高壓大容量靜止變頻器的換流方式研究

史偉　楊曉林　蘇華　梁超

摘要：大型同步電機(jī)在發(fā)電領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，以晶閘管為換流器件的高壓大容量靜止變頻器是實現(xiàn)大型同步電機(jī)變頻啟動的最佳選擇。現(xiàn)首先介紹靜止變頻系統(tǒng)主電路的連接方式及控制系統(tǒng)的功能，然后在此基礎(chǔ)上分析了靜止變頻器的工作原理，最后提出了靜止變頻器逆變電路的換流方式，即在低速階段采用脈沖換流法，在中高速階段采用負(fù)載換流法。

關(guān)鍵詞：大型同步電機(jī);靜止變頻器;換流方式

中圖分類號：TN773? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2022）06-0067-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.06.019

0? ? 引言

大型同步電機(jī)應(yīng)用場合非常廣泛，除了作為常規(guī)發(fā)電機(jī)組外，在電力系統(tǒng)中還用作抽水蓄能機(jī)組和同步調(diào)相機(jī)組，而抽水蓄能機(jī)組和同步調(diào)相機(jī)組在維持電網(wǎng)頻率穩(wěn)定和電壓穩(wěn)定方面具有重要作用[1-2]。目前，以晶閘管為換流器件的高壓大容量靜止變頻器是實現(xiàn)大型同步電機(jī)變頻啟動的最佳選擇，由于晶閘管的額定電流大，其在大容量靜止變頻器中具有IGBT不能替代的作用。但晶閘管不能通過門極實現(xiàn)器件自關(guān)斷，需要合適的換相方法使其關(guān)斷[3]。

1? ? 靜止變頻系統(tǒng)啟動原理

如圖1所示，靜止變頻系統(tǒng)主要由主電路和控制系統(tǒng)兩部分組成。主電路包括輸入變壓器、輸出變壓器、斷路器、隔離開關(guān)、晶閘管整流電路、電流型逆變電路、輸出電容器組和同步電機(jī);控制系統(tǒng)由高性能控制器、數(shù)據(jù)采集單元和晶閘管觸發(fā)單元組成，負(fù)責(zé)完成包括數(shù)據(jù)采集、晶閘管變流電路觸發(fā)和勵磁系統(tǒng)控制等在內(nèi)的任務(wù)[4]。

測量輸入電壓/電流和輸出電壓/電流需要經(jīng)過電壓互感器和電流互感器，將高壓大電流信號轉(zhuǎn)換為低壓小電流信號，測量單元將低壓小電流信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后傳遞給控制器中的控制程序計算使用。控制器根據(jù)輸入信號，通過計算確定延遲觸發(fā)角、超前觸發(fā)角、不同控制方式的切換以及與勵磁系統(tǒng)的通信，完成同步電機(jī)啟動、并網(wǎng)以及斷開與同步電機(jī)的聯(lián)系等任務(wù)。脈沖觸發(fā)單元包括觸發(fā)信號的生成、轉(zhuǎn)換和傳遞，控制器產(chǎn)生的觸發(fā)信號由閥控制器轉(zhuǎn)換為光信號經(jīng)光纜傳送到晶閘管控制單元，該單元從一次回路取能形成脈沖電流完成晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通。

由于直流回路平波電抗器Ls的存在，直流電流ID的幅值在一個周期內(nèi)近似恒定不變，逆變電路按照120°的導(dǎo)電工作方式，在觸發(fā)上橋臂晶閘管導(dǎo)通時，下橋臂處于關(guān)斷狀態(tài)，三相橋臂觸發(fā)信號相位差120°。忽略逆變電路的換相過程，則逆變電路輸出的三相電流波形如圖2所示。

如圖1所示，當(dāng)觸發(fā)晶閘管T1′、T2′時，直流電流ID流經(jīng)晶閘管T1′、A相定子繞組、C相定子繞組和晶閘管T2′，注入定子繞組的電流IAC的基波分量產(chǎn)生磁動勢AC。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定的角度后，逆變電路導(dǎo)通T2′、T3′，此時注入定子繞組的電流IBC的基波分量產(chǎn)生磁動勢■BC。根據(jù)交流發(fā)電機(jī)電樞反應(yīng)理論，勵磁磁動勢Ff與電樞磁動勢Fa相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩Te：

式中：K為電磁轉(zhuǎn)矩常數(shù)[Wb·（At）-1];Ff、Fa分別為勵磁磁動勢、電樞磁動勢（At）;θ為兩個磁動勢的夾角（°）。

由式（1）可知，當(dāng)電樞磁動勢超前勵磁磁動勢90°時，正向電磁轉(zhuǎn)矩最大，根據(jù)勵磁磁動勢的位置，將轉(zhuǎn)子位置平面分為6個扇區(qū)，當(dāng)勵磁磁動勢進(jìn)入第1扇區(qū)，應(yīng)導(dǎo)通T1′、T6′，當(dāng)勵磁磁動勢進(jìn)入第2扇區(qū)，應(yīng)導(dǎo)通T1′、T2′，以此類推。采用這種導(dǎo)通策略，靜止變頻器輸出的平均電磁轉(zhuǎn)矩最大。

靜止變頻器輸出的電磁轉(zhuǎn)矩與直流電流、逆變電路觸發(fā)角和電機(jī)的磁通成正比，具體關(guān)系如下：

式中：Tem為拖動電磁轉(zhuǎn)矩（N·m）;C為系數(shù)，與機(jī)組特性相關(guān);ID為靜止變頻器直流回路電流值（A）;cos φ為靜止變頻器功率因數(shù);？準(zhǔn)為磁通（Wb）。

當(dāng)逆變電路的觸發(fā)角保持不變時，直流電流的大小由整流電路的閉環(huán)控制調(diào)節(jié)。電機(jī)的勵磁控制磁通的大小，而在啟動過程中，根據(jù)不同階段的控制策略，電機(jī)轉(zhuǎn)子勵磁由靜止變頻器的控制器控制。在實際工作時，逆變電路的觸發(fā)角一般保持恒定。當(dāng)需要控制電機(jī)轉(zhuǎn)速時，通過控制直流電流的大小實現(xiàn)控制加速轉(zhuǎn)矩的目標(biāo)。

2? ? 晶閘管換流方式及控制

2.1? ? 中高速階段的負(fù)載換流法

在晶閘管需要換相時，使流過晶閘管電流過零后再施加一定時間的反向電壓，原來導(dǎo)通的晶閘管才能可靠關(guān)斷，在此期間觸發(fā)另一支路的晶閘管，該晶閘管因承受正向電壓而被導(dǎo)通，從而實現(xiàn)逆變電路的可靠換流。負(fù)載換流原理圖如圖3所示，其中圖3（a）為逆變橋A、B相換流過程示意圖。在換流之前，晶閘管T1′、T2′導(dǎo)通，直流電流ID以A、C相繞組為回路，現(xiàn)在要使電流從AC相換流到BC相，要使待關(guān)斷的晶閘管T1′承受反向電壓，應(yīng)在自然換相點(diǎn)k之前導(dǎo)通晶閘管T3′，T1′電流減小為零并承受一段時間反壓后關(guān)斷。觀察圖3（b）電機(jī)A、B相機(jī)端電壓，如果在k點(diǎn)觸發(fā)晶閘管T3′，此后電壓uA

為了使晶閘管T1′關(guān)斷，同時晶閘管T3′導(dǎo)通，必須在自然換相點(diǎn)提前一個角度觸發(fā)晶閘管T3′，如圖3（b）所示s點(diǎn)，由于0<ωt<β，機(jī)端電壓uA>uB，該電壓以晶閘管T1′、T3′和定子A、B相繞組為回路形成環(huán)流ik，使得A相電流幅值從ID逐漸變?yōu)榱悖琓1′關(guān)斷而T3′導(dǎo)通，從而實現(xiàn)負(fù)載換流。

根據(jù)負(fù)載換相機(jī)端三相電壓/電流及勵磁電動勢示意圖（圖4），觸發(fā)晶閘管的相位超前于勵磁電動勢自然換相的相位角稱為空載超前觸發(fā)角β0，而由于電樞反應(yīng)的影響，機(jī)端電壓超前勵磁電動勢相位δ，觸發(fā)晶閘管的相位超前于機(jī)端電壓自然換相點(diǎn)的相位角稱為超前觸發(fā)角β，所以空載超前觸發(fā)角β0和超前觸發(fā)角β相差相位角δ。由于換相電感的存在，環(huán)流ik不能突變，所以換相過程必然需要一段時間，通常把這段時間對應(yīng)的電角度稱為換相重疊角μi，這些角度與逆變電路的電壓/電流及勵磁電動勢相位關(guān)系如圖4所示。為了防止換相失敗，要被關(guān)斷的晶閘管的電流下降到零后，加在該管上的反壓要保持一段時間，這段時間對應(yīng)的電角度稱為換流剩余角γc，其表達(dá)式為：

一方面，空載超前觸發(fā)角β0需整定得足夠大，但隨著β0的增大，逆變電路輸出的功率因數(shù)降低，輸出的電磁轉(zhuǎn)矩下降，故一般將β0整定為60°;另一方面，通過控制換相重疊角μi的大小來降低逆變電路對空載超前觸發(fā)角β0的要求。

2.2? ? 低速階段的脈沖換流法

當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子處于靜止或低速狀態(tài)時，勵磁電動勢和機(jī)端電壓均非常小，不能利用電機(jī)的機(jī)端電壓實現(xiàn)負(fù)載換流，最常用的方法是采用脈沖換流法來實現(xiàn)逆變電路的換流。脈沖換流法的原理是當(dāng)逆變電路需要換相時，通過閉鎖整流電路使直流電流快速下降為零，逆變電路的晶閘管全部關(guān)斷后，觸發(fā)下一組開關(guān)組合，從而實現(xiàn)換流。由于采用脈沖換流法時，超前導(dǎo)通角的大小不會影響逆變電路換流，為了最大限度地提升轉(zhuǎn)矩，一般初始導(dǎo)通設(shè)置β0=0°。

靜止變頻系統(tǒng)的逆變電路可靠換流是同步電機(jī)變頻啟動的關(guān)鍵，常見的晶閘管逆變電路控制方法主要有3種：空載超前觸發(fā)角β0恒定控制、超前觸發(fā)角β恒定控制和換流剩余角γc恒定控制，這3種控制方法各有優(yōu)勢。

對于空載超前觸發(fā)角β0恒定控制，由圖4可以看出，β0是以電機(jī)的勵磁電動勢為參考，同時如果忽略換相重疊角的影響，就可以通過控制空載超前觸發(fā)角β0控制同步發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)角，而同步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和功率因數(shù)角的余弦值成正比，從而達(dá)到了控制變頻啟動轉(zhuǎn)矩控制的目的。但是，當(dāng)負(fù)載增大時，勵磁電動勢和機(jī)端電壓之間的夾角即功角δ將增大，如果繼續(xù)控制β0恒定，導(dǎo)致β=β0-δ減小，就會造成換相的裕量角不足，引起換相失敗。根據(jù)三相橋式逆變?nèi)仉娐窊Q相重疊角的計算公式：

隨著同步電機(jī)轉(zhuǎn)速的上升，XB、U2不斷增大，逆變電路的換相重疊角也將發(fā)生變化，此時如果保持超前觸發(fā)角β恒定仍然無法保證晶閘管逆變電路能夠可靠換流，而保持換流剩余角γc恒定則能夠最大程度利用靜止變頻器的容量，輸出較大的電磁功率，縮短同步電機(jī)的啟動時間，同時保證逆變電路的運(yùn)行有足夠的安全裕量。

3? ? 結(jié)語

本文在介紹系統(tǒng)主電路的連接方式及控制系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析了靜止變頻器的轉(zhuǎn)矩控制原理，并提出了同步電機(jī)啟動過程中靜止變頻器逆變電路的換流方式，即在低速階段采用脈沖換流法，在中高速階段采用負(fù)載換流法，為高壓大容量靜止變頻器的控制技術(shù)研究開發(fā)提供了技術(shù)見解和新思路。

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收稿日期：2021-11-26

作者簡介：史偉（1980—），男，江蘇人，工程師，研究方向：變電站檢修。