張鐵軍

(株洲變流技術(shù)國家工程研究中心有限公司，湖南株洲 412001)

0 引言

變頻器常采用三相橋式二極管整流器，連同直流母線支撐電容構(gòu)成變頻器的直流環(huán)節(jié)。為了限制系統(tǒng)上電時(shí)過大的充電電流對(duì)直流側(cè)電容的沖擊，往往在變頻器交流側(cè)或直流側(cè)設(shè)置軟充電電路。隨著自愈式膜電容的成熟和廣泛應(yīng)用，充電電流對(duì)直流側(cè)電容影響不再是問題。因此，從降低成本、減小損耗及優(yōu)化結(jié)構(gòu)的角度考慮，可以取消變頻器內(nèi)部的軟充電電路，但取消軟充電電路后，系統(tǒng)上電時(shí)，母線電壓很可能會(huì)由于交流側(cè)等效電感的存在而升高到危險(xiǎn)的等級(jí)，威脅主回路功率器件的安全。

圖1是一臺(tái)1.14 kV 380 kVA變頻器一次系統(tǒng)原理圖，虛線框中是典型的軟充電電路。變頻器前級(jí)供電變壓器規(guī)格為6 kV/1.14 kV/600 kVA，阻抗電壓 Δuk=4%，等效電阻 RT=12 mΩ。為改善網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)，交流側(cè)串入了電抗器，其電感值為80 μH，等效電阻為35 mΩ。圖2是將虛線框中的軟充電部分取消時(shí)變頻器上電瞬間直流母線電壓變化情況?？梢钥吹剑跊]有軟充電電路的情況下，系統(tǒng)上電瞬間，母線電壓猛升至2 480 V，功率器件的安全將受到威脅，因此在本例中軟充電電路不能取消。

本文通過分析變頻器充電過程等效電路，得出取消軟充電電路的前提是系統(tǒng)應(yīng)具備足夠的阻尼電阻，并使用二階電路穩(wěn)定性判據(jù)，推出該阻尼電阻的近似計(jì)算方法，進(jìn)而確定是否能取消軟充電電路。

1 充電過程等效電路及分析

在無軟充電電路時(shí)，電容器的充電非?？?，在此過程中整流橋工作在單相模式，即主要由某兩相電源參與電容器的充電。假設(shè)AB相參與電容充電，充電過程的電路可等效為圖3，箭頭所示為充電電流流向。

圖1 典型變頻器系統(tǒng)圖

圖2 系統(tǒng)上電、變頻器待機(jī)態(tài)時(shí)的直流母線電壓

圖3 直流母線電容充電過程的等效電路

在二極管導(dǎo)通時(shí)，該電路是二階RLC串聯(lián)電路，系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為

其中:Uc——電容兩端電壓(直流母線輸出電壓);

Us——激勵(lì)源交流電源線電壓;

ζ——系統(tǒng)的阻尼比;

對(duì)應(yīng)圖3，系統(tǒng)的阻尼電阻R=2R0，L=2L0，C=C1。

對(duì)于單位階躍激勵(lì)，二極管開通時(shí)有

以圖1中的實(shí)際情況為例，取系統(tǒng)每相等效電感L0=100 μH，直流側(cè)電容 C=4 mF、階躍激勵(lì)為1 600 V進(jìn)行驗(yàn)證，當(dāng)時(shí)，系統(tǒng)輸出電壓將不超過穩(wěn)態(tài)值1 600 V，事實(shí)上這里的1 600 V約等于1 140 V電源線電壓峰值，此時(shí)直流側(cè)過電壓最為惡劣。

對(duì)R0進(jìn)行參數(shù)掃描，結(jié)果如圖4所示。圖中從上至下依次是 R0=100，120，140，…280 mΩ時(shí)，直流母線電壓的情況，當(dāng)R0=200 mΩ時(shí)，系統(tǒng)電壓1 603 V，還存在超調(diào)，當(dāng)R0＞220 mΩ 已經(jīng)無超調(diào)。

對(duì)于交流正弦形式的電壓輸入，二極管開通時(shí)有

圖4 L0=100 uH，C=4 mF 時(shí)，R=100，120…280 mΩ時(shí)直流母線電壓

式中:ω——正弦電壓的角頻率;

A——正弦電壓的幅值。

當(dāng)ζ=0時(shí)，單位峰值正弦激勵(lì)下的輸出電壓波形如圖5所示。

圖5 單位峰值正弦激勵(lì)下，ζ=0時(shí)的輸出電壓波形

當(dāng)阻尼比ζ=0時(shí)，電容端電壓峰值大大超過正弦激勵(lì)峰值，系統(tǒng)有很大超調(diào)，峰值超過2 100 V，考慮到二級(jí)管的單向?qū)ㄌ匦?，?shí)際直流側(cè)電壓會(huì)穩(wěn)定在圖6所示波形的峰值。

當(dāng)0.1≤ζ≤1.2時(shí)，響應(yīng)情況如下:

(1)單位正弦激勵(lì)下，隨著阻尼系數(shù)的增加，輸出最大值呈衰減趨勢(shì)，0.7≤ζ≤0.9時(shí)，峰值誤差在5%以內(nèi)，考慮二極管的作用后，電容器上的電壓峰值也相應(yīng)的會(huì)在95%～105%以內(nèi)。

(2)與階躍激勵(lì)情況相比，正弦激勵(lì)下其激勵(lì)源的U-t特性比階躍響應(yīng)緩和很多，因此，在峰值不變的情況下，較小的阻尼比就可以使輸出電壓不超調(diào)，從而使直流母線電壓不超調(diào)的進(jìn)入穩(wěn)定。

2 仿真試驗(yàn)驗(yàn)證

以本文最開始的系統(tǒng)參數(shù)為例，交流側(cè)等效電感L=356 μH，直流母線電容C=4 mF，將上述方法應(yīng)用在三相系統(tǒng)中，變頻器上電、待機(jī)態(tài)時(shí)的直流母線電壓額定值為交流測(cè)電源線電壓峰值1 610 V。按照上述分析，取 300 mΩ＜R0＜380 mΩ時(shí)，系統(tǒng)阻尼系數(shù)滿足0.7＜ζ＜0.9，應(yīng)可以使輸出電壓無超調(diào)，從而保證直流母線電壓不超過正常值。

圖6 0.1≤ζ≤1.2時(shí)正弦激勵(lì)響應(yīng)情況

圖7 所示是對(duì)R0的取值從300～400 mΩ，以10 mΩ的間隔進(jìn)行掃描仿真的結(jié)果，Udc～Udc_10分別代表R0從300～400 m時(shí)系統(tǒng)上電、變頻器待機(jī)態(tài)時(shí)的直流母線電壓變化情況，Up是電源線電壓。由圖可看出，所取電阻值可以非常好地保證直流母線電壓不超過輸入電壓峰值。

圖7 變頻器上電、待機(jī)態(tài)時(shí)的直流母線電壓仿真結(jié)果

由于原系統(tǒng)等效電阻僅為47 mΩ，不能滿足阻尼系數(shù)要求，因此該系統(tǒng)不能取消軟充電單元。

針對(duì)上文所述進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)時(shí)，選取了阻值為600 mΩ的軟充電電阻，對(duì)應(yīng)的每相等效電阻R0=347 mΩ，圖8是實(shí)際的試驗(yàn)波形，從直流側(cè)電壓可以看到充電過程電壓無超調(diào)，很好地驗(yàn)證了上述方法的正確性。

圖8 實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)語

針對(duì)取消軟充電電路時(shí)變頻器上電、待機(jī)態(tài)直流母線電壓遠(yuǎn)超過系統(tǒng)正常電壓的現(xiàn)象，本文對(duì)電容充電時(shí)的電路進(jìn)行了等效，并采用二階電路的分析方法，提出了確保直流母線電壓不超標(biāo)時(shí)交流側(cè)阻尼電阻的計(jì)算方法，通過仿真證明了計(jì)算方法的有效性。在實(shí)際應(yīng)用過程中，可以將該方法來評(píng)估軟充電電路取消時(shí)系統(tǒng)的安全性及可靠性，如不能保證元件工作在安全區(qū)域，則需要增加相應(yīng)的阻尼電阻以使機(jī)組安全可靠的工作。

[1]黃立培.變頻器應(yīng)用技術(shù)及電動(dòng)機(jī)調(diào)速[M].北京:人民郵電出版社，1998.

[2]邱關(guān)源.電路[M].3版.北京:高等教育出版社，2000.