三電平變頻器預(yù)充電方法研究

王自滿，張 策，付寶鑫，姜一達(dá)，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(fēng)機(jī)、泵類傳動(dòng)，對(duì)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(jī)、機(jī)車牽引、艦船驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域的主傳動(dòng)，對(duì)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(jì)算機(jī)、控制、通訊、機(jī)械、熱能等多個(gè)專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域，研發(fā)技術(shù)門檻高、投資大。以軋機(jī)主傳動(dòng)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(jī)主傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)電網(wǎng)側(cè)能量雙向流動(dòng)，作為單電機(jī)或多電機(jī)驅(qū)動(dòng)器使用。在多電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中，公共直流母線可以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)側(cè)和電機(jī)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(duì)電網(wǎng)或者負(fù)載的突變起到緩沖作用，抑制整流后直流電壓的波動(dòng)，并實(shí)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(yùn)行前，需對(duì)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(duì)大功率高性能三電平交直交變頻器，詳細(xì)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(shí)用性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

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(dāng)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(duì)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(duì)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(diǎn)，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(duì)于大功率變頻器而言，可采用單獨(dú)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(duì)正負(fù)直流母線充電，當(dāng)上下組直流母線電容參數(shù)不一致時(shí)，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(duì)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(shí)由于直流母線中點(diǎn)受變壓器C相輸出端箝位，當(dāng)上下組直流母線電容參數(shù)不一致時(shí)，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(shí)，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(jì)時(shí)，既要保證預(yù)充電時(shí)間需求，又要選擇合適的參數(shù)，使充電時(shí)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(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，經(jīng)現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)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(shí)，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(gè)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(shí) 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(shí) 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(shí) 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(shí) 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(yán)格按照時(shí)序進(jìn)行控制。當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)機(jī)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(hào)，直流電壓未達(dá)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(dāng)直流電壓達(dá)到設(shè)定門檻值，狀態(tài)機(jī)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(shí)時(shí)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(shí)和短路故障。一旦檢測到充電故障，狀態(tài)機(jī)將快速跳轉(zhuǎn)到故障狀態(tài)，同時(shí)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(dòng)。

3 現(xiàn)場應(yīng)用驗(yàn)證

工業(yè)現(xiàn)場，由中壓三電平變頻器組成的主傳動(dòng)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(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)圖Fig.5 Main drive system diagram of cold rolling mill

系統(tǒng)調(diào)試時(shí)進(jìn)行預(yù)充電合閘測試，測量預(yù)充電合閘時(shí)充電峰值電流和預(yù)充電時(shí)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(shí)，網(wǎng)側(cè)預(yù)充電電流達(dá)到峰值，隨著預(yù)充電進(jìn)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(dá)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(shí)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(yùn)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(shí)用性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。工業(yè)現(xiàn)場試驗(yàn)表明，預(yù)充電時(shí)間和充電電流均在合理范圍內(nèi)，驗(yàn)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(yùn)行的安全性和系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。