淺談大功率同步電機(jī)三電平變頻調(diào)速系統(tǒng)

劉松嶺

【摘 要】當(dāng)前，“節(jié)約能源”和“綠色環(huán)保”是全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主題，特別在中國顯得更為重要。交流同步機(jī)變頻拖動系統(tǒng)與直流拖動系統(tǒng)相比較具有效率高、功率因數(shù)高和諧波含量低等特點(diǎn)，是典型的“節(jié)能型綠色環(huán)保”產(chǎn)品。國外著名提升機(jī)電控系統(tǒng)制造商，如西門子、ABB早在20世紀(jì)90年代中期就放棄了直流拖動，普遍推廣應(yīng)用“同步機(jī)+三電平變頻”技術(shù)，因此交流同步變頻拖動系統(tǒng)是當(dāng)前乃至未來的發(fā)展方向。

【關(guān)鍵詞】淺談；大功率；電機(jī)；變頻調(diào)速

隨著科技的不斷進(jìn)步，電子產(chǎn)業(yè)更新?lián)Q代頻率越來越高，在大功率調(diào)速傳動領(lǐng)域已出現(xiàn)交流傳動取代直流傳動的趨勢。對于大容量生產(chǎn)機(jī)械，如軋鋼機(jī)、礦井提升機(jī)、船舶推進(jìn)以及牽引傳動，交流變頻同步電機(jī)調(diào)速傳動不僅具有與直流傳動同樣優(yōu)越的調(diào)速性能，還具有過載能力大、效率高、體積小、重量輕、轉(zhuǎn)動慣量小、維護(hù)簡單和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。同步電機(jī)與異步電機(jī)變頻調(diào)速相比較，又具有功率因數(shù)高、變頻器容量小、弱磁區(qū)轉(zhuǎn)矩特性好等特點(diǎn)。由于交流變頻同步電機(jī)調(diào)速傳動具有上述優(yōu)點(diǎn)，國內(nèi)外工業(yè)界在大容量調(diào)速傳動中已陸續(xù)采用并推廣這一技術(shù)。

1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及類型

三電平變頻調(diào)速系統(tǒng)基于數(shù)字化、自動化、網(wǎng)絡(luò)化和信息化等先進(jìn)技術(shù)，采用“交流同步變頻電機(jī)+雙三電平變頻器+全數(shù)字DSP調(diào)節(jié)控制+多PLC網(wǎng)絡(luò)控制+上位機(jī)診斷與監(jiān)控+局域網(wǎng)信息互聯(lián)”的控制模式，與其他一般型設(shè)備配套使用，完成大功率電力拖動系統(tǒng)調(diào)速控制。

內(nèi)容主要包括以下內(nèi)容：變壓器、高壓柜、低壓配電系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)、全數(shù)字同步機(jī)調(diào)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)（包括定子變流柜；勵(lì)磁整流柜；同步機(jī)交流系統(tǒng)調(diào)節(jié)柜）、操作臺及上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、其它部分外圍設(shè)備，系統(tǒng)總圖如下：

2.主要技術(shù)特點(diǎn)

2.1定子回路

定子變流采用背靠背雙三電平結(jié)構(gòu)，網(wǎng)側(cè)為三電平全控整流系統(tǒng)，主要作用為直流電壓調(diào)節(jié)和網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)控制，閥側(cè)為三電平逆變系統(tǒng)，主要完成速度閉環(huán)、轉(zhuǎn)矩控制、電流控制、功率因數(shù)調(diào)節(jié)等功能，中間為大容量電容器，主要起到濾波和無功緩沖作用。

三電平結(jié)構(gòu)可大大減輕du/dt 對功率器件和電機(jī)絕緣的影響，降低功率設(shè)備的EMI水平，減小系統(tǒng)損耗。同時(shí)背靠背拓?fù)淅诠β氏到y(tǒng)結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，利于維護(hù)，使系統(tǒng)可靠性大大增強(qiáng)。

2.2諧波污染

由于晶閘管變流器采用相切控制方式調(diào)節(jié)直流電壓或電流，使電網(wǎng)正弦波型受到切割，并由此產(chǎn)生諧波電流，致使電網(wǎng)電壓波形畸變。危害是使設(shè)備發(fā)熱，力矩不穩(wěn)，甚至損壞。

而同步電機(jī)變頻系統(tǒng)，采用了先進(jìn)的SVPWM控制技術(shù)，抑制了諧波，系統(tǒng)諧波含量極小。滿足國際和國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，不需要增加治理裝置。

2.3功率因數(shù)

晶閘管裝置基本上相對于一個(gè)感性負(fù)載，隨著控制角的改變，其功率因數(shù)也發(fā)生變化。運(yùn)行期間一般在0.02-0.7之間，即起動階段功率因數(shù)很低，等速段功率因數(shù)較高，需要進(jìn)行無功補(bǔ)償。而且直流系統(tǒng)啟動無功沖擊大，引起電網(wǎng)電壓發(fā)生波動，尤其對礦井提升機(jī)這類短時(shí)重復(fù)工作制的負(fù)荷，電壓波動問題更加突出。

而采用全控整流變換器進(jìn)行網(wǎng)側(cè)接口的三電平交直交變換器 可實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)為0.98以上，在輕載時(shí)還可對其他無功需求進(jìn)行補(bǔ)償，其網(wǎng)側(cè)諧波含量可在不增加濾波器的前提下符合國際標(biāo)準(zhǔn)。

2.4調(diào)速性能

目前交流電機(jī)的調(diào)速技術(shù)已經(jīng)非常成熟，同步機(jī)變頻調(diào)試系統(tǒng)采用矢量控制技術(shù)，或稱磁場定向控制技術(shù)，通過坐標(biāo)變換，把交流電機(jī)的定子電流分解成轉(zhuǎn)矩分量和勵(lì)磁分量，用來分別控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁通，就可以獲得和直流電機(jī)相仿的高動態(tài)性能。

（1）同直流系統(tǒng)相比，同步機(jī)變頻系統(tǒng)具有更好的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，直流系統(tǒng)功率器件是晶閘管，控制周期是3.3ms，而同步機(jī)變頻系統(tǒng)使用的是IGBT，控制頻率一般是2KHZ，根本不是一個(gè)數(shù)量級的。

（2）直流系統(tǒng)在低速時(shí)，不可避免的要受電流紋波的影響（3.3ms），低速精度會有影響；而同步機(jī)變頻系統(tǒng)低速控制精度要好于直流電機(jī)，可實(shí)現(xiàn)零速時(shí)全負(fù)載。

（3）基于電機(jī)的原因，由于同步機(jī)沒有換向火花對過載能力的限制，同步機(jī)變頻系統(tǒng)過載能力也大于直流電控系統(tǒng)。電控系統(tǒng)的過載能力只與功率器件有關(guān)系。

2.5單、雙繞組同步電機(jī)變頻控制系統(tǒng)

單繞組和雙繞組同步電機(jī)價(jià)格相當(dāng)。對電控系統(tǒng)來說，雙繞組電控系統(tǒng)價(jià)格要高于單繞組電控系統(tǒng)約30%，但是雙繞組同步電機(jī)電控系統(tǒng)是每個(gè)繞組配置一臺變頻器，當(dāng)一臺變頻器回路出現(xiàn)故障時(shí)（例如高壓柜、變壓器、變頻器等），當(dāng)可實(shí)現(xiàn)半速全載運(yùn)行。

3.技術(shù)應(yīng)用

三電平高壓變頻器中同時(shí)應(yīng)用SVPWM和SHEPWM，即低頻時(shí)采用異步SVPWM，高頻時(shí)采用SHEPWM，避免了高頻時(shí)SVPWM諧波特性變差和SHEPWM在低頻時(shí)存儲量大的缺點(diǎn)，充分發(fā)揮了二者的優(yōu)點(diǎn)，使變頻器在整個(gè)工作范圍內(nèi)都可以有效抑制低次諧波，得到較好的輸出波形?；旌险{(diào)制的難點(diǎn)在于銜接問題，文中分析了影響二者之間平滑切換的原因并提出了具體的解決方法，保證了切換過程中電壓和電流沒有跳變。采用PSIM軟件對三電平SVPWM和SHEPWM進(jìn)行了仿真研究，并在實(shí)際三電平變頻器控制平臺上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。在電力系統(tǒng)、軋鋼、造紙、煤炭等領(lǐng)域?qū)υO(shè)備可靠性、安全性要求很高的應(yīng)用場合，采用三電平變頻調(diào)速系統(tǒng)，不但能降低能耗，而且可以改善工藝水平，提高生產(chǎn)效率。此變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，體積小。與兩電平相比，采用同樣電壓等級，器件可以實(shí)現(xiàn)2倍的電壓輸出。降低電機(jī)的共模電壓，降低對電網(wǎng)的共模干擾。能方便實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動，電機(jī)的四象限運(yùn)行。與兩電平相比，輸出du/dt減小一半，相電壓輸出電平數(shù)增加，輸出諧波減小。

“三電平控制”，既繼承了“二電平控制”的優(yōu)點(diǎn)，又解決了原來“二電平控制”的缺點(diǎn)和不足，但是，三電平變頻器涉及到一個(gè)中心點(diǎn)接地的問題，由于現(xiàn)在我們國家煤礦井下的供電系統(tǒng)，規(guī)定中心點(diǎn)不接地，為此目前所研發(fā)的三電平變頻器能否應(yīng)用到井下，便是一個(gè)急需解決的問題。