TMdrive-80變頻器工作原理及其應用

劉金芝，王新朋

（首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司，河北 唐山 063000）

產線機械設備由日本MH公司提供，電氣設備由日本TMEIC公司提供，電氣傳動采用日本TMEIC公司生產的TM系列變頻器。其中，七臺主電機采用的變頻器都是以GCT為功率元件的三電平PWM全數字矢量控制傳動系統（TMdrive-80），這種控制方式真正實現了正弦波輸出，減少了高次諧波、減少了力矩紋波，實現了高功率因數的控制要求。

1 TMdrive-80系統配置

系統配置如圖1所示，主傳動7臺變頻器中R1、R2由 35000V/3000V 的 整 流 變 壓 器 供 電，F1～F5由35000V/3450V的整流變壓器供電，所使用的維護軟件為MS-TOOL。GCT整流器單元和逆變器單元都采用帶熱交換器的純水裝置進行冷卻，7臺傳動柜裝配有兩組純水冷卻單元（R1～F2為一組，F3～F5為一組），其作用是為了帶走各相GCT元件及電阻的熱量。進入變頻柜的純水單元分別由兩臺泵驅動，一供一備，同時柜體內部裝有漏水檢測裝置，對純水冷卻的安全提供了保障。主傳動變頻器所驅動的七臺主電機為交流同步電機，容量為：R1、R2，6600kW；F1～F4，9300kW；F5，7400kW，速度反饋檢測元件使用Resolver。

2 TMdrive-80主回路構成及工作過程

2.1 基本單元構成

TMD-80的主回路無論是整流部分還是逆變部分，均采用相同的單元型結構，即以R、S、T，U、V、W各為一個獨立的單元結構，其基本結構如圖2所示。該單元為TMD-80系統主回路的基本單元，其中G1～G4為GCT元件，DF1～DF4為續流二極管，DC1和DC2為嵌位二極管。

2.2 三電平逆變器主回路工作過程

TMD-80三電平逆變器輸出電壓的主回路單相模擬圖如圖3所示，V1A～V4A、V1B～V2B為開關元件，DF1A～DF4A、DF1B～DF2B為續流二極管，DC1A、DC2A、DC1B、DC2B為嵌位二極管。工作過程如下：

當單元1的V1A、V2A閉合，單元2的V1B、V2B閉合時，則加到負載上的電壓VAB=VPVN=Ed+Ed=+2Ed。

當單元1的V1A、V2A閉合，單元2的V2B、V3B閉合時，則加到負載上的電壓VAB=VPVC=+Ed。

當單元1的V2A、V3A閉合，單元2的V2B、V3B閉合時，則加到負載上的電壓VAB=VC=0。

當單元1的V2A、V3A閉合，單元2的V1B、V2B閉合時，則加到負載上的電壓VAB=VC- VP=-Ed。

當單元1的V3A、V4A閉合，單元2的V1B、V2B閉合時，則加到負載上的電壓VAB=VN- VP=-Ed-Ed=-2Ed。

這樣就可以得到+2Ed、+Ed、0、-Ed、-2Ed五種電壓。

3 TMdrive-80三電平PWM工作原理

3.1 菱形三電平PWM調制

TMD-80系統逆變器中，采用了三電平PWM調制技術，其根據所得到的27種開關狀態計算出三相電壓VU、VV、VW的矢量和，即可得到TMD-80三電平PWM的基本電壓矢量，依照相關方法進行矢量合成，可得到圖4所示的TMD-80三電平PWM的基本電壓矢量圖。由圖4中可知，在這27種開關模式下得到的三相電壓分別對應于四種幅值，12個相位角及19個獨立的空間，而這19個獨立空間就是菱形三電平PWM中的19個基本電壓矢量。

圖3 TMD-80逆變器主回路單相模擬圖

圖4 PWM菱形調制矢量圖

3.2 三電平PWM逆變器調頻原理

3.3 三電平PWM逆變器調壓原理

其中T1、T2、T3、T4表示在T時間內分別執行矢量的時間。另輸出電壓矢量的標幺值和控制指令相等。只要同時滿足（1）、（2），就能在該區間T內實現電壓矢量等效。在這暫不考慮各矢量的幅角，將它們的模代入（1）中，得：

若將T1：T2：T3：T4=0：2：1：1代入式（3）中，則得：

如以上所述，適當地改變T1：T2：T3：T4比值就可以改變輸出電壓矢量的大小，變頻器就能輸出不同幅值的三相正弦波電壓，從而實現變頻器的調壓功能，TMD-80系統就是在某一時刻選擇到六角形空間電壓矢量圖中的某一矢量，決定了這一時刻逆變器的輸出狀態，也就是功率開關元件的ON、OFF組合方式，同時決定了這一時刻逆變器三相輸出電壓的瞬時值，還嚴格地制約了這一時刻三相電壓瞬時相位關系。所以直接利用六角形空間電壓矢量圖，恰當地選擇并執行其中的部分（或全部）基本電壓矢量，就能對逆變器的輸出電壓進行控制。

3.4 TMD-80系統三電平逆變器PWM調制原理

我們介紹了TMD-80系統中調頻及調壓的基本原理，由于在T時間內逆變器只能輸出2～4個狀態，即2～4個較寬的脈沖，所以輸出諧波分量大，故系統需要在T時間內盡可能增加對該區間內所選中的基本電壓矢量的執行次數，縮短每一次執行每一個基本電壓矢量的持續時間，并使的標幺值等于系統的指令電壓矢量，達到減小輸出電壓的脈沖寬度，降低輸出諧波分量的目的，即把（1）式改為：

受功率開關元件開關頻率的限制，n的取值不能太大。這樣逆變器就能輸出我們滿意的PWM電壓波形。如，當 ?T1i=0、 ?T2i= ?T3i= ?T4i，n=3的條件下輪流執行三個基本電壓矢量，即CNN→PN N→PCN→PCC→PNN→PCN→CNN→PNN→PCN，可以得出，逆變器的輸出線電壓已經很接近正弦波了。以上忽略了許多條件的情況下特定性地說明逆變器如何實現調頻、調壓的PWM調制。實際系統中，為了在整個調速范圍內逆變器的輸出能很好的接近正弦波，系統對電壓矢量不一定同時選擇，T1、T2、T3、T4不可能相等，這些均要按控制模型作適時的參數計算而得。

4 結語

TMDrive-80系統實現了全數字化控制，其控制精度高，穩定性好，可靠性高，可以滿足現場任何復雜的工藝條件的控制要求，使其在冶金生產線的應用將越來越廣泛。三電平PWM變頻器有系統結構簡單、控制方便，性能優異等諸方面的優點。同時，高功率因數的實現，降低了對供電電網容量的要求和污染，省略了供電系統中的無功補償電路和諧波濾波器安裝要求。