多重電壓型高壓變頻在同步機(jī)調(diào)速上的研究

李超鋒，劉惠康

（武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢430081）

1 引言

隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，一些生產(chǎn)機(jī)械所要求的功率越來(lái)越大，如空氣壓縮機(jī)、球磨機(jī)、送風(fēng)機(jī)等，這些設(shè)備所要求的功率達(dá)到數(shù)百甚至上千千瓦，此時(shí)采用同步電機(jī)將更有優(yōu)勢(shì)。相對(duì)于異步電機(jī)，同步電機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：①可以通過(guò)控制勵(lì)磁調(diào)節(jié)其功率因數(shù)，功率因數(shù)通常接近1.0甚至超前，在一個(gè)工廠中只需少數(shù)幾臺(tái)大容量同步電機(jī)，就能改善電網(wǎng)的功率因數(shù)；②轉(zhuǎn)速與電源頻率嚴(yán)格保持同步，只要電源頻率保持恒定，同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速就絕對(duì)不變，運(yùn)行轉(zhuǎn)速穩(wěn)定；③其力矩與電網(wǎng)電壓成正比，對(duì)電網(wǎng)波動(dòng)的抗擾動(dòng)能力強(qiáng)于異步電機(jī)。

交流同步電機(jī)大多數(shù)為大容量高壓電機(jī)，由于其自身物理過(guò)程復(fù)雜，需要?jiǎng)?lì)磁系統(tǒng)配合，在調(diào)速時(shí)需要解決失步問(wèn)題，所以同步電機(jī)控制難度高，同步機(jī)調(diào)速一直是電氣驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域的一大難題。將多重電壓型高壓變頻應(yīng)用于同步電動(dòng)機(jī)將有效地提高同步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的可靠性，擴(kuò)大同步電機(jī)的調(diào)速范圍，提高節(jié)能改造帶來(lái)的效益。

2 多重電壓型高壓變頻系統(tǒng)

圖1 原理示意圖

如圖1所示為多重電壓型高壓變頻系統(tǒng)的工作原理圖，以每相8個(gè)功率單元為例，每個(gè)功率模塊可以產(chǎn)生0至±540V的電壓輸出，通過(guò)串聯(lián)方式為可以每相提供0至±4320V的相電壓，通過(guò)波形連續(xù)變換方法或其他全電壓PWM技術(shù)，可以在線間輸出0至±8640V的電壓。

多重電壓型高壓變頻系統(tǒng)的主電路如圖2所示，三項(xiàng)高壓電接入移相變壓器一次側(cè)，在二次側(cè)轉(zhuǎn)換為24個(gè)低壓交流電分別輸出給24個(gè)功率單元模塊，功率單元通過(guò)整流和逆變，可以輸出正電壓、零電壓和負(fù)電壓3種狀態(tài)。將每一相相鄰的兩個(gè)功率單元輸出端順次相連，從而構(gòu)成串聯(lián)疊加的方式，控制各個(gè)功率單元模塊的輸出電壓，即控制每個(gè)功率單元模塊輸出電壓為正電壓、負(fù)電壓、零電壓以及各個(gè)電壓輸出時(shí)間的長(zhǎng)短，經(jīng)疊加后可以得到接近正弦波的多階梯波，為了減小輸出諧波，對(duì)功率單元的逆變橋采取PWM控制，其輸出相電壓的波形進(jìn)一步逼近正弦波。

圖2 主電路結(jié)構(gòu)圖

功率單元模塊原理如圖3所示，三相低壓交流電通過(guò)整流電路整流后變?yōu)槊}動(dòng)直流電，經(jīng)過(guò)電容器組濾波器后變?yōu)橹绷麟娝偷絾蜗嗄孀儤蚴诫娐分?，此逆變電路?只IGBT組成H橋結(jié)構(gòu)，控制4個(gè)IGBT的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，可以在逆變橋的輸出端得到零電壓、正電壓和負(fù)電壓。此功率單元模塊在整流部分采用IGBT和續(xù)流二極管組成整流橋，當(dāng)同步機(jī)工作在第四象限時(shí)，回饋電流可以通過(guò)可逆整流橋回饋電網(wǎng)，真正實(shí)現(xiàn)電能的回收利用。假設(shè)每個(gè)功率單元將單元的輸入電壓均為400V，經(jīng)過(guò)整流濾波后，中間的直流電壓為566V，將逆變橋的4只 IGBT 分為兩組，其中 VI1、VI2互鎖，VI3、VI4互鎖，即 VI1、VI2不能同時(shí)導(dǎo)通，VI3、VI4不能同時(shí)導(dǎo)通。當(dāng)VI1和VI4導(dǎo)通時(shí)，在輸出端輸出電壓為+566V,當(dāng)VI2和VI3導(dǎo)通時(shí)，在輸出端輸出電壓為-566V，當(dāng)VI1和VI3導(dǎo)通時(shí)，在輸出端輸出電壓為0V，此時(shí)由于每個(gè)IGBT均并聯(lián)續(xù)流二極管，正反向電流均可以自由流通，相當(dāng)于U1、U2兩個(gè)輸出端短路。

圖3 功率單元模塊原理圖

為了減小系統(tǒng)的輸入輸出諧波，多重電壓型高壓變頻系統(tǒng)采用輸入多重化技術(shù)，即在移相變壓器采用變壓器延邊三角形移相技術(shù)，使在二次側(cè)使二次線電壓超前或落后一次線電壓任意角度，以便實(shí)現(xiàn)多脈沖的整流。例如本例中移相變壓器二次側(cè)共有24組繞組，如果將每一層的單元所對(duì)應(yīng)的變壓器二次繞組采用相似的連接，即結(jié)成同一個(gè)相位角，則可以將24個(gè)繞組分為8個(gè)大組，每組之間相位差為60/8＝7.5°。上述接法是將三個(gè)功率單元作為一組，組間相差7.5°，從而構(gòu)成8組移相的48脈沖多重化整流方式。此方式中，一次側(cè)中的電流諧波為48k±1次，即一次側(cè)電流中最低次諧波為47次，可見(jiàn)采用輸入多重化整流技術(shù)可以使輸入電流諧波急劇減小，對(duì)電網(wǎng)基本上沒(méi)有干擾。當(dāng)采用載波移相SPWM控制時(shí)，系統(tǒng)的輸出電壓中的最低次諧波為qN-1次，其中q為功率單元疊加數(shù)目，N為功率單元載波比，可以看出，采用q單元疊加式時(shí)，輸出電壓中不存在低次諧波。

綜上所述，多重電壓型高壓變頻技術(shù)對(duì)于高壓變頻而言有著明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，主要有以下優(yōu)點(diǎn)：移相變壓器采用多重化設(shè)計(jì)，大大降低輸入電流諧波，減小了對(duì)電網(wǎng)的諧波干擾；逆變器采用多電平SPWM技術(shù)，輸出電壓波形非常逼近正弦波，不存在低次諧波；實(shí)現(xiàn)同步電機(jī)四象限運(yùn)行；可以在高頻運(yùn)行，提高了調(diào)速范圍；輸出du/dt很小，電機(jī)絕緣不受影響。

3 同步電機(jī)變頻起動(dòng)

同步電機(jī)的起動(dòng)問(wèn)題是同步電機(jī)投入運(yùn)行所要面對(duì)的首要問(wèn)題，由同步電機(jī)的原理可知，同步電機(jī)不能進(jìn)行自起動(dòng)，需要另加起動(dòng)繞組。同步電機(jī)與普通異步電機(jī)運(yùn)行上主要的區(qū)別是異步電機(jī)在運(yùn)行時(shí)，電樞電壓矢量與轉(zhuǎn)子磁極位置之間的夾角是任意的，而同步電機(jī)在運(yùn)行時(shí)，電樞電壓矢量與轉(zhuǎn)子磁極位置之間的夾角θ必須在某一范圍之內(nèi)，否則將導(dǎo)致系統(tǒng)失步，因此同步電機(jī)變頻調(diào)速時(shí)必須時(shí)刻控制這一夾角在允許的范圍內(nèi)變動(dòng)。

同步電機(jī)變頻起動(dòng)時(shí)，定子由多重電壓高壓變頻系統(tǒng)供電，由定子頻率控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。對(duì)于同步機(jī)起動(dòng)，可以采用矢量控制理論，將定子電流分解為規(guī)定的磁場(chǎng)電流和轉(zhuǎn)矩電流，分別進(jìn)行控制，同時(shí)將兩者合成的定子電流供給電機(jī)，將同步電機(jī)等效為直流電機(jī)進(jìn)行控制，同時(shí)忽略凸極式同步電機(jī)磁軸不對(duì)稱，轉(zhuǎn)子阻尼繞組和磁化曲線的非線性等次要因素的影響。同步電機(jī)的變頻起動(dòng)方式有兩種：即異步起動(dòng)和同步起動(dòng)。

目前應(yīng)用較多的起動(dòng)方法是同步起動(dòng)，同步起動(dòng)就是先向勵(lì)磁繞組中加入直流勵(lì)磁電流，然后高壓變頻起動(dòng)。同步電機(jī)同步起動(dòng)過(guò)程可以分為整步過(guò)程和加速過(guò)程：①向勵(lì)磁繞組中通入直流電，在勵(lì)磁繞組上建立一定磁場(chǎng)；通過(guò)多重電壓型高壓變頻裝置向定子上施加一定電壓，從而在定子上產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子在定子磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的作用下開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子磁極逐漸向電子磁極的異性端靠近。變頻裝置按照電機(jī)運(yùn)行的正方向，旋轉(zhuǎn)在定子上的電壓矢量，隨著同步電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)和定子磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子磁極將在某一時(shí)刻接觸定子的異性磁極。此時(shí)，轉(zhuǎn)子磁極被定子磁極吸引，兩者經(jīng)過(guò)阻尼震蕩后，穩(wěn)定于一個(gè)較小的角度，同步電機(jī)整步過(guò)程完成。②當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極被定子磁極可靠吸引之后，起動(dòng)過(guò)程進(jìn)入到加速階段。在此階段，根據(jù)換相方式不同可以分為電流斷續(xù)法換相和自然換相兩個(gè)階段。在起動(dòng)初期和低速運(yùn)行時(shí)，變頻系統(tǒng)輸出頻率很低，同步電機(jī)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)不足以關(guān)斷逆變部分的晶閘管，此時(shí)晶閘管需要換相時(shí)需要采用電流斷續(xù)法進(jìn)行換相。隨著變頻系統(tǒng)輸出頻率的增加，同步電機(jī)可以產(chǎn)生足夠大的反電動(dòng)勢(shì)關(guān)斷晶閘管進(jìn)行換相，進(jìn)入自然換相階段，變頻裝置輸出頻率逐漸增加到給定頻率，θ角逐漸增大到一個(gè)固定值，然后電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極逐漸加速至期望轉(zhuǎn)速，同步電機(jī)起動(dòng)過(guò)程完成，其起動(dòng)過(guò)程如圖4所示。通過(guò)在除塵風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)，當(dāng)變頻裝置起動(dòng)到8-10HZ時(shí)，系統(tǒng)中會(huì)產(chǎn)生2.5-3倍的過(guò)電流，如果不采取措施將會(huì)擊穿變頻裝置中的IGBT。為了防止這種情況的發(fā)生，在對(duì)變頻裝置的IGBT進(jìn)行選型時(shí)，要選擇留有一定裕量，充分利用IGBT的1.5倍過(guò)載能力配合變頻器的保護(hù)功能，使變頻裝置在一分鐘內(nèi)能夠承受3倍的過(guò)載電流，從而順利完成同步電機(jī)的起動(dòng)。

圖4 起動(dòng)過(guò)程

對(duì)于以上的同步起動(dòng)，如果電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置判斷錯(cuò)誤，就會(huì)導(dǎo)致起動(dòng)失敗。對(duì)于同步電機(jī)的變頻起動(dòng)還可以采用異步起動(dòng)，即先由變頻系統(tǒng)對(duì)同步電機(jī)進(jìn)行異步起動(dòng)，達(dá)到額定起動(dòng)轉(zhuǎn)矩后，進(jìn)行順極性投勵(lì)。在起動(dòng)過(guò)程中，變頻裝置對(duì)同步電機(jī)進(jìn)行軟起動(dòng)，當(dāng)起動(dòng)至8-10Hz時(shí)，對(duì)同步電機(jī)進(jìn)行順極性投勵(lì)，同步電機(jī)的定子磁極和轉(zhuǎn)子磁極經(jīng)過(guò)少量的阻尼振蕩后穩(wěn)定在一個(gè)比較小的角度，此時(shí)同步電機(jī)的定子磁極將轉(zhuǎn)子磁極可靠吸引，同步電機(jī)進(jìn)入同步狀態(tài)。此后，變頻裝置按照設(shè)定的加速時(shí)間，逐漸將頻率增加至給定值。于此同時(shí)，同步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極位置與電樞電壓矢量之間的夾角逐漸拉大到某一常值，電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極在定子磁場(chǎng)的吸引下逐漸加速至期望轉(zhuǎn)速，同步電機(jī)起動(dòng)過(guò)程完成，此過(guò)程與同步起動(dòng)過(guò)程類似。

4 勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)

當(dāng)電機(jī)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，多重電壓型高壓變頻裝置為同步電機(jī)提供多電平PWM波形相電壓，十分逼近正弦波，同時(shí)大大降低了輸入電流諧波，可以完全等效于一個(gè)交流電源。由同步電機(jī)原理分析可知，同步電機(jī)的勵(lì)磁電流，就可以改變功率因數(shù)?？梢酝ㄟ^(guò)雙閉環(huán)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁電流和功率因數(shù)的調(diào)節(jié)，對(duì)定子電壓電流進(jìn)行反饋，作為外環(huán)反饋，對(duì)勵(lì)磁電流進(jìn)行采樣，作為內(nèi)環(huán)反饋。其具體過(guò)程如下，通過(guò)對(duì)定子電壓和電流的計(jì)算，得出實(shí)際的功率因數(shù)，輸出與其對(duì)應(yīng)的電壓值，然后于給定電壓值進(jìn)行比較，得出差值，通過(guò)PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行計(jì)算，其輸出值作為勵(lì)磁電流的給定值。在內(nèi)環(huán)，通過(guò)采樣得到勵(lì)磁電流的實(shí)際值，與給定值進(jìn)行比較，其差值送入PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行計(jì)算，其輸出值控制整流裝置的觸發(fā)脈沖移相控制信號(hào)，從而改變勵(lì)磁電流的大小。其示原理如圖5所示。

圖5 勵(lì)磁電流控制框圖

5 結(jié)束語(yǔ)

多重電壓型高壓變頻系統(tǒng)大大降低輸入電流諧波，減小了對(duì)電網(wǎng)的諧波干擾，輸出電壓波形非常逼近正弦波，實(shí)現(xiàn)同步電機(jī)四象限運(yùn)行，不存在交-交變頻中存在輸出頻率范圍小、輸入輸出諧波大、功率因數(shù)低等缺點(diǎn)。多重電壓型高壓變頻應(yīng)用于同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)將有效地提高同步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的可靠性，擴(kuò)大同步電機(jī)的調(diào)速范圍，并且擴(kuò)大了多重電壓型高壓變頻的應(yīng)用領(lǐng)域。目前多重電壓高壓變頻系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于某煉鐵廠高爐除塵風(fēng)機(jī)，取得良好的調(diào)速效果和節(jié)能效益。

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