變頻器高壓電源瞬時失電連續(xù)運(yùn)行研究

1、變頻器高壓電源瞬時失電連續(xù)運(yùn)行研究李凱 白德芳 劉爽哈爾濱九洲電氣股份有限公司摘要：高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)現(xiàn)場應(yīng)用復(fù)雜，工藝多樣。在重要的大型工業(yè)系統(tǒng)中，高壓電源系統(tǒng)有雙備用，緊急互投等功能，當(dāng)變頻器對大功率的電機(jī)供電時，如果高壓電源進(jìn)行切換，將出現(xiàn)0.1 s1.5 s左右的失電間隔，要求變頻器在失電間隔中能正常工作，且轉(zhuǎn)速波動較小，達(dá)到系統(tǒng)在失電期間不出現(xiàn)劇烈振蕩。對于多電平單元串聯(lián)電壓源型變頻器，當(dāng)通過對功率單元電容值的加大，PWM輸出占空比減小的方法提高失電連續(xù)運(yùn)行性能，其效果均不理想。在經(jīng)過大量論證后，采用特殊的DSP控制邏輯，并利用旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)中的飛輪動能轉(zhuǎn)換，取得實(shí)現(xiàn)變頻器在高壓瞬時失電時保

2、持穩(wěn)定運(yùn)行。關(guān)鍵詞：高壓變頻器 瞬時失電 飛輪動能Study of Disquisition of Consecutive Function in High Voltage Source InstantaneousVoltage Disappear of High Voltage ConverterLi Kai Bai Defang Liu ShuangAbstract：high voltage frequency inverter system application is complexity on work place, diversiform manipulative techniqu

3、e . In important large industry system , high voltage power source system is provided with two standby and peremptorily mutual switch much capability. Then frequency inverter equipment supply high power electromotor energy source , if high voltage energy source come forth mutual switch, that engende

4、r zero point one to one point five second of electric source disappear litter, need frequency inverter equipment can normally work time slot, moreover speed fluctuate less, achieve system not acutely surge betwixt electric source disappear of time. Toward frequency inverter equipment of voltage sour

5、ce of cell mid series of multi-level voltage, can pass toward increase capacitance element capability of power cell , PWM output minis take/leisure scale of method boost，but outcome all not perfect. Pass much demonstrate course, that applications especial DSP Boolean calculation, also being flywheel

6、 kinetic energy conversion by turning system., can carry out frequency inverter equipment persistence stably operate in time of high voltage source disappear.Keywords：The frequency inverter equipment of high voltage moment voltage disappear flywheel kinetic energy1 引言進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著世界經(jīng)濟(jì)的復(fù)蘇，國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國際上的各

7、種能源價格不斷上漲，國內(nèi)的能源價格也同步上漲。在能源成本的壓力下，國內(nèi)的企業(yè)開始大量應(yīng)用各種節(jié)能降耗設(shè)備。在大型工業(yè)系統(tǒng)中，用變頻器帶動電動機(jī)的應(yīng)用越來越廣泛，容量越來越大，關(guān)聯(lián)系統(tǒng)越來越多，要求的等級越來越高，對變頻器相應(yīng)的性能要求隨之越來越嚴(yán)。在大型的風(fēng)機(jī)拖動中，風(fēng)機(jī)葉輪與電機(jī)轉(zhuǎn)子的質(zhì)量加起來均達(dá)到上千kg以上，造成在系統(tǒng)中回轉(zhuǎn)部分的轉(zhuǎn)動慣量極大，高速時儲存的飛輪動能極多，風(fēng)機(jī)的啟動時間長、電流大屬于對回轉(zhuǎn)體系統(tǒng)中飛輪動能的儲存過程。當(dāng)風(fēng)機(jī)在高速運(yùn)行時，電機(jī)斷電停止后，由于其回轉(zhuǎn)系統(tǒng)中儲存飛輪動能在阻力下慢慢損耗，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速只會緩慢下降。只有當(dāng)全部飛輪動能損耗完畢后，風(fēng)機(jī)才能完全停止，故而大

8、型風(fēng)機(jī)自由停車的時間都很長，且在停止過程中轉(zhuǎn)速下降較慢。當(dāng)在高壓電源系統(tǒng)出現(xiàn)問題時，進(jìn)行重合閘，互相投切時，由于高壓電網(wǎng)的滅弧，消磁等因素，都會出現(xiàn)0.11.5 s左右的失電間隔。風(fēng)機(jī)等負(fù)荷由于自身的飛輪動能支持下，轉(zhuǎn)速變化不大，使電機(jī)具備直接加電的條件。故在高壓系統(tǒng)瞬間失電時大容量高壓電機(jī)的高壓電開關(guān)均保持在合閘位置，在電源恢復(fù)時，由于電機(jī)轉(zhuǎn)速仍然很高，電機(jī)上電時沖擊電流很小，不會造成電網(wǎng)波動，能夠保持系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行。當(dāng)變頻器在瞬時失電時不能維持連續(xù)運(yùn)行，不但會造成高壓電機(jī)出現(xiàn)瞬時失電時停止運(yùn)行，且與原工藝要求相抵觸。那么在需要一個工作區(qū)的時間內(nèi)動力部分不能停止的大型系統(tǒng)中將無法使用變頻器，

9、而國內(nèi)節(jié)能潛力最大的部分就包含在其中，故對老系統(tǒng)的大型電機(jī)進(jìn)行變頻改造時，將要求變頻器具有瞬時失電而能連續(xù)運(yùn)行的功能。大功率高壓變頻器具有在瞬時失電而保持連續(xù)運(yùn)行的功能要求，已經(jīng)是高壓變頻器在在大型系統(tǒng)中運(yùn)行的必然要求。2 大功率高壓變頻器瞬時失電連續(xù)運(yùn)行的原理性研究2.1 實(shí)現(xiàn)多電平單元串聯(lián)電壓源型變頻器瞬時失電連續(xù)運(yùn)行的研發(fā)流程1）多電平單元串聯(lián)電壓源型變頻器瞬時失電連續(xù)運(yùn)行可行性分析；2）制定多電平單元串聯(lián)電壓源型變頻器瞬時失電連續(xù)運(yùn)行研發(fā)方案；3）制作變頻器瞬時失電連續(xù)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；4）進(jìn)行變頻器瞬時失電連續(xù)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，并對結(jié)果進(jìn)行分析，確定方案效果；5）根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、進(jìn)行研發(fā)方案的進(jìn)一

10、步改進(jìn)；6）實(shí)現(xiàn)多電平單元串聯(lián)電壓源型變頻器瞬時失電連續(xù)運(yùn)行功能；7）重載測試通過并進(jìn)行驗(yàn)收；8）現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行。2.2 電機(jī)系統(tǒng)中轉(zhuǎn)子回路飛輪動能利用的數(shù)學(xué)計(jì)算分析1）飛輪結(jié)構(gòu)。飛輪結(jié)構(gòu)形狀本由輪緣A、輪轂B、輪輻C組成，對于不同的回轉(zhuǎn)物體，都可以轉(zhuǎn)化為英雄?；灸Ｐ瓦M(jìn)行計(jì)算，其外形如圖1所示。圖1 飛輪結(jié)構(gòu)圖2）飛輪慣量計(jì)算。在工程計(jì)算中，采用近似值方法：式中：為飛輪矩； 為輪緣的質(zhì)量。3）轉(zhuǎn)子回路中飛輪動能的計(jì)算。最大盈虧功：指驅(qū)動功與阻抗功之差的最大值。式中：為軸心慣量；為飛輪慣量；為運(yùn)行時最大角速度；為運(yùn)行時最小角速度；為速度波動系數(shù)；為角速度變化值。4）飛輪系統(tǒng)的各參數(shù)之間的關(guān)系。當(dāng)

11、飛輪較大，飛輪慣量JF值就很大，在消耗一定的盈虧功Wmax與角頻率變化值m數(shù)值不大時，波動也很小。 由于飛輪慣量JF值是定值，在消耗盈虧功Wmax比較大時，m數(shù)值較大，波動也很大。當(dāng)盈虧功Wmax和波動一定時，飛輪慣量JF值與角頻率變化值m平方成反比。2.3 深入剖析多電平單元串聯(lián)電壓源型變頻器的結(jié)構(gòu)1）多電平單元串聯(lián)電壓源型變頻器的主回路拓樸。其示意圖如圖2所示。圖2 多電平單元串聯(lián)電壓源型變頻器主回路2）主回路工作原理。高壓電源首先供給移相變壓器主繞組，在移相變壓器副邊有18個相互獨(dú)立的繞組，其按延邊三角形的繞法，實(shí)現(xiàn)每個10的移相的組別，用于分別給18個功率單元供電，18個根據(jù)組別組成A

12、，B，C 3組，串聯(lián)成為星形連接結(jié)構(gòu)方式輸出頻率可調(diào)的正弦波，供給高壓電動機(jī)運(yùn)行與調(diào)速使用。3）功率單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)。多電平單元串聯(lián)電壓源型變頻器的所有功率單元都是相同的，其原理如圖3所示。圖3 功率單元電氣回路原理圖4）功率單元工作原理。每一個單元相當(dāng)于一個小功率低壓變頻器，由整流輸入二極管橋，儲能電容，H橋形輸出斬波IGBT組成。三相交流電源通過功率單元內(nèi)整流二極管橋進(jìn)行整流后，將其輸入電容陣列，電容陣列對脈動的直流進(jìn)行濾波，使其變?yōu)楹愣ǖ闹绷麟?。電容陣列同時作為PWM輸出的電壓能量中繼池，提供給輸出回路穩(wěn)定的電壓與脈動驅(qū)動電流。H橋形IGBT回路將電容陣列的直流電壓轉(zhuǎn)換為PWM波形電壓輸出。

13、2.4 在原理上實(shí)現(xiàn)多電平單元串聯(lián)電壓源型變頻器瞬時失電連續(xù)運(yùn)行的方法1）在原理實(shí)現(xiàn)多電平單元串聯(lián)電壓源型變頻器瞬時失電連續(xù)運(yùn)行的可行性。在瞬時失電時高壓變頻系統(tǒng)的狀態(tài)與分析。在瞬時失電時，高壓變頻器處于運(yùn)行狀態(tài)，此時輸入側(cè)高壓電源消失，輸出測連接正在運(yùn)行的大型異步電動機(jī)，電動機(jī)連接有大型拖動設(shè)備。 此時，多電平單元串聯(lián)電壓源型變頻器的輸入側(cè)變頻器電壓消失，從高壓變頻器到電動機(jī)的電壓由功率單元內(nèi)的電容維持，并保持電動機(jī)的勵磁。失電后變頻器內(nèi)部電氣運(yùn)行狀態(tài)。多電平單元串聯(lián)電壓源型變頻器的波形輸出，是由每個功率單元從內(nèi)部的電容陣列的能源中繼池，通過H橋變換為PWM波輸出。功率單元輸入整流變換在瞬時

14、可以視為用于給電容陣列進(jìn)行電能補(bǔ)充的回路。當(dāng)電源失電時，相當(dāng)于將電容充電回路中的整流電源失電，由于三相二極管整流器的不可逆性，相當(dāng)于整流回路已關(guān)閉或切除，不再給電容陣列補(bǔ)充電量。電容的電壓變化將由H橋的PWM工作狀態(tài)所確定。2）在瞬時失電后變頻器的等效狀態(tài)。對于多電平單元串聯(lián)電壓源型變頻器在電源失電后，對于變頻器的變頻系統(tǒng)來說，相當(dāng)于將圖中陰影部分的回路已切除的變頻器。如圖3所示，這時變頻器可以將電容陣列等效為一個電池組，在瞬時失電開始時，整個變頻系統(tǒng)等效為一個用電池組供電，電池組電壓處于額定狀態(tài)，輸出正弦電壓波形對電動機(jī)進(jìn)行勵磁運(yùn)行。圖4 多電平單元串聯(lián)電壓源型變頻器單元串聯(lián)電氣圖3）在原理

15、實(shí)現(xiàn)多電平單元串聯(lián)電壓源型變頻器瞬時失電連續(xù)運(yùn)行的方法。通過上述分析，即然失電后多電平單元串聯(lián)電壓源型變頻器在失電期間將可以等同為一個由電池進(jìn)行供電運(yùn)行的變頻器。若能保證電容電壓的穩(wěn)定，那么就能實(shí)現(xiàn)在失電時變頻器的連續(xù)運(yùn)行。2.5 實(shí)現(xiàn)多電平單元串聯(lián)電壓源型變頻器瞬時失電連續(xù)運(yùn)行關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)多電平單元串聯(lián)電壓源型變頻器瞬時失電連續(xù)運(yùn)行關(guān)鍵就是：“在多電平單元串聯(lián)電壓源型變頻器在運(yùn)行中高壓電源瞬時失電期間，保持功率單元內(nèi)電容陣列電壓的穩(wěn)定，就可以保持變頻器連續(xù)運(yùn)行?！? 多電平單元串聯(lián)電壓源型變頻器瞬時失電連續(xù)運(yùn)行研發(fā)方案3.1 技術(shù)的主攻方向1）首先解決在失電時，功率單元內(nèi)主控板的電源供給。2）在

16、瞬時失電時，高壓變頻器對于高壓電源狀態(tài)的采集。3）多電平單元串聯(lián)電壓源型變頻器屬于交-直-交類型的變頻器，由其拓樸結(jié)構(gòu)決定其分為輸入變流，儲能穩(wěn)壓，變換輸入3部分結(jié)構(gòu)，在變頻器失電時，僅有儲能穩(wěn)壓，變換輸出結(jié)構(gòu)在運(yùn)行，故在檢測單元內(nèi)運(yùn)行各量值的要求作出相應(yīng)的設(shè)定調(diào)整。4）解決變頻在失電時，功率單元電容陣列電壓的穩(wěn)定。保持其電壓波動在額定值75%以內(nèi)波動。5）解決在變頻器失電時，主回路元件的能量損耗。通過嚴(yán)密的邏輯分析，精確的計(jì)算，將H橋的PWM波形輸出改變，使電機(jī)運(yùn)行于能量回饋的狀態(tài)，使轉(zhuǎn)子回路中的飛輪動能受控轉(zhuǎn)換為電容陣列的電能，補(bǔ)充主回路元件的消耗與電容陣列電壓的穩(wěn)定。3.2 多電平單元串

17、聯(lián)電壓源型變頻器失電后連續(xù)運(yùn)行的幾種實(shí)現(xiàn)方法1）加大電容儲電量。此方法需增加電容，將涉及到一系列元件的更改，且增加成本過多，不宜采用。2）在失電時，減少軸功率輸出。在失電時，通過速度調(diào)節(jié)，使電機(jī)軸功率輸出減少，維持電機(jī)運(yùn)行的有功電流將減少，保持住在3 s時間內(nèi)電容電壓，其方法簡便可行，作為首選方案。3）在失電時，利用特殊的DSP程序，驅(qū)動H橋的PWM輸出回路，使電機(jī)轉(zhuǎn)子回路中飛輪動能轉(zhuǎn)換為電能。能夠在失電時保證電容陣列電壓的穩(wěn)定，但工作量大，更改項(xiàng)目多，測試環(huán)節(jié)多，控制要求嚴(yán)，作為后備方案。3.3 多電平單元串聯(lián)電壓源型變頻器的主控板供電回路研發(fā)1）更改前功率單元主控板供電。多電平單元串聯(lián)電壓

18、源型變頻器工作時，每一個功率單元都處于一個獨(dú)立的電平上，必須保證其與其它回路相互隔離，功率單元內(nèi)主控板的電源從移相變壓器二次側(cè)供應(yīng)，主回路的電源與控制回路的電源從移相變壓器的一個副邊繞組取出，達(dá)到功率單元相互的電氣隔離要求。但是在這種結(jié)構(gòu)中，當(dāng)高壓回路失電后，主控板的電源也隨之消失，將直接造成功率單元的主控板失電停止工作，無法達(dá)到高壓電源短時失電時主控板保持正常工作的要求。2）更改后功率單元主控板供電。在外部加一個不間斷電源（UPS）作為供電電源。用一個小型的副邊相互隔離的多繞組變壓器，分別為每個功率單元的主控板供電。當(dāng)高壓電源失電后，功率單元在主回路失電的情況下，主控板的電源從UPS經(jīng)過隔離

19、變壓器正常供給，使主供板電源處于正常供應(yīng)狀態(tài)，能夠?qū)β蕟卧钠骷臓顟B(tài)進(jìn)行控制，并通過光纖將功率單元的運(yùn)行狀態(tài)發(fā)送至控制單元，并同時從控制單元接收調(diào)整指令，對功率單元工作狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整。從而具備的多電平單元串聯(lián)電壓源型變頻器在高壓電源失電后連續(xù)運(yùn)行的初始條件。3.4 多電平單元串聯(lián)電壓源型變頻器高壓回路失電試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1）試驗(yàn)回路的設(shè)計(jì)原則。在進(jìn)行高壓失電變頻器連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)回路中，由于試驗(yàn)會出現(xiàn)多次的高壓合閘與分閘，其包括在試驗(yàn)中的大電流，時間不可控的跳閘，為防止在電感回路中多次合閘對移相變壓器的電流沖擊，電壓沖擊所產(chǎn)生的熱沖擊與機(jī)械沖擊對移相變壓器絕緣的損毀，故在主回路中由KM1，MD2，

20、R1組成了一個高壓加電軟啟動回路。從而能在多次失電試驗(yàn)中，消除反復(fù)的上電沖擊對變壓器繞組造成的損害，并可以在短時間內(nèi)進(jìn)行多次合閘試驗(yàn)。2）多電平單元串聯(lián)電壓源型變頻器瞬間失電的試驗(yàn)操作方案。將變頻器的控制系統(tǒng)，高壓系統(tǒng)正常加電，并啟動變頻器，帶動一臺三相異步電動機(jī)在調(diào)速狀態(tài)下空載運(yùn)行。KM1保持在接通狀態(tài)，KM2處于斷開狀態(tài)。移相變壓器由KM1供電，隔離變壓器由2 kW的不間斷電源（UPS）供電。根據(jù)試驗(yàn)要求設(shè)定高壓回路瞬時失電步驟，在失電指令發(fā)出時，控制系統(tǒng)將KM1斷開，此時KM1和KM2均處于斷開位置則變頻器高壓輸入消失，功率單元主回路系統(tǒng)失電。功率單元的控制系統(tǒng)電源由UPS通過隔離變壓器

21、保持正常供應(yīng)。此時，整個高壓變頻系統(tǒng)即處于高壓失電的狀態(tài)。在變頻器處于高壓失電狀態(tài)后，對多電平單元串聯(lián)電壓源型變頻器的各工作狀態(tài)進(jìn)行采集，控制單元對其進(jìn)行錄波。觀察電動機(jī)的電壓，電流，轉(zhuǎn)速的變化。變頻器的報(bào)警，故障，保護(hù)，跳閘的動作時間，將其作為試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。當(dāng)變頻器達(dá)到預(yù)定失電時間后，其仍在運(yùn)行，沒有發(fā)出高壓跳閘保護(hù)指令，則將KM2合上，此時由KM2與R1形成對移相變壓器進(jìn)行軟加電回路。R1電阻選用為5，使得630 kW/6 kV的移相變壓器在加電勵磁時，其勱磁瞬間浪涌電流尖峰絕對值小于600 A。當(dāng)變頻器試驗(yàn)回路進(jìn)行高頻率，多次反復(fù)試驗(yàn)和測試時，其高壓電源的反復(fù)加電不會對移相變壓器造成

22、永久性的損傷和影響高壓電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當(dāng)KM2合上3 s后，將KM1合上，將R1回路短連。隨后將KM2斷開，變頻器的移相變壓器軟加電過程結(jié)束，高壓電源從主回路加入，變頻器處于正常運(yùn)行狀態(tài)。多電平單元串聯(lián)電壓源型變頻器進(jìn)行一次高壓側(cè)瞬間失電試驗(yàn)的基本步驟，其操作是由PLC自動完成，其失電時間能夠進(jìn)行設(shè)定。從安全和可操作性考慮，KM1和KM2的操作設(shè)有手動操作與自動操作雙回路系統(tǒng)，手動操作的權(quán)限高于自動操作。3）用隔離變壓器對功率單元內(nèi)主控板進(jìn)行供電，設(shè)計(jì)完成后總體回路結(jié)構(gòu)如圖5所示。 圖5 變頻器瞬間失電連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)系統(tǒng)回路示意圖4）每次試驗(yàn)后的數(shù)據(jù)采集。每次試驗(yàn)后，均采集以下數(shù)據(jù)作為研發(fā)進(jìn)程

23、的依據(jù)：試驗(yàn)頻率；試驗(yàn)序號；失電保持時間；從失電開始到報(bào)出欠壓報(bào)警時間；從失電開始到報(bào)出故障報(bào)警時間；變頻器報(bào)出故障時的電機(jī)轉(zhuǎn)速；高壓變頻器的主要故障。4 多電平單元串聯(lián)電壓源型變頻器瞬時失電連續(xù)運(yùn)行的研發(fā)進(jìn)程4.1 多電平單元串聯(lián)電壓源型變頻器用于瞬時失電連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)1）變頻器和電機(jī)的參數(shù)。電動機(jī)的參數(shù)為：型號YRNT500-6，額定功率500 kW，額定電壓6000 V，額定電流56 A，額定頻率50 Hz，額定轉(zhuǎn)速986 r/min。變頻器參數(shù)設(shè)定為：加速時間30 s，減速時間或300 s,電容欠壓報(bào)警值75%，額定電流56 A。2）高壓失電后變頻器多電平單元串聯(lián)電壓源型變頻器

24、報(bào)警動作次序。剛剛失電時狀態(tài)。單元主回路斷電后，控制板在外部隔離變壓器下正常工作，并驅(qū)動輸出回路的正常工作。此時，單元內(nèi)部的電容陣列如電池組一樣對電機(jī)以運(yùn)行電流的速率供電。同時控制單元采集電容的電壓值通過光纖送到控制單元。發(fā)出欠壓報(bào)警狀態(tài)。在持繼維持電量的輸出，電容陣列的電壓不斷下降，當(dāng)電容陣列電壓降到75%設(shè)定值時，控制單元收到功率單元的電容電壓數(shù)值信息，依據(jù)預(yù)定的邏輯，發(fā)出電壓過低警告，但變頻器依然保持運(yùn)行。發(fā)出故障信號時狀態(tài)。在連續(xù)運(yùn)行使電容電壓降至35%時，功率單元內(nèi)保護(hù)回路啟動，自動封鎖輸出回路，并發(fā)送控制單元故障信號，控制單元接收到信號后，發(fā)出系統(tǒng)停止，高壓跳閘指令。3）根據(jù)多電平

25、單元串聯(lián)電壓源型變頻器的參數(shù)，進(jìn)行高壓電源失電時維持運(yùn)行時間。電容陣列中的電容型號。單只電容量4700 F，額定電壓400 V。用9只電容進(jìn)行3串3并，總?cè)萘?700 F，電壓1200 V。正常工作時電容陣列的電壓。功率單元電壓輸入三相600 V交流電，通過三相二極管整流橋變換為直流電供給電容陣列，則電容陣列運(yùn)行時電壓為 U=1.35600=810 V正常工作時電容陣列的儲電量為Q=UC=8104700/1000000 = 3.807 C式中：Q為電容存儲電量；U為電容工作電壓；C為電容容量。試驗(yàn)電動機(jī)的有功與無功比值。變頻器輸PWM波疊加成的正弦波進(jìn)行驅(qū)動電機(jī),在電機(jī)空轉(zhuǎn)的情況下,相當(dāng)于其主

26、要是轉(zhuǎn)子軸承阻力的損耗，相當(dāng)于驅(qū)動一個大電感,其有功消耗很少,利用移相變壓器高功率因數(shù)的吸收電流與電機(jī)驅(qū)動的視在電流為依據(jù)，按照近似性原則計(jì)算得出:S=7.2/0.9=8式中：S為無功與有功比值。在50 Hz狀態(tài)下,根據(jù)數(shù)學(xué)模型得出：電容全部放電的時間為T=SQ/I= 83.807/7.2 =4.23 s出現(xiàn)欠壓報(bào)警的時間為4.23(176% )=1.01 s出現(xiàn)故障的報(bào)警時間為4.23(135% )=2.74 s4.2 多電平單元串聯(lián)電壓源型變頻器在失電試驗(yàn)系統(tǒng)中的首次失電試驗(yàn)1）變頻器在50 Hz運(yùn)行時進(jìn)行失電試驗(yàn)。變頻器帶動電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時的運(yùn)行參數(shù)為：輸出頻率50 Hz，輸出電壓5935 V

27、，電機(jī)電流7.2 A，電機(jī)轉(zhuǎn)速998 r/min，電源電壓6120 V，電源電流0.9 A。在變頻器50Hz運(yùn)行的狀態(tài)下，斷開KM1高壓開關(guān)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1。表1 50Hz運(yùn)行狀態(tài)失電試驗(yàn)數(shù)據(jù)序號失電保持/s欠壓報(bào)警/s故障輸出/s電機(jī)轉(zhuǎn)速/rmin-1主要故障1601.23.4641電壓過低停止運(yùn)行251.13.6902電壓過低停止運(yùn)行331.23.3950電壓過低停止運(yùn)行421.2無995電容電壓低警告51無無998無報(bào)警2）變頻器在40 Hz輸出時進(jìn)行失電試驗(yàn)。變頻器帶動電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時的運(yùn)行參數(shù)為：輸出頻率40 Hz，輸出電壓4184 V，電機(jī)電流6.6 A，電機(jī)轉(zhuǎn)速797 r/min，電源

28、電壓6120 V，電源電流0.9 A。在變頻器40 Hz運(yùn)行的狀態(tài)下，斷開KM1高壓開關(guān)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2。3）變頻器在30Hz輸出時進(jìn)行失電試驗(yàn)變頻器帶動電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時的運(yùn)行參數(shù)為：輸出頻率40 Hz，輸出電壓2715 V，電機(jī)電流5.9 A，電機(jī)轉(zhuǎn)速592 r/min，電源電壓6120 V，電源電流0.8 A。在變頻器30 Hz運(yùn)行的狀態(tài)下，斷開KM1高壓開關(guān)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3。表2 40 Hz運(yùn)行狀態(tài)失電試驗(yàn)數(shù)據(jù)序號失電保持/s欠壓報(bào)警/s故障輸出/s電機(jī)轉(zhuǎn)速/rmin-1主要故障1601.33.8330電壓過低停止運(yùn)行251.43.9760電壓過低停止運(yùn)行321.3無793電容電壓低警告41無

29、無797無報(bào)警表3 30 Hz運(yùn)行狀態(tài)失電試驗(yàn)數(shù)據(jù)序號失電保持/s欠壓報(bào)警/s故障輸出/s電機(jī)轉(zhuǎn)速/rmin-1主要故障1601.54.1s140電壓過低停止運(yùn)行251.64.2s580電壓過低停止運(yùn)行331.6無588電容電壓低警告421.6無589電容電壓低警告51.5無無592無報(bào)警4）變頻器高壓失電后的維持時間。從表1表3中的3種頻率狀態(tài)下進(jìn)行電機(jī)的失電測試數(shù)據(jù)匯總。在不同的頻率下，電機(jī)的輸入勵磁電流不同，這時其欠壓報(bào)警的時間也不同，其變化曲線如圖6所示。圖6 變頻器失電報(bào)警曲線從測試數(shù)據(jù)和圖6中的規(guī)律曲線，變頻器在高壓失電后，其輸出電流越低，電容陣列電壓下降越慢，則失電時連續(xù)運(yùn)行的維

30、持時間越長。5）多電平單元串聯(lián)電壓源型變頻器失電運(yùn)行時數(shù)據(jù)模型實(shí)際測量值對比結(jié)論。數(shù)據(jù)對比。在實(shí)際中，50 Hz狀態(tài)下，進(jìn)行失電試驗(yàn)時，欠壓報(bào)警時間為1.2 s，故障時間為3.4 s。計(jì)算的欠壓報(bào)警時間1.0 s，故障時間2.74 s。計(jì)算出的時間要少于實(shí)際測量的時間。計(jì)算時間小于實(shí)際測試時間的原因分析。計(jì)算是處于理想狀態(tài)下進(jìn)行的，當(dāng)失電后，電容輸入立刻中止，只向外輸出。而在實(shí)際測試中，由于回路在電感的存在，在高壓開關(guān)進(jìn)行斷開時，電容不會立刻停止輸入，而由于開關(guān)滅弧，移相變壓器消磁等原因，會出現(xiàn)一個小的延時對電容繼續(xù)充電，從而造成實(shí)際測量的值要比理論計(jì)算的值高一些。4.3 當(dāng)變頻器瞬時失電狀態(tài)

31、時，減少電機(jī)軸功率的輸出的技術(shù)研發(fā)1）對多電平單元串聯(lián)電壓源型變頻器接口映射的分析。判斷系統(tǒng)是否處于瞬間失電狀態(tài)。瞬間失電狀態(tài)，是對應(yīng)于高壓回路出現(xiàn)異常狀況時，高壓電源系紡進(jìn)行保護(hù)或切換等操作，造成高壓電源短時消失后恢復(fù)的一種現(xiàn)象。對應(yīng)于一個變頻系統(tǒng)來講，其映射到端口的映像為：“多電平單元串聯(lián)電壓源型變頻器運(yùn)行時，變頻器輸入高壓開關(guān)保持合閘位置，高壓輸入電源短時消失后重新恢復(fù)的過程”。變頻器在瞬間失電期間減少電機(jī)輸出軸功率的原理。在多電平單元串聯(lián)電壓源型變頻器處于失電狀態(tài)時，降低變頻器的輸出頻率，將能降低電機(jī)轉(zhuǎn)速，即可以減少電機(jī)的輸出軸功率。根椐此原理，在判定變頻器處于瞬時失電狀態(tài)時，將程序轉(zhuǎn)

32、入降速運(yùn)行子模塊。2）對控制系統(tǒng)回路更改的要點(diǎn)。在移相變壓器的副繞組回路上，加入一個電壓檢測繼電器，當(dāng)移相變壓器失電時，繼電器發(fā)出一個開關(guān)量信號送到控制單元。在控制單元上，將一個備用的狀態(tài)輸入采集端口激活，用于檢測移相變壓器的供電狀態(tài)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)信號為0時，即判定移相變壓器處于失電狀態(tài)。將移相變壓器失電狀態(tài)量與高壓開關(guān)接通狀態(tài)量在一起進(jìn)行判斷，當(dāng)出現(xiàn)在高壓開關(guān)在接通狀態(tài)時，而移相變壓器出現(xiàn)失電狀態(tài)量，就判定為變頻器處于高壓電源瞬時失電的狀態(tài)中。瞬時失電狀態(tài)中，變頻器控制系統(tǒng)將變頻器輸出頻率設(shè)定為下降狀態(tài)，當(dāng)移相變壓器重新加電后，恢復(fù)到保持狀態(tài)。DSP內(nèi)程序中加入的失電控制子模塊流程圖如圖7所示。圖

33、7 失電時頻率調(diào)節(jié)流程圖3）對減少電機(jī)輸出軸功率改造后進(jìn)行失電試驗(yàn)時的操作方案。設(shè)定失電后頻率下降的速率。多電平單元串聯(lián)電壓源型變頻器在模擬狀態(tài)下，用手動給出失電信號到控制單元，校核變頻器的控制操作是否按預(yù)期進(jìn)行。在模擬狀態(tài)測試全部通過后，投入高壓電源，在運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)行高壓電源瞬時失電時變頻器連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)的各項(xiàng)目，按計(jì)劃進(jìn)行試驗(yàn)，并將數(shù)據(jù)匯總。4.4 對多電平單元串聯(lián)電壓源型變頻器失電后減少電機(jī)軸功率輸出方案的試驗(yàn)1）變頻器在50Hz輸出時進(jìn)行失電試驗(yàn)。試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定為：運(yùn)行頻率50 Hz，上升時間30 s，測試時間5 s，下降時間預(yù)設(shè)300 s，電源電壓6120，電源電流0.9 A。

34、在變頻器正常50 Hz運(yùn)行的狀態(tài)下，進(jìn)行失電測試，如表4。2）變頻器在30 Hz輸出時進(jìn)行失電試驗(yàn)。試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定為：運(yùn)行頻率30 Hz，上升時間30 s，測試時間5 s，下降時間預(yù)設(shè)300 s，電源電壓6120 V，電源電流0.8 A。在變頻器正常30 Hz運(yùn)行的狀態(tài)下，進(jìn)行失電測試，如表5。3）根據(jù)數(shù)據(jù)總結(jié)改變下降速率對變頻器在失電狀態(tài)運(yùn)行時不同現(xiàn)象。在下降速率在50 s以上時，變頻器的失電結(jié)果變化不大，與未更改時測試值相似。表4 50Hz運(yùn)行狀態(tài)新DSP程序失電試驗(yàn)數(shù)據(jù)序號失電保持/s欠壓報(bào)警/s故障輸出/s電機(jī)轉(zhuǎn)速/rmin-1主要故障13001.23.4900電壓 過低停止運(yùn)行2200

35、1.33.6899電壓過低停止運(yùn)行31001.64.2901電壓過低停止運(yùn)行4502.15.1895電容電壓低警告525無2.3787電容電壓過高封鎖6403.4無880電容電壓低警告735無無866無表5 30 Hz運(yùn)行狀態(tài)新DSP程序失電試驗(yàn)數(shù)據(jù)序號失電保持/s欠壓報(bào)警/s故障輸出/s電機(jī)轉(zhuǎn)速/rmin-1主要故障13001.54.4581電壓過低停止運(yùn)行22001.44.6577電壓過低停止運(yùn)行31001.54.8576電壓過低停止運(yùn)行4502.無568電容電壓低警告525無4.3s512電容電壓過高封鎖640無無540無當(dāng)下降速率小于25 s以下時，變頻器在50 Hz和30 Hz都出電

36、容電壓過高當(dāng)下降速率是35 s時，在多電平單元串聯(lián)電壓源型變頻器輸出50 Hz頻率拖動電動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)行測試時，高壓電源5 s的失電時間，變頻系統(tǒng)保持正常運(yùn)行。當(dāng)下降速率是40 s時，在30 Hz 頻率拖動電動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下，高壓電源失電5 s的時間間隔，變頻系統(tǒng)保持正常運(yùn)行。4）對失電時減少電機(jī)輸出軸功率測試中的現(xiàn)象進(jìn)行原理分析。保持5 s正常運(yùn)行的分析。在失電后，變頻器頻率按照設(shè)定的速率下降，當(dāng)下降的速率與電機(jī)自由轉(zhuǎn)動下降的速率一致時，那么電機(jī)側(cè)輸入有功為零，在電機(jī)繞組中只存在無功電流，此時，電容陣列的能量將不用于拖動電機(jī)，只用于進(jìn)行無功交換，將會保持電容電壓的穩(wěn)定。出現(xiàn)高壓過高封鎖的原因

37、分析。當(dāng)設(shè)定的下降速率快于電機(jī)自由運(yùn)轉(zhuǎn)下降的速率后，當(dāng)變頻器輸出頻率小于電機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)的磁場轉(zhuǎn)動頻率時，那么電動機(jī)將從輸出耗能狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樵偕l(fā)電狀態(tài)，對電機(jī)進(jìn)行充電，當(dāng)電容充電電壓高于預(yù)設(shè)電壓時，為保護(hù)電容陣列內(nèi)電容的安全，將立即停止變頻器的運(yùn)行，并報(bào)出電容電壓過高的故障，這就是通常所說的“電容泵升”現(xiàn)象。出現(xiàn)電壓過低現(xiàn)象分析。當(dāng)設(shè)定的下降速率慢于電機(jī)自由運(yùn)轉(zhuǎn)下降的速率后，其電容陣列擊需不斷為電提供有功電量維持運(yùn)轉(zhuǎn)，使電容陣列電壓不斷下降，當(dāng)降到電容陣列閾值后，即報(bào)出電壓過低的故障。5）采用失電后減少電機(jī)輸出軸功率方案的不足。在試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析中看出，此方案要求在失電時的設(shè)定下降速率與電機(jī)自由下降速率

38、一致方能維持繼續(xù)運(yùn)行，若不一致，將出現(xiàn)各種故障。在實(shí)際運(yùn)行中，電機(jī)的負(fù)荷是動態(tài)變化的，若靠預(yù)先設(shè)定下降速率來進(jìn)行失電時連續(xù)運(yùn)行是不現(xiàn)實(shí)的，同時也是不安全的，具有不確定性因素。6）進(jìn)一步研發(fā)的方向。通過前一階段的研發(fā)，對于變頻器失電時連續(xù)運(yùn)行已取得了一定的進(jìn)展，根據(jù)高壓設(shè)備對運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性的要求，在總結(jié)前一研發(fā)的成果基礎(chǔ)上，以電容穩(wěn)定為研發(fā)關(guān)鍵點(diǎn)，采用飛輪動能轉(zhuǎn)換的方法，使變頻器在失電時對電容電壓的控制由被動式轉(zhuǎn)換為主動式，具有動態(tài)調(diào)節(jié)的功能。4.5 電機(jī)系統(tǒng)中轉(zhuǎn)子回路飛輪動能利用的行為模型描述1）變頻器失電后電機(jī)轉(zhuǎn)子飛輪動能轉(zhuǎn)化為電能的原理.異步電機(jī)運(yùn)行原理。異步電機(jī)分為定子與轉(zhuǎn)子，在定子

39、繞組加入交流電后，就在定子上形成一個環(huán)形旋轉(zhuǎn)磁場。轉(zhuǎn)子繞組通過電磁感應(yīng)出轉(zhuǎn)子電流，并形成相應(yīng)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場。定子旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場的速度相對不同，將決定電機(jī)是處于異步電動機(jī)工作狀態(tài)還是異步再生發(fā)電機(jī)工作狀態(tài)。電機(jī)處于異步電動機(jī)工作狀態(tài)。當(dāng)電機(jī)的定子旋轉(zhuǎn)磁場的速度快于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場速度時，電機(jī)將定子繞組的電能轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子的機(jī)械能輸出，此時電機(jī)即處于電動機(jī)工作狀態(tài)。電機(jī)處于再生異步發(fā)電機(jī)工作狀態(tài)。當(dāng)電機(jī)定子的旋轉(zhuǎn)磁場速度慢于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場速度時，電機(jī)將轉(zhuǎn)子內(nèi)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為定子的電能進(jìn)行輸出，此時電機(jī)即處于再生發(fā)電機(jī)工作狀態(tài)。轉(zhuǎn)子飛輪動能的利用。當(dāng)電機(jī)定子用變頻器供電時，將定子輸入頻率降低，而轉(zhuǎn)子回路

40、由回轉(zhuǎn)系統(tǒng)內(nèi)的飛輪動能維持旋轉(zhuǎn)，當(dāng)變頻器輸出頻率已低于轉(zhuǎn)子的同頻轉(zhuǎn)速后，此時轉(zhuǎn)子回路的旋轉(zhuǎn)磁場的速度將大于定子旋轉(zhuǎn)磁場，從而電機(jī)將回轉(zhuǎn)系統(tǒng)存儲的飛輪動能轉(zhuǎn)化為定子的電能。2）變頻器失電后利用轉(zhuǎn)子飛輪動能的流程描述。對變頻器失電時狀態(tài)確定后初步調(diào)整。在變頻器的失電信號確定，立即減少變頻器對電機(jī)的PWM輸出占空比，使變頻器對電機(jī)的電流迅速降低，使電容陣列電壓不會快速下降。變頻器失電后，電機(jī)轉(zhuǎn)差頻率調(diào)節(jié)。在變頻器失電后，先快速調(diào)節(jié)變頻器的運(yùn)行頻率，使其在短時間內(nèi)下降到電機(jī)現(xiàn)有轉(zhuǎn)速的同步頻率，為下一步調(diào)節(jié)作好準(zhǔn)備。在變頻器輸出頻率下降狀態(tài)時，轉(zhuǎn)換電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。在變頻器進(jìn)行頻率調(diào)整時，當(dāng)測定電機(jī)電流方

41、向變化時，表明已下降到同步轉(zhuǎn)速以下，將頻率從快速下降狀態(tài)調(diào)節(jié)為PID控制狀態(tài)，動態(tài)調(diào)節(jié)頻率下降速率，將電機(jī)從異步電動機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楫惒皆偕l(fā)電機(jī)的狀態(tài)，將電機(jī)轉(zhuǎn)子在存儲的飛輪動能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。變頻器失電期間，保持功率單元內(nèi)電壓的穩(wěn)定。在變頻器失電期間，保持電機(jī)再生異步發(fā)電機(jī)狀態(tài)運(yùn)行，轉(zhuǎn)子中的飛輪動能轉(zhuǎn)換為電能維持系統(tǒng)的消耗。將電容陣列電壓作為關(guān)鍵進(jìn)程點(diǎn)，通過對變頻器輸出頻率下降的速率調(diào)節(jié)，使電容陣列電壓保持在額定狀態(tài)。變頻器高壓電源恢復(fù)，穩(wěn)定電機(jī)運(yùn)行。在變頻器高壓電源正常信號確定后，將變頻器輸出頻率快速向上調(diào)節(jié)，當(dāng)測定電流方向變化時，穩(wěn)定頻率輸出延時，防止系統(tǒng)振蕩。當(dāng)電機(jī)完全轉(zhuǎn)入異步電動機(jī)運(yùn)

42、行狀態(tài)后，再將頻率升到失電前的數(shù)值。3）DSP程序中變頻器失電后利用轉(zhuǎn)子動能的DSP程序子模塊流程圖。根據(jù)變頻器失電利用飛輪動能的描述，將其轉(zhuǎn)化為DSP程序中的子模塊，其流程圖如圖8所示。圖8 變頻器失電連續(xù)運(yùn)行子模塊流程圖4.6 多電平單元串聯(lián)電壓源型變頻器失電后利用飛輪動能連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)1）更改后的系統(tǒng)回路方案。在控制系統(tǒng)頂層供電回路中加入UPS，用于在任何狀態(tài)下，保持控制電源供電穩(wěn)定。在頂層供電回路下，分出一組供給6 kV多組隔離變壓器，用于給控制單元內(nèi)的控制板電源，在高壓失電后，控制板能繼續(xù)保持運(yùn)行。在主回路的移相變壓器上增加電壓檢測繼電器，用于測定移相變壓器是否處于加電狀態(tài)，并將其狀態(tài)

43、信號傳到控制單元。2）更改后的控制流程方案。失電后，控制系統(tǒng)接收到失電信號，立即快速下調(diào)，越過電機(jī)在異頻運(yùn)行的轉(zhuǎn)差率，將電機(jī)處于再生異步運(yùn)行狀態(tài)。將轉(zhuǎn)子中的飛輪動能轉(zhuǎn)化為電能用于維持變頻器主回路的功耗，通過多電平功率單元內(nèi)的電容陣列作為儲能中繼池進(jìn)行電量存儲和維持變頻器系統(tǒng)的損耗。在失電的時間內(nèi)，將電容陣列處于恒壓充電狀態(tài)，用電容陣列的電壓值作為變頻器輸出頻率的閉環(huán)調(diào)節(jié)單位，使飛輪動能的轉(zhuǎn)化與系統(tǒng)損耗持平，電容陣列電壓穩(wěn)定。高壓電源恢復(fù)后，控制系統(tǒng)接到電源正常信號，將變頻器由下降速率調(diào)節(jié)變?yōu)樯仙俾收{(diào)節(jié)，恢復(fù)電機(jī)的電動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，其轉(zhuǎn)換設(shè)定呈雙曲線設(shè)定，避免在電機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換時出現(xiàn)慣量載荷沖擊。將

44、變頻器輸出頻率按設(shè)定的速率上升，達(dá)到失電前的頻率，系統(tǒng)恢復(fù)到失電前的狀態(tài)。3）變頻器失電后利用飛輪動能的方案試驗(yàn)參數(shù)為：運(yùn)行頻率50 Hz，電源電流0.9 A，上升時間30 s，下降時間300 s，失電下降30 s，恢復(fù)上升60 s，電源電壓6100 V，恢復(fù)轉(zhuǎn)換3 s。4）變頻器失電后利用飛輪動能方案的測試數(shù)據(jù)如表6。表6 技術(shù)定型的失電試驗(yàn)數(shù)據(jù)序號失電時間/s欠壓報(bào)警/s故障輸出/s恢復(fù)時轉(zhuǎn)速/rmin-1主要故障11無無997無22無無992無35無無850無420無無730無540無無512無660無無210無7120無680失電時間過長停止4.7 多電平單元串聯(lián)電壓源型變頻器高壓瞬時失電連續(xù)運(yùn)行技術(shù)方案定型1）高壓瞬時失電連續(xù)運(yùn)行研發(fā)結(jié)束定型方案。變頻器瞬時失電后利用飛輪動能的方案經(jīng)過測試，達(dá)到項(xiàng)目輸入時的要求，作為高壓瞬時失電連續(xù)運(yùn)行定型方案。2）高壓瞬時失電連續(xù)運(yùn)行定型方案指標(biāo)如下。具有在變頻系統(tǒng)運(yùn)行時，高壓電源在瞬時消失時，保持變頻器不跳閘。具有在變頻器高壓電源失電后，可以利用轉(zhuǎn)子系統(tǒng)內(nèi)的飛輪動能連續(xù)保持運(yùn)行。具有在大慣量，大功率，大系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用前景，能實(shí)現(xiàn)在大系統(tǒng)中瞬時失電后而動力輸入系統(tǒng)不出現(xiàn)極大的振動或崩潰。在轉(zhuǎn)子內(nèi)飛輪動能支持下，可以實(shí)現(xiàn)短時間內(nèi)不