高压变频器工频旁路设计及保护配置整定

高压变频器工频旁路设计及保护配置整定

陈聪平

(华能滇东能源有限责任公司滇东电厂云南省曲靖市655000)

【摘要】讨论了一种基于直流开关电容的新型变频软启动器及其旁路切换控制方法。将传统变频器主电路中的大容量电解电容用一个小电容和一个带开关控制的小电容代替，在实现变频调速的同时解决了能量回馈问题。当变频器作软启动器使用时，由于使用了滤波作用很小的小电容，使整流输出电压与逆变侧直接相通，从而构成了旁路变频软启动器的电路条件，既可以应用于电机变频调速领域又可以应用于软起动领域，并且在电机起动完成之后实现变频软启动器的旁路退出功能。对新型结构变频器的工作原理以及旁路切换方法进行了研究，并利用MATLAB系统仿真验证了方法的可行性。

【关键词】新型变频器;旁路切换;软起动

1前言

变频器作为高性能的调速设备是电机软起动非常理想的选择，其一般采用矢量控制方法和直接转矩控制方法，使异步电动机起动系统具有优良的动态、静态性能，调速范围宽，平滑性好，节能效果显著。但是采用变频器作软启动器，在不需要调速的工控场合中存在着当电机起动完成后变频软启动器难以旁路退出的问题，造成大量不必要的能源浪费。

2可旁路变频软启动器的结构和工作原理

2.1可旁路变频软启动器的系统组成

常用的交－直－交电压型变频器主回路结构如，左侧为二极管不可控整流桥，将三相交流电整流成电压恒定的直流电压;中间为大电容滤波，这是为了减小直流电压脉动而设置;右侧为逆变器，它由6个IGBT构成三相逆变桥，将直流电压变换为频率与电压均可调的交流输出。

本结构在传统交直交变频器主电路拓扑结构的基础上进行了适当的改进:将目前通用型变频器直流母线并联的大容量电解电容替换成一个小电容C2，同时在母线端再并联一个串联带有续流二极管的功率开关管的小电容C1，电容均采用不超过几百微法的无极电容，取消了传统变频器主电路中的大容量电容器组件，降低了变频器的重量及成本;为了实现旁路，本结构在三相逆变桥的出线端以及电网和电机之间串联有旁路接触器开关K1，K2，K3，K4，K5，K6，控制器通过驱动电路控制所有的旁路接触器，形成新的交流－直流－交流拓扑结构。

2.2可旁路变频软启动器的工作原理

2.2.1直流母线电容的充放电控制原理

普通变频器直流回路电容的作用有两个:一是滤波，使直流电压近似为平直的水平线;二是吸收回馈能量，当带电机等感性负载时，电容的作用就是吸收掉电感续流时刻在直流母线上产生的尖峰电压。本方案由于主电路结构的变化，使新型可旁路变频软启动器工作原理和直流母线电压波形相较于传统变频器发生较大的改变。在此种拓扑形式下，并联在直流母线的小电容滤波作用很小，因此，三相整流桥输出的电压波形由近似直流变为每一工频周期具有6个波头的脉动直流电压。

当变频软启动器所带负载为感性时会存在电感续流的状态。电路工作于能量回馈模式时，由于采用不可控整流，能量不能从直流侧回馈至电网，因此通过电容形成续流回路来储存电感中的能量。此时没有了大电容吸收能量，现有直接并联在母线的电容容值相对较小，其续流能力有限，不能完全吸收电机负载回馈到母线的全部能量，因此当续流电流流向直流母线时会产生泵升电压。若母线电压高于设定的阈值时，由控制器发出触发信号导通并联在母线上串联电容的功率开关管，使该并联支路上的电容接入电路吸收电机回馈的能量以消除泵升电压，起到缓冲无功能量的作用;当母线电压小于设定的阈值时，控制器发出信号关断功率开关管。这一结构解决了负载能量反馈到直流母线的问题，以实现无大容量电解电容变频软启动器的控制过程。

2.2.2可旁路变频软启动器的运行原理

本文所述的是一种无大电解电容的新型可旁路变频软启动器，首先通过传统变频调速理论对电机进行连续变频的软起动控制，当电机起动完成达到工频时，采用相应的控制算法使电网的三相与电机的三相具有直接连接关系，通过控制器对电压电流进行检测以找到电流过零点这一最佳旁路时机来实现变频软启动器的旁路。当这种新型可旁路变频软启动器工作在变频调速状态时，因为电源为脉动直流，所以其控制算法应该对直流电压变化的因素进行考虑，这个可以通过控制PWM的实时伏秒积进行补偿，也可以通过空间电压矢量的方法进行实时计算控制。变频控制策略与传统的变频器控制相同，可以采用恒压频比、磁链轨迹或直接转矩控制等，在此不再赘述，本文只讨论达到工频后的切换问题。在电机成功起动并达到工频电网频率时，通过相位调节使三相逆变桥输出与电网电压同频同相位后增大调制比，使之工作在过调制状态，并转变为120°调制方波控制方式，使三相逆变桥工作于与电网同步的近似两相导通工作模式，不考虑高频调制段的输出，则方波段输出的电压可以近似为两相导通的供电模式。

3变频软启动器的旁路切换控制过

目前变频器存在起动电机负载后难以旁路而导致变频器不能充分利用，使设备成本较高等问题。本文研究的新型变频器拓扑结构在直流母线上保留了直接来自电网的6个波头脉动电压，使电网电压通过整流桥的二极管与逆变桥的IGBT直接作用到负载上，当电机起动完成，频率为工频时，调节相位并使电机以过调制的方法过渡在120°调制方波的控制方式下运行，此时欲将电动机切换到工频电网。为了实现电机的软切换，尽可能减小电机抖动过程、保证电机运行平稳，实现其转速无扰动切换，且切换前后电机定转子电流无突变，同时减小IGBT的开关损耗，需要找到一个可旁路变频软启动器的最佳旁路时机。本文选择将电流过零点作为电机旁路切换的支点，在电流过零点附近闭合旁路接触器从而实现电机的软切换，将电机与电网直接相连使变频软启动器从主电路中旁路出去。在此分析中，假设接触器开关过程瞬间完成，不考虑开关延时与过渡过程对变频软启动器旁路切换控制的影响。

至此，变频软启动器完成旁路切换过程，从而实现软启动器在电机起动完成后可以自行退出的功能，解决了变频器应用于软启动器不能旁路的问题。

4仿真结果与分析

针对上述分析方法，在MATLAB/Simulink中搭建模型，对整个系统进行仿真，整体上由主回路和控制器两大部分组成:主回路部分包括三相交流电源模块、改进的交直交变频结构模块、旁路接触器模块和异步电动机模块;控制器部分包括:SPWM控制单元模块、相位调节控制单元模块、基于正弦供电的空间矢量控制单元模块与旁路控制单元模块。模型中电机参数:PN=22kW，UN=380V，fN=50Hz。

5结束语

针对变频器应用于软启动器切换到工频后难以实现旁路的不足，本文分析了一种新型可旁路变频软启动器的切换控制方法，通过分析及仿真可得以下结论:1)用两个容值较小的无极电容取代普通变频器直接并联的大容量电解电容，不仅有效降低了变频软启动器的成本与体积，而且在实现变频调速的同时解决了电机能量回馈问题;2)在电路中设计有旁路接触器开关，通过寻找合适的旁路时机和自然过渡到电网的切换策略，实现变频软启动器在控制电机连续变频软起动后的自旁路功能。实现了变频器与软启动器之间的连续平滑切换，淡化了软启动器与变频器的界限;3)通过系统仿真验证方案可行性，其应用于电机软起动可以很好地实现电机变频调速控制功能，电机起动性能良好，证明该新型可旁路变频软启动器具有良好的经济前景和较好的工业应用价值。

参考文献:

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