變頻器軟充電單元設置與否的計算分析

張鐵軍

(株洲變流技術國家工程研究中心有限公司，湖南株洲 412001)

0 引言

變頻器常采用三相橋式二極管整流器，連同直流母線支撐電容構成變頻器的直流環節。為了限制系統上電時過大的充電電流對直流側電容的沖擊，往往在變頻器交流側或直流側設置軟充電電路。隨著自愈式膜電容的成熟和廣泛應用，充電電流對直流側電容影響不再是問題。因此，從降低成本、減小損耗及優化結構的角度考慮，可以取消變頻器內部的軟充電電路，但取消軟充電電路后，系統上電時，母線電壓很可能會由于交流側等效電感的存在而升高到危險的等級，威脅主回路功率器件的安全。

圖1是一臺1.14 kV 380 kVA變頻器一次系統原理圖，虛線框中是典型的軟充電電路。變頻器前級供電變壓器規格為6 kV/1.14 kV/600 kVA，阻抗電壓 Δuk=4%，等效電阻 RT=12 mΩ。為改善網側功率因數，交流側串入了電抗器，其電感值為80 μH，等效電阻為35 mΩ。圖2是將虛線框中的軟充電部分取消時變頻器上電瞬間直流母線電壓變化情況。可以看到，在沒有軟充電電路的情況下，系統上電瞬間，母線電壓猛升至2 480 V，功率器件的安全將受到威脅，因此在本例中軟充電電路不能取消。

本文通過分析變頻器充電過程等效電路，得出取消軟充電電路的前提是系統應具備足夠的阻尼電阻，并使用二階電路穩定性判據，推出該阻尼電阻的近似計算方法，進而確定是否能取消軟充電電路。

1 充電過程等效電路及分析

在無軟充電電路時，電容器的充電非常快，在此過程中整流橋工作在單相模式，即主要由某兩相電源參與電容器的充電。假設AB相參與電容充電，充電過程的電路可等效為圖3，箭頭所示為充電電流流向。

圖1 典型變頻器系統圖

圖2 系統上電、變頻器待機態時的直流母線電壓

圖3 直流母線電容充電過程的等效電路

在二極管導通時，該電路是二階RLC串聯電路，系統的傳遞函數為

其中:Uc——電容兩端電壓(直流母線輸出電壓);

Us——激勵源交流電源線電壓;

ζ——系統的阻尼比;

對應圖3，系統的阻尼電阻R=2R0，L=2L0，C=C1。

對于單位階躍激勵，二極管開通時有

以圖1中的實際情況為例，取系統每相等效電感L0=100 μH，直流側電容 C=4 mF、階躍激勵為1 600 V進行驗證，當時，系統輸出電壓將不超過穩態值1 600 V，事實上這里的1 600 V約等于1 140 V電源線電壓峰值，此時直流側過電壓最為惡劣。

對R0進行參數掃描，結果如圖4所示。圖中從上至下依次是 R0=100，120，140，…280 mΩ時，直流母線電壓的情況，當R0=200 mΩ時，系統電壓1 603 V，還存在超調，當R0＞220 mΩ 已經無超調。

對于交流正弦形式的電壓輸入，二極管開通時有

圖4 L0=100 uH，C=4 mF 時，R=100，120…280 mΩ時直流母線電壓

式中:ω——正弦電壓的角頻率;

A——正弦電壓的幅值。

當ζ=0時，單位峰值正弦激勵下的輸出電壓波形如圖5所示。

圖5 單位峰值正弦激勵下，ζ=0時的輸出電壓波形

當阻尼比ζ=0時，電容端電壓峰值大大超過正弦激勵峰值，系統有很大超調，峰值超過2 100 V，考慮到二級管的單向導通特性，實際直流側電壓會穩定在圖6所示波形的峰值。

當0.1≤ζ≤1.2時，響應情況如下:

(1)單位正弦激勵下，隨著阻尼系數的增加，輸出最大值呈衰減趨勢，0.7≤ζ≤0.9時，峰值誤差在5%以內，考慮二極管的作用后，電容器上的電壓峰值也相應的會在95%～105%以內。

(2)與階躍激勵情況相比，正弦激勵下其激勵源的U-t特性比階躍響應緩和很多，因此，在峰值不變的情況下，較小的阻尼比就可以使輸出電壓不超調，從而使直流母線電壓不超調的進入穩定。

2 仿真試驗驗證

以本文最開始的系統參數為例，交流側等效電感L=356 μH，直流母線電容C=4 mF，將上述方法應用在三相系統中，變頻器上電、待機態時的直流母線電壓額定值為交流測電源線電壓峰值1 610 V。按照上述分析，取 300 mΩ＜R0＜380 mΩ時，系統阻尼系數滿足0.7＜ζ＜0.9，應可以使輸出電壓無超調，從而保證直流母線電壓不超過正常值。

圖6 0.1≤ζ≤1.2時正弦激勵響應情況

圖7 所示是對R0的取值從300～400 mΩ，以10 mΩ的間隔進行掃描仿真的結果，Udc～Udc_10分別代表R0從300～400 m時系統上電、變頻器待機態時的直流母線電壓變化情況，Up是電源線電壓。由圖可看出，所取電阻值可以非常好地保證直流母線電壓不超過輸入電壓峰值。

圖7 變頻器上電、待機態時的直流母線電壓仿真結果

由于原系統等效電阻僅為47 mΩ，不能滿足阻尼系數要求，因此該系統不能取消軟充電單元。

針對上文所述進行了試驗驗證。試驗時，選取了阻值為600 mΩ的軟充電電阻，對應的每相等效電阻R0=347 mΩ，圖8是實際的試驗波形，從直流側電壓可以看到充電過程電壓無超調，很好地驗證了上述方法的正確性。

圖8 實際試驗結果

3 結語

針對取消軟充電電路時變頻器上電、待機態直流母線電壓遠超過系統正常電壓的現象，本文對電容充電時的電路進行了等效，并采用二階電路的分析方法，提出了確保直流母線電壓不超標時交流側阻尼電阻的計算方法，通過仿真證明了計算方法的有效性。在實際應用過程中，可以將該方法來評估軟充電電路取消時系統的安全性及可靠性，如不能保證元件工作在安全區域，則需要增加相應的阻尼電阻以使機組安全可靠的工作。

[1]黃立培.變頻器應用技術及電動機調速[M].北京:人民郵電出版社，1998.

[2]邱關源.電路[M].3版.北京:高等教育出版社，2000.