單元串聯(lián)，以實現(xiàn)高電壓輸出。5 級功率單元串聯(lián)的變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1（a）所示。系統(tǒng)由多重化移相式變壓器、級聯(lián)型功率單元以及高壓電動機(jī)3個部分組成。其中多重化移相式變壓器可以提高系統(tǒng)整流的脈動次數(shù)，減少電網(wǎng)的諧波污染。以5 級功率單元串聯(lián)為例，多重化移相變壓器的一次側(cè)直接與6 kV 電網(wǎng)相連，其二次側(cè)共有5 組15 路，其中A1，B1，C1為一組三相繞組，每組的A，B，C 三相之間保持120°的相角關(guān)系，而組與組之間相位角不同，以（+24°，+12°，0°，-12°，-24°）的移相角構(gòu)成了五重移相變壓器，這樣整個變頻器系統(tǒng)就相當(dāng)于30 脈波整流，理論上電網(wǎng)側(cè)的輸入電流中不含有29 次以下諧波，這樣對電網(wǎng)的諧波污染非常小，不必另外設(shè)置輸入濾波器進(jìn)行濾波。單個功率單元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1（b）所示。它由三相整流橋、濾波電容和H 逆變橋3 部分構(gòu)成。多個功率單元輸出電壓疊加形成每相輸出相電壓。以6 kV 線電壓輸出為例，相電壓的大小為3450 V，5 級單元串聯(lián)時每個功率單元輸出電壓為690 V，可以采用普通的低壓IGBT 器件。

圖1 級聯(lián)型變頻器及功率單元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 異步電機(jī)的恒壓頻比控制

假設(shè)三相異步電動機(jī)三相繞組對稱，空間互差電角度，所產(chǎn)生的磁動勢沿氣隙圓周正弦分布，繞組的自感和互感都是線性的，那么異步電動機(jī)的三相定子電壓方程為：

當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速較大時，定子繞組壓降可以忽略，則式（1）近似為：

即：

式（1—3）中：U，Ψ 分別為U˙和Ψ˙的模，則：

恒壓頻比控制就是保持U/f為常數(shù)，那么磁鏈Ψ也為一常數(shù)，從而使交流電機(jī)得到類似于直流電機(jī)的性能。異步電動機(jī)恒壓頻比變頻調(diào)速系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)如圖2 所示，系統(tǒng)由升降速時間設(shè)定、U/f 曲線、正弦波脈沖寬度（SPWM）調(diào)制和驅(qū)動等環(huán)節(jié)組成。其中升降速時間設(shè)定用來限制電動機(jī)的升頻速度，避免轉(zhuǎn)速上升過快而造成電流和轉(zhuǎn)矩的沖擊，相當(dāng)于軟起動控制的作用。U/f 曲線用于根據(jù)頻率確定相應(yīng)的電壓，以保持壓頻比不變（U/f=常數(shù)），并在低頻時進(jìn)行適當(dāng)?shù)碾妷貉a(bǔ)償。SPWM 和驅(qū)動環(huán)節(jié)將根據(jù)頻率和電壓要求產(chǎn)生按正弦脈寬調(diào)制的驅(qū)動信號，并控制逆變器，以實現(xiàn)電動機(jī)的變壓變頻調(diào)速。

圖2 恒壓頻比變頻調(diào)速系統(tǒng)原理圖

3 仿真結(jié)果及分析

3.1 6 kV 高壓變頻器仿真

基于Matlab/Simulink 對6 kV 高壓變頻器進(jìn)行仿真研究。首先對單個功率單元進(jìn)行建模與仿真，如圖3所示。圖3 中有三相交流電源、整流橋、直流濾波環(huán)節(jié)、逆變器和脈沖信號等模塊。其中脈沖信號采用載波移相SPWM 技術(shù)，由2個反相的正弦波與同一個三角載波比較產(chǎn)生。仿真參數(shù)：電源線電壓690 V，頻率50 Hz，電源內(nèi)阻Rs=0.91 Ω，電感Ls=0.002 9 H，直流濾波電容C=3000 μF。

在對單個功率單元進(jìn)行仿真后，由5個功率單元級聯(lián)形成高壓變頻器的一相（如A 相），同理可得到B相、C 相。高壓變頻器不帶負(fù)載時輸出的相電壓和三相線電壓波形如圖4、圖5 所示。

圖3 單個功率單元仿真模型

圖4 高壓變頻器一相電壓波形

圖5 三相變頻器線電壓波形圖

由圖4、圖5 可以看出，高壓變頻器一相輸出電壓有11個階梯波，波形接近正弦波；而三相變頻器線電壓有21個階梯波，比相電壓的波形更接近于正弦波，因此諧波分量非常低。

3.2 控制系統(tǒng)仿真及分析

對6 kV 載波移相高壓變頻調(diào)速控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真試驗研究。變頻器參數(shù)同上。電機(jī)參數(shù)：額定功率Pe=500 kW，額定轉(zhuǎn)速n=1450 r/min，額定電壓Ue=6000 V，定子電阻Rs=2 Ω，定子漏抗Lls=0.022 29 H，轉(zhuǎn)子電阻Rr=1.9 Ω，轉(zhuǎn)子漏抗Llr=0.015 92 H，定、轉(zhuǎn)子互感Lm=0.748 4 H，轉(zhuǎn)動慣量J=48 kg·m2，極對數(shù)p=2。

高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)恒壓頻比控制系統(tǒng)Matlab 仿真圖如圖6 所示。其中SPWM為正弦波脈沖寬度調(diào)制，三相共15 路脈沖波形，作為逆變器的輸入信號。讓電機(jī)帶負(fù)載(1000 N·m)運行，電壓變化上升、定子電流和電磁轉(zhuǎn)矩波形如圖7—9 所示。

從圖7—9 可以看出，在啟動過程中，變頻器的輸出電壓隨頻率的升高而上升，到3 s 左右達(dá)到穩(wěn)定。啟動定子電流大小約為140 A，啟動轉(zhuǎn)矩比較大。

圖6 高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)恒壓頻比控制系統(tǒng)Matlab 仿真圖

圖7 變頻器電壓變化過程波形圖

圖8 定子電流波形

圖9 電機(jī)帶負(fù)載時轉(zhuǎn)矩波形

為了驗證高壓電機(jī)帶變頻器運行的優(yōu)越性，將帶變頻器的恒壓頻比高壓電機(jī)控制系統(tǒng)與高壓異步電機(jī)直接啟動控制系統(tǒng)作對比。高壓電機(jī)直接啟動時的定子電流和轉(zhuǎn)矩波形如圖10、圖11 所示。

圖10 電機(jī)直接啟動定子電流波形

圖11 電機(jī)直接啟動轉(zhuǎn)矩波形

比較圖10、圖11 可以看出，無論是定子電流還是電磁轉(zhuǎn)矩，直接啟動時都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于帶變頻器啟動。變頻啟動過程平穩(wěn)，對電網(wǎng)的沖擊小。因此本文針對6 kV高壓變頻器所采用恒壓頻比控制方法完全可行，具有很好的控制效果。

4 結(jié)束語

通過對6 kV 載波移相式SPWM 調(diào)制高壓變頻器基本結(jié)構(gòu)、原理的分析進(jìn)行仿真研究，得到近似為正弦波的輸出電壓波形，諧波分量低。在此基礎(chǔ)上，基于異步電機(jī)恒壓頻比控制的理論，對6 kV 載波移相高壓變頻系統(tǒng)進(jìn)行控制。研究表明：與高壓異步電機(jī)直接啟動相比，基于恒壓頻比控制的級聯(lián)型高壓變頻系統(tǒng)啟動電流小、轉(zhuǎn)矩脈動小、對電網(wǎng)沖擊小，則啟動性能更好。

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