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        三電平變頻器預(yù)充電方法研究

        2022-01-04 01:41:30王自滿付寶鑫姜一達孫傳杰
        天津科技 2021年12期
        關(guān)鍵詞:變頻器

        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。

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