高壓變頻器“飛車啟動”功能的實現

1  引言    大功率高壓變頻器廣泛地應用于石油化工、電力、冶金、城市建設等行業(yè)的各種風機、泵類設備，在降耗節(jié)能、改善工藝等方面起著重要的作用。但隨著系統(tǒng)應用領域的擴大,簡單的無速度傳感器VVVF控制大功率高壓變頻器也存在許多需要完善的功能,電機轉子處在旋轉狀態(tài)下的變頻器啟動即所謂“飛車啟動”就是比較重要的功能。    在大型的拖動系統(tǒng)中，特別是在風機應用的場合，其轉子及所帶設備的轉動慣量都很大，從旋轉狀態(tài)到靜止狀態(tài)的自由停車時間從幾十分鐘到幾個小時。如果因電網原因或誤操作或隨機的干擾使變頻器掉電又重新上電，這時電動機的轉子還處于旋轉狀態(tài)，這時若變頻器只能在轉子靜止狀態(tài)進行啟動，則在很多場合如石油化工過程、發(fā)電廠鍋爐等生產工藝要求嚴格的工作環(huán)境，變頻器帶動的電機不能及時恢復運行，將會使整個系統(tǒng)停產或機組解列，對于一個大型的系統(tǒng)來說，意外的系統(tǒng)停機將會使用戶遭受不可估量的經濟損失。    另外，在高壓變頻器“一拖多”的泵類應用場合，即一套高壓變頻器“軟起動”一臺泵到50Hz后將其轉到工頻，再按同樣方式“軟起動”另一臺，僅最后一臺泵用高壓變頻器調速運行調節(jié)供水量。當調速泵退出時出水量還多于需求量還要下調時，就要把某臺工頻的泵轉入變頻器調速，這種場合要求變頻器具有“變頻―工頻―變頻投切”功能，而從工頻到變頻的投切同樣要求高壓變頻器必須具有“飛車啟動”特性。        還有些不允許變頻器驅動的生產設備停機的場合,變頻器出現故障或需要維護時,要求把運行的電動機切換到工頻運行狀態(tài),保證生產設備不停機;當變頻器維護完畢允許重新投入運行時,再投入變頻運行狀態(tài),以滿足重要過程控制場合的實際需求，這也要求高壓變頻器必須具有“飛車啟動”特性。    因此，大功率高壓變頻器具有“飛車啟動”的功能，在滿足用戶需求方面是必不可少的重要條件。否則，將會限制其在大型工業(yè)領域中的應用。   2  多電平單元串聯(lián)電壓源型高壓變頻器系統(tǒng)簡介 2.1 主回路系統(tǒng)結構簡介    多電平單元串聯(lián)電壓源型高壓變頻器是國內應用較多的，對于每相六個單元的高壓變頻器主回路結構如圖1所示。首先由移相變壓器將三相三繞組的高壓降為三相多繞組的低壓，為降低對電網的諧波影響，經延邊三角形移相處理，使低壓側每相的六個繞組電壓相位互差10?。

圖1  多電平單元串聯(lián)電壓源型變頻器主回路

功率單元結構如圖2所示，每個單元輸入側為6脈波的三相全波二極管整流橋，每相六個單元輸入電壓互差10?，呈現給電網側的相當于36脈波的整流器。

圖2  功率單元電氣回路原理圖

每一個單元為低壓變頻器，由整流橋，儲能電容，H橋輸出逆變器組成，由于輸入側為二極管整流，功率流只能是從整流側輸入從H橋逆變器輸出，如果從H橋向功率單元有功率流入的話，只能使儲能電容電壓不斷升高而損壞。故此，應防止變頻器所驅動的電機進入發(fā)電狀態(tài)向變頻器回饋能量。    變頻器運行時，三相交流電源通過功率單元內整流二極管橋進行整流，電容陣列對脈動直流進行濾波，變?yōu)楹愣ǖ闹绷?。電容陣列同時作為PWM輸出的能量中繼池，提供給輸出回路穩(wěn)定的電壓。    每相6個功率單元的H橋逆變器，其PWM輸出控制信號由公共的正弦波和6個三角載波比較生成，6個三角載波按其自身周期的1/6互相錯開，使6個單元相互串聯(lián)疊加后輸出電壓為13階梯波，如圖3所示。其中UA1…UA6分別為A相6個功率單元的輸出電壓，疊加后為變頻器A相輸出電壓UA0。圖3中顯示出了生成PWM控制信號時所采用A相參考電壓UAr，可以看出UA0很好地逼近UAr。UAF為A相輸出電壓中的基波成分。    對6kV變頻器，功率單元的輸入電壓為三相600V，當變頻器輸出頻率為50Hz時，功率單元輸出為單相577V，單元相互串聯(lián)疊加后可輸出相電壓3464V。

圖3  相電壓回路疊加波形

   由于變頻器中點與電動機中性點不連接,變頻器輸出實際上為線電壓，由A相和B相輸出電壓產生的UAB輸出線電壓可達6000V,為25階梯波。圖4所示為輸出的線電壓和相電壓的階梯波形,諧波成分及dv/dt均較小。

圖4  線電壓疊加波形