三電平變頻器預充電方法研究

王自滿，張 策，付寶鑫，姜一達，孫傳杰

（天津電氣科學研究院有限公司 天津 300180）

大功率中壓變頻調速系統廣泛應用于冶金、礦山、電力、交通、國防、石油、煤炭、化工、輕工等眾多領域，節能降耗和保證工藝性能效果顯著，是非常重要的工業裝備。根據應用場合，大功率中壓變頻器可以分為2類：一類用于風機、泵類傳動，對調速性能要求不高，無能量回饋需求，稱為通用中壓變頻器；另一類用于冶金軋機、機車牽引、艦船驅動等領域的主傳動，對調速性能要求很高[1-2]，稱為高性能中壓變頻器。高性能中壓變頻器涉及電力電子、計算機、控制、通訊、機械、熱能等多個專業技術領域，研發技術門檻高、投資大。以軋機主傳動系統為例，目前主要有交交變頻和交直交變頻2種方案，其中電壓源型三電平交直交變頻系統能有效克服交交變頻系統諧波大、最高頻率低等不足，已逐漸成為大型軋機主傳動驅動設備的首選方案[3]。

大功率中壓三電平變頻器采用水冷散熱，可以實現電網側能量雙向流動，作為單電機或多電機驅動器使用。在多電機驅動應用中，公共直流母線可以實現電網側和電機的能量交換，降低用戶的投入成本。直流電容環節位于整流電路和逆變電路中間，對電網或者負載的突變起到緩沖作用，抑制整流后直流電壓的波動，并實現整流電路和逆變電路的解耦。

大功率中壓三電平變頻器合閘投入運行前，需對中間環節的直流電容預充電，否則主回路合閘產生的浪涌沖擊電流將損壞直流電容[4]。本文分析了變頻器常用的預充電方法，針對大功率高性能三電平交直交變頻器，詳細介紹了一種預充電電路和充電邏輯，該預充電方法具有結構簡單、實用性強的優點。

1 預充電方法

交直交變頻器投入前，濾波電路中的直流母線電容電壓為0V，在合閘的瞬間，電容電壓不能突變，整流電路輸出端相當于短路，將產生很大的浪涌沖擊電流，可能損壞母線電容。為了規避該情況的發生，合閘前需對變頻器中的電容預充電。

圖1 是小功率變頻器常用的預充電電路。該預充電電路結構簡單，控制方便，充電電流被限制在交流側。但是對大功率中壓三電平變頻器而言，該電路存在預充電回路接觸器成本高、預充電電阻阻值大、功耗高的缺點，故該電路并不適用于三電平變頻器。

圖1 小功率變頻器預充電電路Fig.1 Pre-charging circuit of low-power inverter

對于大功率變頻器而言，可采用單獨的二極管充電回路。如圖2所示，預充電電路由預充電接觸器、預充電變壓器、二極管整流橋和預充電電阻組成。預充電回路接觸器可以選擇成本較低的低壓接觸器。大功率中壓三電平變頻器的直流電容環節由上組和下組電容組成，但由于該充電電路是直接對正負直流母線充電，當上下組直流母線電容參數不一致時，可能導致上下組直流母線電壓不均衡，從而影響系統正常工作。

圖2 大功率變頻器預充電回路Fig2 Pre-charging circuit of high-power inverter

2 三電平變頻器預充電方案

2.1 三電平交直交變頻器預充電電路

研究采用的基本預充電單元由三相低壓斷路器、三相低壓接觸器、三相升壓變壓器、單相二極管整流橋和限流電阻組成，如圖3所示。與小功率預充電方法1相比，該基本預充電單元可選用低壓斷路器和接觸器，成本較低，預充電電路直接與直流母線電容相連，避免對開關器件的沖擊電流，提高三電平變頻器工作的可靠性。與大功率變頻器預充電方法2相比，三相升壓變壓器變比小，同時由于直流母線中點受變壓器C相輸出端箝位，當上下組直流母線電容參數不一致時，上下組電容充電電壓差異較小，能保證系統正常穩定工作。

圖3 基本預充電單元Fig.3 Basic pre-charging unit

直流母線容量較大時，可采用多套基本預充電單元并聯的方案。該充電電路中預充電變壓器、二極管和限流電阻在選型設計時，既要保證預充電時間需求，又要選擇合適的參數，使充電時的沖擊電流在二極管耐受范圍內。預充電電路應用于可逆冷軋機主傳動系統時，經現場實際運行表明，該電路滿足系統預充電的需求。

2.2 基本預充電單元工作原理

預充電單元采用交流充電方式，開始預充電時，預充電變壓器的短路阻抗和限流電阻抑制了合閘瞬間的浪涌沖擊。隨著直流母線電容電壓增加，充電電流逐漸減小直至完成充電。在一個充電周期內，變壓器高壓側電壓和電流、流經二極管的電流和上下組直流母線電容充電電流如圖4所示。bcU 和caU 分別是變壓器副邊線電壓，aI、bI和cI分別是變壓器副邊線電流，1dI、2dI 、3dI 和4dI 分別是流過二極管D1～D4的電流，PI和NI分別是上組和下組電容充電電流。

圖4 預充電單元工作過程Fig4 Working process of pre-charging unit

T0～T1時 刻：Uca＜ 0，Ubc＜ 0 ，即 Ua＞ Uc，Uc＞ Ub，A相電壓通過二極管D1和限流電阻R1給上組直流母線電容充電，B相電壓通過二極管D4和限流電阻R2給下組直流母線電容充電。

T1～T2時 刻：Uca＜ 0，Ubc＞ 0 ，即 Ua＞ Uc，Ub＞ Uc，A相電壓通過二極管D1和限流電阻R1給上組直流母線電容充電，B相電壓通過二極管D3和限流電阻R1給上組直流母線電容充電。

T2～T3時 刻：Uca＞ 0，Ubc＞ 0 ，即 Uc＞ Ua，Ub＞ Uc，A相電壓通過二極管D2和限流電阻R2給下組直流母線電容充電，B相電壓通過二極管D3和限流電阻R1給上組直流母線電容充電。

T3～T4時 刻：Uca＞ 0，Ubc＜ 0 ，即 Uc＞ Ua，Uc＞ Ub，A相電壓通過二極管D2和限流電阻R2給下組直流母線電容充電，B相電壓通過二極管D4和限流電阻R2給下組直流母線電容充電。

2.3 預充電控制邏輯

為了保證預充電回路的安全，主開關和預充電接觸器要嚴格按照時序進行控制。當系統狀態機跳轉到預充電狀態，系統無放電和接地的命令及反饋狀態信號，直流電壓未達到設定的門檻值，預充電接觸器閉合，系統開始預充電；當直流電壓達到設定門檻值，狀態機跳轉到閉合主開關狀態，主開關方能允許合閘。

在預充電期間，控制系統將實時監控上組和下組直流母線電壓，判斷是否出現預充電超時和短路故障。一旦檢測到充電故障，狀態機將快速跳轉到故障狀態，同時預充電接觸器斷開。待故障排除且復位后，系統才能再次啟動。

3 現場應用驗證

工業現場，由中壓三電平變頻器組成的主傳動系統如圖5所示。預充電環節位于整流單元內。

圖5 冷軋機主傳動系統圖Fig.5 Main drive system diagram of cold rolling mill

系統調試時進行預充電合閘測試，測量預充電合閘時充電峰值電流和預充電時間。圖6和圖7中CH1表示網側預充電電流；CH2和CH3分別表示上組直流母線電壓和下組直流母線電壓。從圖中可以看出開始預充電時，網側預充電電流達到峰值，隨著預充電進行，充電電流逐漸減小，直流電壓逐漸上升，12s左右直流母線電容電壓達到預充電門檻值，預充電完成。結果表明，預充電電路的充電電流和充電時間完全滿足三電平變頻器的預充電需求。

圖6 預充電過程Fig.6 Pre-charging process

圖7 初始充電電流Fig.7 Initial charging current

4 結論

大功率變頻器預充電電路的可靠工作影響到變頻器的正常運行。本研究采用的中壓三電平變頻器預充電電路具有結構簡單、實用性強的優點。工業現場試驗表明，預充電時間和充電電流均在合理范圍內，驗證了預充電方法的可行性和可靠性，有效地保障了直流母線電容運行的安全性和系統工作的穩定性。