高压变频器“飞车启动”功能的实现

1  引言    大功率高压变频器广泛地应用于石油化工、电力、冶金、城市建设等行业的各种风机、泵类设备，在降耗节能、改善工艺等方面起着重要的作用。但随着系统应用领域的扩大,简单的无速度传感器VVVF控制大功率高压变频器也存在许多需要完善的功能,电机转子处在旋转状态下的变频器启动即所谓“飞车启动”就是比较重要的功能。    在大型的拖动系统中，特别是在风机应用的场合，其转子及所带设备的转动惯量都很大，从旋转状态到静止状态的自由停车时间从几十分钟到几个小时。如果因电网原因或误操作或随机的干扰使变频器掉电又重新上电，这时电动机的转子还处于旋转状态，这时若变频器只能在转子静止状态进行启动，则在很多场合如石油化工过程、发电厂锅炉等生产工艺要求严格的工作环境，变频器带动的电机不能及时恢复运行，将会使整个系统停产或机组解列，对于一个大型的系统来说，意外的系统停机将会使用户遭受不可估量的经济损失。    另外，在高压变频器“一拖多”的泵类应用场合，即一套高压变频器“软起动”一台泵到50Hz后将其转到工频，再按同样方式“软起动”另一台，仅最后一台泵用高压变频器调速运行调节供水量。当调速泵退出时出水量还多于需求量还要下调时，就要把某台工频的泵转入变频器调速，这种场合要求变频器具有“变频―工频―变频投切”功能，而从工频到变频的投切同样要求高压变频器必须具有“飞车启动”特性。        还有些不允许变频器驱动的生产设备停机的场合,变频器出现故障或需要维护时,要求把运行的电动机切换到工频运行状态,保证生产设备不停机;当变频器维护完毕允许重新投入运行时,再投入变频运行状态,以满足重要过程控制场合的实际需求，这也要求高压变频器必须具有“飞车启动”特性。    因此，大功率高压变频器具有“飞车启动”的功能，在满足用户需求方面是必不可少的重要条件。否则，将会限制其在大型工业领域中的应用。   2  多电平单元串联电压源型高压变频器系统简介 2.1 主回路系统结构简介    多电平单元串联电压源型高压变频器是国内应用较多的，对于每相六个单元的高压变频器主回路结构如图1所示。首先由移相变压器将三相三绕组的高压降为三相多绕组的低压，为降低对电网的谐波影响，经延边三角形移相处理，使低压侧每相的六个绕组电压相位互差10�。

图1  多电平单元串联电压源型变频器主回路

功率单元结构如图2所示，每个单元输入侧为6脉波的三相全波二极管整流桥，每相六个单元输入电压互差10�，呈现给电网侧的相当于36脉波的整流器。

图2  功率单元电气回路原理图

每一个单元为低压变频器，由整流桥，储能电容，H桥输出逆变器组成，由于输入侧为二极管整流，功率流只能是从整流侧输入从H桥逆变器输出，如果从H桥向功率单元有功率流入的话，只能使储能电容电压不断升高而损坏。故此，应防止变频器所驱动的电机进入发电状态向变频器回馈能量。    变频器运行时，三相交流电源通过功率单元内整流二极管桥进行整流，电容阵列对脉动直流进行滤波，变为恒定的直流。电容阵列同时作为PWM输出的能量中继池，提供给输出回路稳定的电压。    每相6个功率单元的H桥逆变器，其PWM输出控制信号由公共的正弦波和6个三角载波比较生成，6个三角载波按其自身周期的1/6互相错开，使6个单元相互串联叠加后输出电压为13阶梯波，如图3所示。其中UA1…UA6分别为A相6个功率单元的输出电压，叠加后为变频器A相输出电压UA0。图3中显示出了生成PWM控制信号时所采用A相参考电压UAr，可以看出UA0很好地逼近UAr。UAF为A相输出电压中的基波成分。    对6kV变频器，功率单元的输入电压为三相600V，当变频器输出频率为50Hz时，功率单元输出为单相577V，单元相互串联叠加后可输出相电压3464V。

图3  相电压回路叠加波形

   由于变频器中点与电动机中性点不连接,变频器输出实际上为线电压，由A相和B相输出电压产生的UAB输出线电压可达6000V,为25阶梯波。图4所示为输出的线电压和相电压的阶梯波形,谐波成分及dv/dt均较小。

图4  线电压叠加波形