高壓大容量靜止變頻器的換流方式研究

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。目前,以晶閘管為換流器件的高壓大容量靜止變頻器是實(shí)現(xiàn)大型同步電機(jī)變頻啟動(dòng)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(shí)現(xiàn)器件自關(guān)斷,需要合適的換相方法使其關(guān)斷。

1靜止變頻系統(tǒng)啟動(dòng)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(lì)磁系統(tǒng)控制等在內(nèi)的任務(wù)。

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(hào)轉(zhuǎn)換為低壓小電流信號(hào),測量單元將低壓小電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),然后傳遞給控制器中的控制程序計(jì)算使用?？刂破鞲鶕?jù)輸入信號(hào),通過計(jì)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(lì)磁系統(tǒng)的通信,完成同步電機(jī)啟動(dòng)、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(hào)的生成、轉(zhuǎn)換和傳遞,控制器產(chǎn)生的觸發(fā)信號(hào)由閥控制器轉(zhuǎn)換為光信號(hào)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(gè)周期內(nèi)近似恒定不變,逆變電路按照1204的導(dǎo)電工作方式,在觸發(fā)上橋臂晶閘管導(dǎo)通時(shí),下橋臂處于關(guān)斷狀態(tài),三相橋臂觸發(fā)信號(hào)相位差1204。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(shí),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(dòng)勢F'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(shí)注入定子繞組的電流IBC的基波分量產(chǎn)生磁動(dòng)勢F'BC。根據(jù)交流發(fā)電機(jī)電樞反應(yīng)理論,勵(lì)磁磁動(dòng)勢Ff與電樞磁動(dòng)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(lì)磁磁動(dòng)勢、電樞磁動(dòng)勢(At):9為兩個(gè)磁動(dòng)勢的夾角(4)。

由式(1)可知,當(dāng)電樞磁動(dòng)勢超前勵(lì)磁磁動(dòng)勢904時(shí),正向電磁轉(zhuǎn)矩最大,根據(jù)勵(lì)磁磁動(dòng)勢的位置,將轉(zhuǎn)子位置平面分為6個(gè)扇區(qū),當(dāng)勵(lì)磁磁動(dòng)勢進(jìn)入第1扇區(qū),應(yīng)導(dǎo)通T1'、T6',當(dāng)勵(lì)磁磁動(dòng)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(dòng)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):coso為靜止變頻器功率因數(shù):小為磁通(wb)。

當(dāng)逆變電路的觸發(fā)角保持不變時(shí),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(lì)磁控制磁通的大小,而在啟動(dòng)過程中,根據(jù)不同階段的控制策略,電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁由靜止變頻器的控制器控制。在實(shí)際工作時(shí),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(shí),通過控制直流電流的大小實(shí)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(shí),使流過晶閘管電流過零后再施加一定時(shí)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(shí)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(shí)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uAkuB,晶閘管T1'承受正向電壓將繼續(xù)導(dǎo)通,而T3'經(jīng)過觸發(fā)后承受反向電壓無法導(dǎo)通,將導(dǎo)致?lián)Q流失敗。

為了使晶閘管T1'關(guān)斷,同時(shí)晶閘管T3'導(dǎo)通,必須在自然換相點(diǎn)提前一個(gè)角度觸發(fā)晶閘管T3',如圖3(b)所示s點(diǎn),由于0<ol<8,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?T1'關(guān)斷而T3'導(dǎo)通,從而實(shí)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(lì)磁電動(dòng)勢示意圖(圖4),觸發(fā)晶閘管的相位超前于勵(lì)磁電動(dòng)勢自然換相的相位角稱為空載超前觸發(fā)角80,而由于電樞反應(yīng)的影響,機(jī)端電壓超前勵(lì)磁電動(dòng)勢相位6,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8,所以空載超前觸發(fā)角80和超前觸發(fā)角8相差相位角6。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(shí)間,通常把這段時(shí)間對(duì)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(lì)磁電動(dòng)勢相位關(guān)系如圖>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(shí)間,這段時(shí)間對(duì)應(yīng)的電角度稱為換流剩余角yc,其表達(dá)式為:

為了防止逆變電路換相失敗,超前導(dǎo)通角的大小必須在任何工況下均大于最小逆變角8min:

式中:g為晶閘管的固有關(guān)斷時(shí)間折算成的電角度:μi為換相重疊角:9'為安全裕量角。

一方面,空載超前觸發(fā)角80需整定得足夠大,但隨著80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80整定為60o: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(duì)空載超前觸發(fā)角80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(shí),勵(lì)磁電動(dòng)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(shí)現(xiàn)負(fù)載換流,最常用的方法是采用脈沖換流法來實(shí)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(shí),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(shí)現(xiàn)換流。由于采用脈沖換流法時(shí),超前導(dǎo)通角的大小不會(huì)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80=0o。

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(dòng)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80恒定控制、超前觸發(fā)角8恒定控制和換流剩余角yc恒定控制,這3種控制方法各有優(yōu)勢。

對(duì)于空載超前觸發(fā)角80恒定控制,由圖4可以看出,80是以電機(jī)的勵(lì)磁電動(dòng)勢為參考,同時(shí)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80控制同步發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)角,而同步電動(dòng)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(dòng)轉(zhuǎn)矩控制的目的。但是,當(dāng)負(fù)載增大時(shí),勵(lì)磁電動(dòng)勢和機(jī)端電壓之間的夾角即功角6將增大,如果繼續(xù)控制80恒定,導(dǎo)致8=80-6減小,就會(huì)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(jì)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(shí)如果保持超前觸發(fā)角8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yc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(dòng)時(shí)間,同時(shí)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(dòng)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。