變頻器軟充電單元設(shè)置與否的計算分析

張鐵軍

(株洲變流技術(shù)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(gòu)成變頻器的直流環(huán)節(jié)。為了限制系統(tǒng)上電時過大的充電電流對直流側(cè)電容的沖擊，往往在變頻器交流側(cè)或直流側(cè)設(shè)置軟充電電路。隨著自愈式膜電容的成熟和廣泛應(yīng)用，充電電流對直流側(cè)電容影響不再是問題。因此，從降低成本、減小損耗及優(yōu)化結(jié)構(gòu)的角度考慮，可以取消變頻器內(nèi)部的軟充電電路，但取消軟充電電路后，系統(tǒng)上電時，母線電壓很可能會由于交流側(cè)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(tǒng)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(guī)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(wǎng)側(cè)功率因數(shù)，交流側(cè)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(tǒng)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(tǒng)應(yīng)具備足夠的阻尼電阻，并使用二階電路穩(wěn)定性判據(jù)，推出該阻尼電阻的近似計算方法，進(jìn)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(shè)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(tǒng)圖

圖2 系統(tǒng)上電、變頻器待機態(tài)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(dǎo)通時，該電路是二階RLC串聯(lián)電路，系統(tǒng)的傳遞函數(shù)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(tǒng)的阻尼比;

對應(yīng)圖3，系統(tǒng)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(tǒng)每相等效電感L0=100 μH，直流側(cè)電容 C=4 mF、階躍激勵為1 600 V進(jìn)行驗證，當(dāng)時，系統(tǒng)輸出電壓將不超過穩(wěn)態(tài)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(cè)過電壓最為惡劣。

對R0進(jìn)行參數(shù)掃描，結(jié)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(dāng)R0=200 mΩ時，系統(tǒng)電壓1 603 V，還存在超調(diào)，當(dāng)R0＞220 mΩ 已經(jīng)無超調(diào)。

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(dāng)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(dāng)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(tǒng)有很大超調(diào)，峰值超過2 100 V，考慮到二級管的單向?qū)ㄌ匦裕瑢嶋H直流側(cè)電壓會穩(wěn)定在圖6所示波形的峰值。

當(dāng)0.1≤ζ≤1.2時，響應(yīng)情況如下:

(1)單位正弦激勵下，隨著阻尼系數(shù)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(nèi)，考慮二極管的作用后，電容器上的電壓峰值也相應(yīng)的會在95%～105%以內(nèi)。

(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(yīng)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(diào)，從而使直流母線電壓不超調(diào)的進(jìn)入穩(wěn)定。

2 仿真試驗驗證

以本文最開始的系統(tǒng)參數(shù)為例，交流側(cè)等效電感L=356 μH，直流母線電容C=4 mF，將上述方法應(yīng)用在三相系統(tǒng)中，變頻器上電、待機態(tài)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(tǒng)阻尼系數(shù)滿足0.7＜ζ＜0.9，應(yīng)可以使輸出電壓無超調(diào)，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(yīng)情況

圖7 所示是對R0的取值從300～400 mΩ，以10 mΩ的間隔進(jìn)行掃描仿真的結(jié)果，Udc～Udc_10分別代表R0從300～400 m時系統(tǒng)上電、變頻器待機態(tài)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(tài)時的直流母線電壓仿真結(jié)果

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

針對上文所述進(jìn)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(yīng)的每相等效電阻R0=347 mΩ，圖8是實際的試驗波形，從直流側(cè)電壓可以看到充電過程電壓無超調(diào)，很好地驗證了上述方法的正確性。

圖8 實際試驗結(jié)果

3 結(jié)語

針對取消軟充電電路時變頻器上電、待機態(tài)直流母線電壓遠(yuǎn)超過系統(tǒng)正常電壓的現(xiàn)象，本文對電容充電時的電路進(jìn)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(biāo)時交流側(cè)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(yīng)用過程中，可以將該方法來評估軟充電電路取消時系統(tǒng)的安全性及可靠性，如不能保證元件工作在安全區(qū)域，則需要增加相應(yīng)的阻尼電阻以使機組安全可靠的工作。

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