王自滿，張 策，付寶鑫，姜一達，孫傳杰

（天津電氣科學(xué)研究院有限公司 天津 300180）

大功率中壓變頻調(diào)速系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于冶金、礦山、電力、交通、國防、石油、煤炭、化工、輕工等眾多領(lǐng)域，節(jié)能降耗和保證工藝性能效果顯著，是非常重要的工業(yè)裝備。根據(jù)應(yīng)用場合，大功率中壓變頻器可以分為2類：一類用于風機、泵類傳動，對調(diào)速性能要求不高，無能量回饋需求，稱為通用中壓變頻器；另一類用于冶金軋機、機車牽引、艦船驅(qū)動等領(lǐng)域的主傳動，對調(diào)速性能要求很高[1-2]，稱為高性能中壓變頻器。高性能中壓變頻器涉及電力電子、計算機、控制、通訊、機械、熱能等多個專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域，研發(fā)技術(shù)門檻高、投資大。以軋機主傳動系統(tǒng)為例，目前主要有交交變頻和交直交變頻2種方案，其中電壓源型三電平交直交變頻系統(tǒng)能有效克服交交變頻系統(tǒng)諧波大、最高頻率低等不足，已逐漸成為大型軋機主傳動驅(qū)動設(shè)備的首選方案[3]。

大功率中壓三電平變頻器采用水冷散熱，可以實現(xiàn)電網(wǎng)側(cè)能量雙向流動，作為單電機或多電機驅(qū)動器使用。在多電機驅(qū)動應(yīng)用中，公共直流母線可以實現(xiàn)電網(wǎng)側(cè)和電機的能量交換，降低用戶的投入成本。直流電容環(huán)節(jié)位于整流電路和逆變電路中間，對電網(wǎng)或者負載的突變起到緩沖作用，抑制整流后直流電壓的波動，并實現(xiàn)整流電路和逆變電路的解耦。

大功率中壓三電平變頻器合閘投入運行前，需對中間環(huán)節(jié)的直流電容預(yù)充電，否則主回路合閘產(chǎn)生的浪涌沖擊電流將損壞直流電容[4]。本文分析了變頻器常用的預(yù)充電方法，針對大功率高性能三電平交直交變頻器，詳細介紹了一種預(yù)充電電路和充電邏輯，該預(yù)充電方法具有結(jié)構(gòu)簡單、實用性強的優(yōu)點。

1 預(yù)充電方法

交直交變頻器投入前，濾波電路中的直流母線電容電壓為0V，在合閘的瞬間，電容電壓不能突變，整流電路輸出端相當于短路，將產(chǎn)生很大的浪涌沖擊電流，可能損壞母線電容。為了規(guī)避該情況的發(fā)生，合閘前需對變頻器中的電容預(yù)充電。

圖1 是小功率變頻器常用的預(yù)充電電路。該預(yù)充電電路結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，充電電流被限制在交流側(cè)。但是對大功率中壓三電平變頻器而言，該電路存在預(yù)充電回路接觸器成本高、預(yù)充電電阻阻值大、功耗高的缺點，故該電路并不適用于三電平變頻器。

圖1 小功率變頻器預(yù)充電電路Fig.1 Pre-charging circuit of low-power inverter

對于大功率變頻器而言，可采用單獨的二極管充電回路。如圖2所示，預(yù)充電電路由預(yù)充電接觸器、預(yù)充電變壓器、二極管整流橋和預(yù)充電電阻組成。預(yù)充電回路接觸器可以選擇成本較低的低壓接觸器。大功率中壓三電平變頻器的直流電容環(huán)節(jié)由上組和下組電容組成，但由于該充電電路是直接對正負直流母線充電，當上下組直流母線電容參數(shù)不一致時，可能導(dǎo)致上下組直流母線電壓不均衡，從而影響系統(tǒng)正常工作。

圖2 大功率變頻器預(yù)充電回路Fig2 Pre-charging circuit of high-power inverter

2 三電平變頻器預(yù)充電方案

2.1 三電平交直交變頻器預(yù)充電電路

研究采用的基本預(yù)充電單元由三相低壓斷路器、三相低壓接觸器、三相升壓變壓器、單相二極管整流橋和限流電阻組成，如圖3所示。與小功率預(yù)充電方法1相比，該基本預(yù)充電單元可選用低壓斷路器和接觸器，成本較低，預(yù)充電電路直接與直流母線電容相連，避免對開關(guān)器件的沖擊電流，提高三電平變頻器工作的可靠性。與大功率變頻器預(yù)充電方法2相比，三相升壓變壓器變比小，同時由于直流母線中點受變壓器C相輸出端箝位，當上下組直流母線電容參數(shù)不一致時，上下組電容充電電壓差異較小，能保證系統(tǒng)正常穩(wěn)定工作。

圖3 基本預(yù)充電單元Fig.3 Basic pre-charging unit

直流母線容量較大時，可采用多套基本預(yù)充電單元并聯(lián)的方案。該充電電路中預(yù)充電變壓器、二極管和限流電阻在選型設(shè)計時，既要保證預(yù)充電時間需求，又要選擇合適的參數(shù)，使充電時的沖擊電流在二極管耐受范圍內(nèi)。預(yù)充電電路應(yīng)用于可逆冷軋機主傳動系統(tǒng)時，經(jīng)現(xiàn)場實際運行表明，該電路滿足系統(tǒng)預(yù)充電的需求。

2.2 基本預(yù)充電單元工作原理

預(yù)充電單元采用交流充電方式，開始預(yù)充電時，預(yù)充電變壓器的短路阻抗和限流電阻抑制了合閘瞬間的浪涌沖擊。隨著直流母線電容電壓增加，充電電流逐漸減小直至完成充電。在一個充電周期內(nèi)，變壓器高壓側(cè)電壓和電流、流經(jīng)二極管的電流和上下組直流母線電容充電電流如圖4所示。bcU 和caU 分別是變壓器副邊線電壓，aI、bI和cI分別是變壓器副邊線電流，1dI、2dI 、3dI 和4dI 分別是流過二極管D1～D4的電流，PI和NI分別是上組和下組電容充電電流。

圖4 預(yù)充電單元工作過程Fig4 Working process of pre-charging unit

T0～T1時 刻：Uca＜ 0，Ubc＜ 0 ，即 Ua＞ Uc，Uc＞ Ub，A相電壓通過二極管D1和限流電阻R1給上組直流母線電容充電，B相電壓通過二極管D4和限流電阻R2給下組直流母線電容充電。

T1～T2時 刻：Uca＜ 0，Ubc＞ 0 ，即 Ua＞ Uc，Ub＞ Uc，A相電壓通過二極管D1和限流電阻R1給上組直流母線電容充電，B相電壓通過二極管D3和限流電阻R1給上組直流母線電容充電。

T2～T3時 刻：Uca＞ 0，Ubc＞ 0 ，即 Uc＞ Ua，Ub＞ Uc，A相電壓通過二極管D2和限流電阻R2給下組直流母線電容充電，B相電壓通過二極管D3和限流電阻R1給上組直流母線電容充電。

T3～T4時 刻：Uca＞ 0，Ubc＜ 0 ，即 Uc＞ Ua，Uc＞ Ub，A相電壓通過二極管D2和限流電阻R2給下組直流母線電容充電，B相電壓通過二極管D4和限流電阻R2給下組直流母線電容充電。

2.3 預(yù)充電控制邏輯

為了保證預(yù)充電回路的安全，主開關(guān)和預(yù)充電接觸器要嚴格按照時序進行控制。當系統(tǒng)狀態(tài)機跳轉(zhuǎn)到預(yù)充電狀態(tài)，系統(tǒng)無放電和接地的命令及反饋狀態(tài)信號，直流電壓未達到設(shè)定的門檻值，預(yù)充電接觸器閉合，系統(tǒng)開始預(yù)充電；當直流電壓達到設(shè)定門檻值，狀態(tài)機跳轉(zhuǎn)到閉合主開關(guān)狀態(tài)，主開關(guān)方能允許合閘。

在預(yù)充電期間，控制系統(tǒng)將實時監(jiān)控上組和下組直流母線電壓，判斷是否出現(xiàn)預(yù)充電超時和短路故障。一旦檢測到充電故障，狀態(tài)機將快速跳轉(zhuǎn)到故障狀態(tài)，同時預(yù)充電接觸器斷開。待故障排除且復(fù)位后，系統(tǒng)才能再次啟動。

3 現(xiàn)場應(yīng)用驗證

工業(yè)現(xiàn)場，由中壓三電平變頻器組成的主傳動系統(tǒng)如圖5所示。預(yù)充電環(huán)節(jié)位于整流單元內(nèi)。

圖5 冷軋機主傳動系統(tǒng)圖Fig.5 Main drive system diagram of cold rolling mill

系統(tǒng)調(diào)試時進行預(yù)充電合閘測試，測量預(yù)充電合閘時充電峰值電流和預(yù)充電時間。圖6和圖7中CH1表示網(wǎng)側(cè)預(yù)充電電流；CH2和CH3分別表示上組直流母線電壓和下組直流母線電壓。從圖中可以看出開始預(yù)充電時，網(wǎng)側(cè)預(yù)充電電流達到峰值，隨著預(yù)充電進行，充電電流逐漸減小，直流電壓逐漸上升，12s左右直流母線電容電壓達到預(yù)充電門檻值，預(yù)充電完成。結(jié)果表明，預(yù)充電電路的充電電流和充電時間完全滿足三電平變頻器的預(yù)充電需求。

圖6 預(yù)充電過程Fig.6 Pre-charging process

圖7 初始充電電流Fig.7 Initial charging current

4 結(jié)論

大功率變頻器預(yù)充電電路的可靠工作影響到變頻器的正常運行。本研究采用的中壓三電平變頻器預(yù)充電電路具有結(jié)構(gòu)簡單、實用性強的優(yōu)點。工業(yè)現(xiàn)場試驗表明，預(yù)充電時間和充電電流均在合理范圍內(nèi)，驗證了預(yù)充電方法的可行性和可靠性，有效地保障了直流母線電容運行的安全性和系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。