6 kV 高压变频调速系统恒压频比控制研究

翟学锋，徐 钢，李辰龙，杨宏宇

(江苏方天电力技术有限公司，江苏南京 211102)

面对可再生资源消耗过大、能源短缺的局面，我国提出要建立资源节约型、环境友好型社会。高压变频调速系统中由于使用了高压变频器，较之于不使用变频器调速的场合，平均可节能约30%，因而在电力、石化、钢铁等工业领域得到广泛的应用[1]。

目前对高压变频调速系统研究，主要集中在高压变频器（通常为6 kV、10 kV）自身的研究，而对于高压变频器与电机之间如何协调控制研究得不多[2，3]。高压变频器通常由若干个低压变频器串联而成，因此对其控制比较复杂。交流电机调速的方法通常有恒压频比控制、矢量控制等。恒压频比控制结构简单、成本低、控制方便，广泛应用于各种生产场合。矢量控制虽然调速性能高，但结构复杂、成本高、控制复杂。考虑到高压变频调速系统绝大部分用于风机和水泵，而风机、水泵对调速性能的要求不是太高，因此本文采用恒压频比控制方法[4，5]。在所有高压变频器种类当中，级联型移相式高压变频器由于串联了若干个低压功率单元来实现高压输出，对电网谐波污染较小，输出电压和电流的谐波含量低，输入功率因数较高，且不必采用谐波滤波器和功率因数变换器，在实际中应用广泛[6-9]。

1 级联型多电平高压变频器结构

级联型多电平高压变频器是将若干个模块化低压功率单元串联，以实现高电压输出。5 级功率单元串联的变频器拓扑结构如图1（a）所示。系统由多重化移相式变压器、级联型功率单元以及高压电动机3个部分组成。其中多重化移相式变压器可以提高系统整流的脉动次数，减少电网的谐波污染。以5 级功率单元串联为例，多重化移相变压器的一次侧直接与6 kV 电网相连，其二次侧共有5 组15 路，其中A1，B1，C1为一组三相绕组，每组的A，B，C 三相之间保持120°的相角关系，而组与组之间相位角不同，以（+24°，+12°，0°，-12°，-24°）的移相角构成了五重移相变压器，这样整个变频器系统就相当于30 脉波整流，理论上电网侧的输入电流中不含有29 次以下谐波，这样对电网的谐波污染非常小，不必另外设置输入滤波器进行滤波。单个功率单元拓扑结构如图1（b）所示。它由三相整流桥、滤波电容和H 逆变桥3 部分构成。多个功率单元输出电压叠加形成每相输出相电压。以6 kV 线电压输出为例，相电压的大小为3450 V，5 级单元串联时每个功率单元输出电压为690 V，可以采用普通的低压IGBT 器件。

图1 级联型变频器及功率单元拓扑结构

2 异步电机的恒压频比控制

假设三相异步电动机三相绕组对称，空间互差电角度，所产生的磁动势沿气隙圆周正弦分布，绕组的自感和互感都是线性的，那么异步电动机的三相定子电压方程为：

当电机转速较大时，定子绕组压降可以忽略，则式（1）近似为：

即：

式（1—3）中：U，Ψ 分别为U˙和Ψ˙的模，则：

恒压频比控制就是保持U/f为常数，那么磁链Ψ也为一常数，从而使交流电机得到类似于直流电机的性能。异步电动机恒压频比变频调速系统原理结构如图2 所示，系统由升降速时间设定、U/f 曲线、正弦波脉冲宽度（SPWM）调制和驱动等环节组成。其中升降速时间设定用来限制电动机的升频速度，避免转速上升过快而造成电流和转矩的冲击，相当于软起动控制的作用。U/f 曲线用于根据频率确定相应的电压，以保持压频比不变（U/f=常数），并在低频时进行适当的电压补偿。SPWM 和驱动环节将根据频率和电压要求产生按正弦脉宽调制的驱动信号，并控制逆变器，以实现电动机的变压变频调速。

图2 恒压频比变频调速系统原理图

3 仿真结果及分析

3.1 6 kV 高压变频器仿真

基于Matlab/Simulink 对6 kV 高压变频器进行仿真研究。首先对单个功率单元进行建模与仿真，如图3所示。图3 中有三相交流电源、整流桥、直流滤波环节、逆变器和脉冲信号等模块。其中脉冲信号采用载波移相SPWM 技术，由2个反相的正弦波与同一个三角载波比较产生。仿真参数：电源线电压690 V，频率50 Hz，电源内阻Rs=0.91 Ω，电感Ls=0.002 9 H，直流滤波电容C=3000 μF。

在对单个功率单元进行仿真后，由5个功率单元级联形成高压变频器的一相（如A 相），同理可得到B相、C 相。高压变频器不带负载时输出的相电压和三相线电压波形如图4、图5 所示。

图3 单个功率单元仿真模型

图4 高压变频器一相电压波形

图5 三相变频器线电压波形图

由图4、图5 可以看出，高压变频器一相输出电压有11个阶梯波，波形接近正弦波；而三相变频器线电压有21个阶梯波，比相电压的波形更接近于正弦波，因此谐波分量非常低。

3.2 控制系统仿真及分析

对6 kV 载波移相高压变频调速控制系统进行仿真试验研究。变频器参数同上。电机参数：额定功率Pe=500 kW，额定转速n=1450 r/min，额定电压Ue=6000 V，定子电阻Rs=2 Ω，定子漏抗Lls=0.022 29 H，转子电阻Rr=1.9 Ω，转子漏抗Llr=0.015 92 H，定、转子互感Lm=0.748 4 H，转动惯量J=48 kg·m2，极对数p=2。

高压变频调速系统恒压频比控制系统Matlab 仿真图如图6 所示。其中SPWM为正弦波脉冲宽度调制，三相共15 路脉冲波形，作为逆变器的输入信号。让电机带负载(1000 N·m)运行，电压变化上升、定子电流和电磁转矩波形如图7—9 所示。

从图7—9 可以看出，在启动过程中，变频器的输出电压随频率的升高而上升，到3 s 左右达到稳定。启动定子电流大小约为140 A，启动转矩比较大。

图6 高压变频调速系统恒压频比控制系统Matlab 仿真图

图7 变频器电压变化过程波形图

图8 定子电流波形

图9 电机带负载时转矩波形

为了验证高压电机带变频器运行的优越性，将带变频器的恒压频比高压电机控制系统与高压异步电机直接启动控制系统作对比。高压电机直接启动时的定子电流和转矩波形如图10、图11 所示。

图10 电机直接启动定子电流波形

图11 电机直接启动转矩波形

比较图10、图11 可以看出，无论是定子电流还是电磁转矩，直接启动时都远远大于带变频器启动。变频启动过程平稳，对电网的冲击小。因此本文针对6 kV高压变频器所采用恒压频比控制方法完全可行，具有很好的控制效果。

4 结束语

通过对6 kV 载波移相式SPWM 调制高压变频器基本结构、原理的分析进行仿真研究，得到近似为正弦波的输出电压波形，谐波分量低。在此基础上，基于异步电机恒压频比控制的理论，对6 kV 载波移相高压变频系统进行控制。研究表明：与高压异步电机直接启动相比，基于恒压频比控制的级联型高压变频系统启动电流小、转矩脉动小、对电网冲击小，则启动性能更好。

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