靜止變頻器礦用在電機(jī)拖動中的應(yīng)用研究

摘 要：相比于過往一些電機(jī)拖動的方式，靜止變頻器在將大型可逆式發(fā)電電動機(jī)拖動至額度轉(zhuǎn)速直至機(jī)組并網(wǎng)中，具有明顯的優(yōu)勢。文章介紹了SFC的主要設(shè)備及作用、其在拖動過程中的散熱問題以及諧波抑制問題。

關(guān)鍵詞：靜止變頻器；晶閘管；應(yīng)用

1 前言

隨著社會的高速發(fā)展，電力的需求也增加。由于水電機(jī)組具有無污染，啟動速度快，調(diào)峰填谷等優(yōu)點(diǎn)，其發(fā)展的速度也越來越快。而作為可逆式機(jī)組在水泵工況下啟動的重要元件之一的靜止變頻器（SFC）也受到越來越多的關(guān)注。

2 靜止變頻器的原理

靜止變頻器在同步電機(jī)中的啟動屬于自控式變頻調(diào)速系統(tǒng)，它主要是依據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置信號來控制晶閘管變頻，以此來實(shí)現(xiàn)對發(fā)電電動機(jī)的變頻調(diào)速。電機(jī)變頻啟動時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組由勵(lì)磁控制系統(tǒng)提供勵(lì)磁電流，定子則由電網(wǎng)通過SFC供電，定子三相交流電產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子相互作用后產(chǎn)生加速轉(zhuǎn)矩，使機(jī)組的轉(zhuǎn)速從零逐漸升至額定值，此時(shí)啟動同期裝置，待并網(wǎng)條件滿足后機(jī)組同期并網(wǎng)，同時(shí)切除變頻裝置，完成拖動過程。它的優(yōu)點(diǎn)是啟動速度快，運(yùn)行維護(hù)方便，可靠性高，對系統(tǒng)的影響小。SFC將電機(jī)拖動至準(zhǔn)備并網(wǎng)階段的過程可以分為低速運(yùn)行和高速運(yùn)行兩個(gè)階段。

低速運(yùn)行階段：采用的是脈沖耦合方式。其工作原理如下：

在非自動換向階段，全控橋只有兩個(gè)可控硅處于導(dǎo)通狀態(tài)，且每組可控硅導(dǎo)通相隔60°的電角度， 360°為一個(gè)周期，它們按照1-2，2-3，3-4...的順序依次循環(huán)導(dǎo)通，控制每組的導(dǎo)通時(shí)間就可以控制機(jī)橋的輸出頻率。開始啟動時(shí)，由于機(jī)端電壓較低不能保證機(jī)橋工作在自動換向狀態(tài)，由轉(zhuǎn)子位置傳感器去決定哪一組可控硅何時(shí)導(dǎo)通，即首先設(shè)置網(wǎng)橋在全逆變方式，即回路中的電流Id=0，截止所有可控硅。一旦檢測Id=0，將脈沖送至下一組即將觸發(fā)的可控硅，停止網(wǎng)橋的全逆功能，恢復(fù)回路電流，使新一組的可控硅導(dǎo)通。在這個(gè)階段有兩個(gè)重要的因素即力矩的方向和轉(zhuǎn)子的位置。

高速運(yùn)行階段：如果可控硅欲從組3-4，換向至4-5，可以直接向臂5的控制級發(fā)射脈沖，由于機(jī)端電壓的交替，其他臂會截流，而臂5會保持回路電流，由于此時(shí)可控硅具有自動換向的功能，故可編程數(shù)字控制器可以根據(jù)頻率的基準(zhǔn)值和力矩的設(shè)定值來調(diào)節(jié)SFC輸出的啟動電流，從而將電機(jī)拖至額定頻率。此時(shí)在通過監(jiān)控系統(tǒng)與可編程邏輯控制器的聯(lián)系，由發(fā)電電動機(jī)根據(jù)此時(shí)系統(tǒng)情況通過同期裝置調(diào)節(jié)控制機(jī)組的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到電機(jī)的最終并網(wǎng)。

綜上所述，為保證SFC能在整個(gè)頻率范圍內(nèi)正常工作，要求同步工作方式工作頻率的下限必須小于脈沖耦合方式的工作頻率上限。其兩者之間的相互轉(zhuǎn)換就構(gòu)成了SFC運(yùn)行工作的兩個(gè)階段。這兩個(gè)工作方式相互轉(zhuǎn)換的頻率就是靜止變頻器的轉(zhuǎn)折頻率，該頻率一般在2.5-8HZ之間。

3 SFC主要設(shè)備簡介

靜止變頻器按照其結(jié)構(gòu)和功能可以分為以下三個(gè)部分：

（1）功率單元：主要包括廠用變壓器、SFC輸入/輸出電抗器、SFC開關(guān)柜、SFC輸入/輸出變、諧波過濾器、電網(wǎng)側(cè)/電機(jī)側(cè)可控硅、直流電抗器。

（2）保護(hù)和控制單元

保護(hù)單元是對SFC主回路上各種電氣設(shè)備的保護(hù)，包括冷卻水回路保護(hù)、變頻單元保護(hù)、輸入/輸出變保護(hù)等。

控制單元主要包括脈沖單元、可編程邏輯控制器、可編程數(shù)字控制器、測量單元等。它們的主要作用是測量SFC調(diào)節(jié)控制時(shí)所需的各種變量元件以及SFC在工作時(shí)自身狀態(tài)的改變和與監(jiān)控系統(tǒng)的聯(lián)系，以起到控制機(jī)組轉(zhuǎn)速、SFC故障檢測、順序管理等。

（3）輔助單元

主要是包括輸入/輸出變冷卻單元、SFC冷卻單元以及其他的輔助設(shè)備。其主要功能是保證SFC在啟動過程中保證SFC各個(gè)部件能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，不要因?yàn)闇囟冗^高等外部原因?qū)е聶C(jī)組啟動不成功，造成跳機(jī)事故。

4 SFC運(yùn)行過程中的一些注意事項(xiàng)

4.1 散熱問題

要認(rèn)真的使用靜止變頻器，必須充分考慮其散熱效果。一般變頻器的故障率隨著變頻器內(nèi)部溫度的上升而成指數(shù)形式上升，其使用壽命卻成指數(shù)下降。SFC在工作時(shí)，由于流過變頻器的電流較大，其產(chǎn)生的熱量也非常大，因此我們要特別關(guān)注其散熱問題。

一般變頻器的發(fā)熱量可以通過以下公式進(jìn)行估算：

變頻器的發(fā)熱量近似值=變頻器容量（kw）×60（w）.一般變頻器均安置在控制柜內(nèi)，SFC也不例外，要使控制柜內(nèi)單位面積的熱量減少必須增加控制柜的尺寸。因此一般通過將變頻器部分散熱器安裝在控制柜外來控制控制柜的尺寸，這樣會將變頻器70%的發(fā)熱量釋放到控制柜外面。同時(shí)還可以用隔離板把本體和散熱器分開，使其散發(fā)的熱量對變頻器本體影響不大。與此同時(shí)，還建議在控制柜出風(fēng)口安裝冷卻風(fēng)扇，進(jìn)風(fēng)口加濾網(wǎng)防灰塵進(jìn)入本體內(nèi)。特別注意，不能省略控制柜風(fēng)扇或變頻器風(fēng)扇，要保證房間的通風(fēng)效果。

4.2 諧波抑制

4.2.1 諧波的來源與危害

在抽水蓄能電站中，SFC為主要的諧波源，它產(chǎn)生的諧波通過主變傳遞到高壓側(cè)，對高壓側(cè)下的其他電氣設(shè)備影響較大。它產(chǎn)生的諧波危害主要有以下幾個(gè)方面：

（1）影響繼電保護(hù)和電氣設(shè)備的可靠運(yùn)行；（2）使電機(jī)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生脈沖，尤其在低速運(yùn)行時(shí)，可能產(chǎn)生共振現(xiàn)象；（3）高頻分量、電壓畸形會造成用電和輸電設(shè)備熱量急劇增加，加大損耗；（4）干擾通訊信號和降低儀表的測量精度。

4.2.2 諧波的抑制

對于六脈波晶閘管變頻器裝置產(chǎn)生的諧波特性為6K±1次（k=1、2、3……），其中5次和7次諧波的幅值較大，其危害也相對較大，故必須采取有效的措施來防止其危害，常用的濾波措施如下：

（1）對諧波源采取有效的措施：增加交流裝置脈沖數(shù)或者相數(shù)，即變頻器電路的多重化。例如，對于12脈沖的變頻器而言，其諧波特征為12K±1，（k=1、2、3……），最低次諧波為11次，有效的去除了5次諧波和7次諧波，大大降低了高次諧波對電力系統(tǒng)的影響。

（2）通過在諧波源附近裝設(shè)濾波器，讓其將諧波分流，吸收一定的高次諧波，從而控制流入電網(wǎng)的諧波使其在允許范圍內(nèi)，降低對電網(wǎng)的影響。

5 結(jié)束語

SFC起動裝置作為大型抽蓄機(jī)組的重要設(shè)備，不僅容量較大，功機(jī)組的頻繁啟動要求外，還具有啟動機(jī)組成功率高，對系統(tǒng)沖擊小等能較強(qiáng)，滿足電網(wǎng)對抽水蓄能電站優(yōu)點(diǎn)。但目前我國的抽水蓄能電站SFC起動裝置主要依靠國外進(jìn)口，國產(chǎn)化的難點(diǎn)主要集中在大容量的高壓變頻的電力電子器件的應(yīng)用技術(shù)上，如晶閘管器件的串聯(lián)、高次諧波的有效去除等。隨著國內(nèi)高壓變頻技術(shù)的日益發(fā)展，我相信在不遠(yuǎn)的將來一定能實(shí)現(xiàn)SFC起動裝置的國產(chǎn)化。

參考文獻(xiàn)

[1]王兆義.變頻器應(yīng)用[M].第一版.西安：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[2]陳湘勻，王俊生.靜止變頻器在可逆式機(jī)組中的應(yīng)用[J].浙江：水利水電科技進(jìn)展，2006（2）：44-47.

[3]王健忠.靜止變頻器（SFC）原理及設(shè)備[J].江蘇：水電廠自動化，2006（9）：56-60.

作者簡介：孫鵬飛（1988-），男，漢族，安徽省碭山。