1  引言    大功率高壓變頻器廣泛地應(yīng)用于石油化工、電力、冶金、城市建設(shè)等行業(yè)的各種風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)設(shè)備，在降耗節(jié)能、改善工藝等方面起著重要的作用。但隨著系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大,簡(jiǎn)單的無(wú)速度傳感器VVVF控制大功率高壓變頻器也存在許多需要完善的功能,電機(jī)轉(zhuǎn)子處在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的變頻器啟動(dòng)即所謂“飛車(chē)啟動(dòng)”就是比較重要的功能。    在大型的拖動(dòng)系統(tǒng)中，特別是在風(fēng)機(jī)應(yīng)用的場(chǎng)合，其轉(zhuǎn)子及所帶設(shè)備的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量都很大，從旋轉(zhuǎn)狀態(tài)到靜止?fàn)顟B(tài)的自由停車(chē)時(shí)間從幾十分鐘到幾個(gè)小時(shí)。如果因電網(wǎng)原因或誤操作或隨機(jī)的干擾使變頻器掉電又重新上電，這時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子還處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，這時(shí)若變頻器只能在轉(zhuǎn)子靜止?fàn)顟B(tài)進(jìn)行啟動(dòng)，則在很多場(chǎng)合如石油化工過(guò)程、發(fā)電廠鍋爐等生產(chǎn)工藝要求嚴(yán)格的工作環(huán)境，變頻器帶動(dòng)的電機(jī)不能及時(shí)恢復(fù)運(yùn)行，將會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)停產(chǎn)或機(jī)組解列，對(duì)于一個(gè)大型的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，意外的系統(tǒng)停機(jī)將會(huì)使用戶遭受不可估量的經(jīng)濟(jì)損失。    另外，在高壓變頻器“一拖多”的泵類(lèi)應(yīng)用場(chǎng)合，即一套高壓變頻器“軟起動(dòng)”一臺(tái)泵到50Hz后將其轉(zhuǎn)到工頻，再按同樣方式“軟起動(dòng)”另一臺(tái)，僅最后一臺(tái)泵用高壓變頻器調(diào)速運(yùn)行調(diào)節(jié)供水量。當(dāng)調(diào)速泵退出時(shí)出水量還多于需求量還要下調(diào)時(shí)，就要把某臺(tái)工頻的泵轉(zhuǎn)入變頻器調(diào)速，這種場(chǎng)合要求變頻器具有“變頻―工頻―變頻投切”功能，而從工頻到變頻的投切同樣要求高壓變頻器必須具有“飛車(chē)啟動(dòng)”特性。        還有些不允許變頻器驅(qū)動(dòng)的生產(chǎn)設(shè)備停機(jī)的場(chǎng)合,變頻器出現(xiàn)故障或需要維護(hù)時(shí),要求把運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)切換到工頻運(yùn)行狀態(tài),保證生產(chǎn)設(shè)備不停機(jī);當(dāng)變頻器維護(hù)完畢允許重新投入運(yùn)行時(shí),再投入變頻運(yùn)行狀態(tài),以滿足重要過(guò)程控制場(chǎng)合的實(shí)際需求，這也要求高壓變頻器必須具有“飛車(chē)啟動(dòng)”特性。    因此，大功率高壓變頻器具有“飛車(chē)啟動(dòng)”的功能，在滿足用戶需求方面是必不可少的重要條件。否則，將會(huì)限制其在大型工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用。   2  多電平單元串聯(lián)電壓源型高壓變頻器系統(tǒng)簡(jiǎn)介 2.1 主回路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介    多電平單元串聯(lián)電壓源型高壓變頻器是國(guó)內(nèi)應(yīng)用較多的，對(duì)于每相六個(gè)單元的高壓變頻器主回路結(jié)構(gòu)如圖1所示。首先由移相變壓器將三相三繞組的高壓降為三相多繞組的低壓，為降低對(duì)電網(wǎng)的諧波影響，經(jīng)延邊三角形移相處理，使低壓側(cè)每相的六個(gè)繞組電壓相位互差10?。

圖1  多電平單元串聯(lián)電壓源型變頻器主回路

功率單元結(jié)構(gòu)如圖2所示，每個(gè)單元輸入側(cè)為6脈波的三相全波二極管整流橋，每相六個(gè)單元輸入電壓互差10?，呈現(xiàn)給電網(wǎng)側(cè)的相當(dāng)于36脈波的整流器。

圖2  功率單元電氣回路原理圖

每一個(gè)單元為低壓變頻器，由整流橋，儲(chǔ)能電容，H橋輸出逆變器組成，由于輸入側(cè)為二極管整流，功率流只能是從整流側(cè)輸入從H橋逆變器輸出，如果從H橋向功率單元有功率流入的話，只能使儲(chǔ)能電容電壓不斷升高而損壞。故此，應(yīng)防止變頻器所驅(qū)動(dòng)的電機(jī)進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)向變頻器回饋能量。    變頻器運(yùn)行時(shí)，三相交流電源通過(guò)功率單元內(nèi)整流二極管橋進(jìn)行整流，電容陣列對(duì)脈動(dòng)直流進(jìn)行濾波，變?yōu)楹愣ǖ闹绷?。電容陣列同時(shí)作為PWM輸出的能量中繼池，提供給輸出回路穩(wěn)定的電壓。    每相6個(gè)功率單元的H橋逆變器，其PWM輸出控制信號(hào)由公共的正弦波和6個(gè)三角載波比較生成，6個(gè)三角載波按其自身周期的1/6互相錯(cuò)開(kāi)，使6個(gè)單元相互串聯(lián)疊加后輸出電壓為13階梯波，如圖3所示。其中UA1…UA6分別為A相6個(gè)功率單元的輸出電壓，疊加后為變頻器A相輸出電壓UA0。圖3中顯示出了生成PWM控制信號(hào)時(shí)所采用A相參考電壓UAr，可以看出UA0很好地逼近UAr。UAF為A相輸出電壓中的基波成分。    對(duì)6kV變頻器，功率單元的輸入電壓為三相600V，當(dāng)變頻器輸出頻率為50Hz時(shí)，功率單元輸出為單相577V，單元相互串聯(lián)疊加后可輸出相電壓3464V。

圖3  相電壓回路疊加波形

   由于變頻器中點(diǎn)與電動(dòng)機(jī)中性點(diǎn)不連接,變頻器輸出實(shí)際上為線電壓，由A相和B相輸出電壓產(chǎn)生的UAB輸出線電壓可達(dá)6000V,為25階梯波。圖4所示為輸出的線電壓和相電壓的階梯波形,諧波成分及dv/dt均較小。

圖4  線電壓疊加波形