6 kV 高壓變頻調速系統恒壓頻比控制研究

翟學鋒，徐 鋼，李辰龍，楊宏宇

(江蘇方天電力技術有限公司，江蘇南京 211102)

面對可再生資源消耗過大、能源短缺的局面，我國提出要建立資源節約型、環境友好型社會。高壓變頻調速系統中由于使用了高壓變頻器，較之于不使用變頻器調速的場合，平均可節能約30%，因而在電力、石化、鋼鐵等工業領域得到廣泛的應用[1]。

目前對高壓變頻調速系統研究，主要集中在高壓變頻器（通常為6 kV、10 kV）自身的研究，而對于高壓變頻器與電機之間如何協調控制研究得不多[2，3]。高壓變頻器通常由若干個低壓變頻器串聯而成，因此對其控制比較復雜。交流電機調速的方法通常有恒壓頻比控制、矢量控制等。恒壓頻比控制結構簡單、成本低、控制方便，廣泛應用于各種生產場合。矢量控制雖然調速性能高，但結構復雜、成本高、控制復雜。考慮到高壓變頻調速系統絕大部分用于風機和水泵，而風機、水泵對調速性能的要求不是太高，因此本文采用恒壓頻比控制方法[4，5]。在所有高壓變頻器種類當中，級聯型移相式高壓變頻器由于串聯了若干個低壓功率單元來實現高壓輸出，對電網諧波污染較小，輸出電壓和電流的諧波含量低，輸入功率因數較高，且不必采用諧波濾波器和功率因數變換器，在實際中應用廣泛[6-9]。

1 級聯型多電平高壓變頻器結構

級聯型多電平高壓變頻器是將若干個模塊化低壓功率單元串聯，以實現高電壓輸出。5 級功率單元串聯的變頻器拓撲結構如圖1（a）所示。系統由多重化移相式變壓器、級聯型功率單元以及高壓電動機3個部分組成。其中多重化移相式變壓器可以提高系統整流的脈動次數，減少電網的諧波污染。以5 級功率單元串聯為例，多重化移相變壓器的一次側直接與6 kV 電網相連，其二次側共有5 組15 路，其中A1，B1，C1為一組三相繞組，每組的A，B，C 三相之間保持120°的相角關系，而組與組之間相位角不同，以（+24°，+12°，0°，-12°，-24°）的移相角構成了五重移相變壓器，這樣整個變頻器系統就相當于30 脈波整流，理論上電網側的輸入電流中不含有29 次以下諧波，這樣對電網的諧波污染非常小，不必另外設置輸入濾波器進行濾波。單個功率單元拓撲結構如圖1（b）所示。它由三相整流橋、濾波電容和H 逆變橋3 部分構成。多個功率單元輸出電壓疊加形成每相輸出相電壓。以6 kV 線電壓輸出為例，相電壓的大小為3450 V，5 級單元串聯時每個功率單元輸出電壓為690 V，可以采用普通的低壓IGBT 器件。

圖1 級聯型變頻器及功率單元拓撲結構

2 異步電機的恒壓頻比控制

假設三相異步電動機三相繞組對稱，空間互差電角度，所產生的磁動勢沿氣隙圓周正弦分布，繞組的自感和互感都是線性的，那么異步電動機的三相定子電壓方程為：

當電機轉速較大時，定子繞組壓降可以忽略，則式（1）近似為：

即：

式（1—3）中：U，Ψ 分別為U˙和Ψ˙的模，則：

恒壓頻比控制就是保持U/f為常數，那么磁鏈Ψ也為一常數，從而使交流電機得到類似于直流電機的性能。異步電動機恒壓頻比變頻調速系統原理結構如圖2 所示，系統由升降速時間設定、U/f 曲線、正弦波脈沖寬度（SPWM）調制和驅動等環節組成。其中升降速時間設定用來限制電動機的升頻速度，避免轉速上升過快而造成電流和轉矩的沖擊，相當于軟起動控制的作用。U/f 曲線用于根據頻率確定相應的電壓，以保持壓頻比不變（U/f=常數），并在低頻時進行適當的電壓補償。SPWM 和驅動環節將根據頻率和電壓要求產生按正弦脈寬調制的驅動信號，并控制逆變器，以實現電動機的變壓變頻調速。

圖2 恒壓頻比變頻調速系統原理圖

3 仿真結果及分析

3.1 6 kV 高壓變頻器仿真

基于Matlab/Simulink 對6 kV 高壓變頻器進行仿真研究。首先對單個功率單元進行建模與仿真，如圖3所示。圖3 中有三相交流電源、整流橋、直流濾波環節、逆變器和脈沖信號等模塊。其中脈沖信號采用載波移相SPWM 技術，由2個反相的正弦波與同一個三角載波比較產生。仿真參數：電源線電壓690 V，頻率50 Hz，電源內阻Rs=0.91 Ω，電感Ls=0.002 9 H，直流濾波電容C=3000 μF。

在對單個功率單元進行仿真后，由5個功率單元級聯形成高壓變頻器的一相（如A 相），同理可得到B相、C 相。高壓變頻器不帶負載時輸出的相電壓和三相線電壓波形如圖4、圖5 所示。

圖3 單個功率單元仿真模型

圖4 高壓變頻器一相電壓波形

圖5 三相變頻器線電壓波形圖

由圖4、圖5 可以看出，高壓變頻器一相輸出電壓有11個階梯波，波形接近正弦波；而三相變頻器線電壓有21個階梯波，比相電壓的波形更接近于正弦波，因此諧波分量非常低。

3.2 控制系統仿真及分析

對6 kV 載波移相高壓變頻調速控制系統進行仿真試驗研究。變頻器參數同上。電機參數：額定功率Pe=500 kW，額定轉速n=1450 r/min，額定電壓Ue=6000 V，定子電阻Rs=2 Ω，定子漏抗Lls=0.022 29 H，轉子電阻Rr=1.9 Ω，轉子漏抗Llr=0.015 92 H，定、轉子互感Lm=0.748 4 H，轉動慣量J=48 kg·m2，極對數p=2。

高壓變頻調速系統恒壓頻比控制系統Matlab 仿真圖如圖6 所示。其中SPWM為正弦波脈沖寬度調制，三相共15 路脈沖波形，作為逆變器的輸入信號。讓電機帶負載(1000 N·m)運行，電壓變化上升、定子電流和電磁轉矩波形如圖7—9 所示。

從圖7—9 可以看出，在啟動過程中，變頻器的輸出電壓隨頻率的升高而上升，到3 s 左右達到穩定。啟動定子電流大小約為140 A，啟動轉矩比較大。

圖6 高壓變頻調速系統恒壓頻比控制系統Matlab 仿真圖

圖7 變頻器電壓變化過程波形圖

圖8 定子電流波形

圖9 電機帶負載時轉矩波形

為了驗證高壓電機帶變頻器運行的優越性，將帶變頻器的恒壓頻比高壓電機控制系統與高壓異步電機直接啟動控制系統作對比。高壓電機直接啟動時的定子電流和轉矩波形如圖10、圖11 所示。

圖10 電機直接啟動定子電流波形

圖11 電機直接啟動轉矩波形

比較圖10、圖11 可以看出，無論是定子電流還是電磁轉矩，直接啟動時都遠遠大于帶變頻器啟動。變頻啟動過程平穩，對電網的沖擊小。因此本文針對6 kV高壓變頻器所采用恒壓頻比控制方法完全可行，具有很好的控制效果。

4 結束語

通過對6 kV 載波移相式SPWM 調制高壓變頻器基本結構、原理的分析進行仿真研究，得到近似為正弦波的輸出電壓波形，諧波分量低。在此基礎上，基于異步電機恒壓頻比控制的理論，對6 kV 載波移相高壓變頻系統進行控制。研究表明：與高壓異步電機直接啟動相比，基于恒壓頻比控制的級聯型高壓變頻系統啟動電流小、轉矩脈動小、對電網沖擊小，則啟動性能更好。

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