多相变频调速系统中的直流环流分析

多相变频调速系统中的直流环流分析

1多脉波特性发挥上等效多相互联电机（相数超过3）易于实现大规模、稳定的激励性能，因此可以满足大规模供电设备的需求。多相电机由多相逆变器驱动,二者与整流器、控制器一起构成完整的多相变频调速系统。由于多相变频调速系统电压等级低,为实现大功率,在电压和电机相数一定时,就必须提高系统的电流等级。通常将三相整流桥并联构成多脉波整流系统,来提高整流侧的电流等级。如采用12脉波、18脉波、24脉波等整流技术,这些技术除提高整流侧电流等级外,还具有输出直流电压纹波小,输入电流谐波含量小,输入功率因数高等优点,故得到普遍应用。但当各整流桥输出电压不相等时,整流桥间会产生一个直流环流,导致各整流桥承载电流不均衡,缩短了器件寿命。此处通过一个平均模型,分析了当移相变压器次级绕组输出电压不相等或漏抗不匹配时,12脉波不控整流系统的环流问题。212两整流桥间组合连接12脉波不控整流系统由1个移相变压器、2个三相整流桥及1个平衡电抗器组成,如图1所示。移相变压器由1个初级绕组和2个次级绕组构成。初级绕组采用星形接法,2个次级绕组分别采用星形和三角形接法,输出相位相差30°、幅值相等的两组三相电压并联到2个三相不控整流桥,从而使输出整流电压在每个交流电源周期中脉动12次,同时可消除移相变压器输入侧电流中的5,7次谐波,降低交流电网侧谐波含量。两整流桥之间连接1个平衡电抗器以消除两整流桥的交流瞬间压差,保证两整流桥均流。由于两整流桥输出电压之间总存在一定幅值差异和相位差异,而输出线路电阻很小,即使两整流桥的输出电压之间仅存在很小的直流电压差,也会产生一个较大的直流电流。此电流并不经过负载,而是在两整流桥之间形成环流,如图2所示,当VD11,VD61,VD12,VD62导通时,若整流桥并联输出线电压uab,uab′不完全相同,则将出现虚线所示的环流。过大的直流环流会导致平衡电抗器电感饱和,使得平衡电抗器不能正常工作。312移相变压器次级绕组电压不平衡产生的电流差12脉波不控整流系统的简化模型如图3所示,Lu为平衡电抗器的支路电感,Lc为移相变压器漏感。假设平衡电抗器电感足够大,负载电流Id恒定,理想的开关状态及忽略变压器次级绕组电阻。当移相变压器次级绕组电压不相等时,会导致磁化电流iu逐渐增大,从而使两整流桥负载电流不平衡,整流电压高的一侧会负担更大的电流。随着电流不平衡度逐渐增加,移相变压器两次级绕组漏抗上压降也不平衡,电流大的一侧漏抗压降也大,从而使该侧整流电压减小,另一侧整流电压增大。故在某一时刻,由次级绕组电压不平衡引起的电流不平衡与变压器漏抗产生的负反馈之间达到平衡,从而两整流桥之间存在一个稳定的电流差iu。当两个整流桥工作在换流不重叠期间时,定义一个有限时间段内的平均变量为:当该有限时间段与系统动态响应时间相比很短,且平衡电抗器电感足够大时,由式(1)解出的平均变量是准确的。在平均状态下,带负载反馈的整流桥等效于一个电压源串联电抗。因此12脉波不控整流系统的平均模型如图4所示,其中Us1,Us2为移相变压器两次级绕组线电压峰值。由于两整流桥并联,因此两整流桥输出的直流电压相等,即:由于移相变压器次级绕组匝数比例通常不能做到十分精确,故移相变压器次级绕组电压和漏抗均不平衡。通过12脉波不控整流系统的平均模型,可得当移相变压器次级绕组电压不相等时:u/Id=(k-1)/(XcId/Us),k为移相变压器两次级绕组电压之比,k=Us2/Us1,Xc为移相变压器次级绕组漏抗。当Xc不匹配时有:4移相变压器次级绕组漏抗不匹配和输出电压不等时导致电流混乱为验证上述理论,构建了一套多相变频调速系统。电路参数为:延边三角形移相变压器额定功率20kW,初级绕组输入电压380V,次级绕组输出电压500V,频率50Hz;平衡电抗器额定功率1.5kVA,额定电压100V,励磁电感11mH,频率300Hz;直流电容10000μF;负载为1台15kW的九相感应电机,额定相电压230V,额定电流9.5A。图5为额定负载下两整流桥输出电流。此时移相变压器两次级绕组输出电压分别为499.1V和499.6V,两整流桥输出电压间存在约0.7V的直流电压差,因此两整流桥输出电流存在约1A的电流差。由于在加载过程中,直流母线电压受到负载反馈而变化,故两整流桥电流存在一定畸变。为实现移相变压器次级绕组漏抗不匹配和输出电压不相等,采用两台三相自耦变压器,均为一套初级绕组和一套次级绕组,分别连到2个三相整流桥。自耦变压器1,2的输入电压均为380V,额定功率分别为20kW,9kW。图6a为额定负载下两自耦变压器输出电压均为200V时的两整流桥电流。由于两自耦变压器漏抗不匹配,此时两整流桥输出电流间存在约5.65A电流差,Id1,Id2分别为自耦变压器1,2对应的整流桥输出电流。由于两变压器功率比为20∶9,输出电压相同,因此漏抗比约为9∶20,由式(3)算得iu=7.33A,与实际值相差了1.68A,这是由于式(3)忽略了变压器电阻的影响,而在实际过程中变压器电阻起到一个负反馈作用,对环流有一定抑制作用。图6b为额定负载下两自耦变压器输出电压相差11%(自耦变压器1输出电压大于自耦变压器2输出电压)的两整流桥电流,此时两整流桥电流存在约12.3A的电流差。表1为两自耦变压器输出电压差异不同时(自耦变压器1输出电压大于自耦变压器2输出电压),额定负载下两整流桥的输出电流和环流。由于两变压器漏抗不匹配会产生一定环流,因此考虑由两变压器输出电压不相等而引起的环流时,应减去由漏抗不匹配而产生的环流。然而理论计算值与实际值存在一定偏差,这是由于理论计算值未考虑变压器电阻的影响,而且此时变压器电阻和漏抗均会产生一个负反馈抑制环流。随着两变压器输出电压差异的增大,环流随之增大,当增大到一定程度时,输入电压小的整流桥出现断流,此时另一整流桥几乎负担全部电流,此时理论计算值与实际值偏差较大。总之,漏抗不匹配或输出电压不相等时,两整流桥之间会存在严重的电流不均衡问题,导致平衡电抗器饱和,缩短功率器件寿命,降低系统可靠性。在不增加额外器件情况下,可采取以下措施:(1)移相变压器采用延边三角形结构,可使次级绕组漏抗匹配度更高,输出电压相等;(2)平衡电抗器设计时,应留有一定气隙,增加磁阻,防止因直流磁动势过大引起饱和。5移相变压器次级绕组漏抗不匹配且输出电压不等时两整流桥电流不均衡通过建立12脉波不控整流系统的平均模型,对由于移相变压器次级绕组电压不相等或漏抗不匹配而产生的环流进行分析,得到以