1、高压变频器过电压保护与控制 曲晓野 刘刚 沈阳石蜡化工有限公司 摘 要： 经济发展和社会进步对电力资源的需求越来越大, 因此, 高压输电线路以及相关的供电设备的使用越来越多。其中高压变频器是高压输电线路中的关键设备之一, 高圧变频器的保护工作也是电力设备保护工作的重要内容。而电子技术的发展和创新, 使中性点箱位三电平高压变频器的拓扑结构被人们逐渐重视, 对其研究也在不断深入。但是随着高压变频器的不断运用, 电子器件的承压问题也逐渐受到人们关注, 因此, 加强对变频器的过电压保护研究, 并对高压变频器的控制方式进行进一步探索研究对高压变频器的发展有一定的促进意义。关键词： 高压变频器; 过电压保
2、护; 控制方式; 作者简介：曲晓野 (1979-) , 男, 本科学历, 毕业于沈阳理工大学, 助理工程师, 从事的工作:运行电气工程师。收稿日期：2017-10-12Received： 2017-10-121 高压变频器的过电压保护分析1.1 高压变频器的过电压概述高压变频器内产生的过电压主要是因为电力电子器件在开关过程中产生电压情况, 可分为换相过电压以及关断过电压。而电力电子元件是保证高压变频器正常稳定工作的重要器件, 可以说是最贵重的器件之一, 如果高压变频器的电子器件受到损坏, 不仅会影响高压输电线路的输电情况, 还会造成严重的经济损失。并且因为高压变频器中的电子器件比较容易受到电压
3、的影响, 所以, 必须对高压变频器采取一定的过电压保护, 降低高压变频器中的过电压对电子器件的影响, 减少电子器件的故障可能性。目前, 高压变频器中最常用的过电压保护就是对所有电子器件设计相对独立的 Zn O 压敏电阻, 将 Zn O 压敏电阻和电子器件串联在一起, 达到降低电压, 保护电子器件的目的。但是这种保护方式有一个重要的缺陷就是会使高压变频器中的 Zn O 压敏电阻的数量增加, 使保护系统过于庞大, 提高了过电保护的成本投入, 经济效益较低。并且电子器件的耐压程度比较有限, 有可能会使 Zn O 压敏电阻内的残留电压提升, 所以, 计算Zn O 压敏电阻选型时也比较困难。实际上, 设
4、计高压变频器的过电压保护工作时, 一般要按照以下步骤进行:第一, 确保直流母线的电压比较充足, 才能保证有效控制电子器件, 使其完全应用到高压变频器中;第二, 在保证母线电压充足的情况下, 要确保电力电子元件只能处于开和关两种控制状态下, 严禁跳跃, 才能防止出现直通情况。1.2 高压变频器中 Zn O 压敏电阻的接线位置为了保证 Zn O 压敏电阻能够很好的完成保护工作, 必须对其接入位置进行准确确定。在确定 Zn O 压敏电阻的接线位置时, 要在充分考虑电压发生后及时动作的基础上, 对 Zn O 压敏电阻的动作对高压变频器中过电压的限制程度进行深入研究和分析。通常情况下, Zn O 压敏电
5、阻会接在 24 脉波整流之前的位置和输出滤波器之后的位置, 也就是图 1 中 1 和 2 的位置。而在图 1 中 3 和 4 的位置接入 Zn O 压敏电阻的主要作用是为了限制母线的过电压;在图 1 中 4 位置上接入 Zn O 压敏电阻还有另外一个作用是为了防止逆变部分出现过电压, 在图 1中 5 位置上接入 Zn O 压敏电阻也是这个目的。但并不是所有位置接入 Zn O 压敏电阻后都可以很好的起到高压变频器的过电压保护作用, 在图 1 中 1 位置上接入 Zn O 压敏电阻虽然可以实现对高压变频器的限制, 避免过电压对电子器件的损坏, 但是一旦 Zn O 压敏电阻内的残压提升就会在很大程度
6、上使直流电容的两端电压得到提高, 降低过电压保护效果。而最好是在逆变部分前后接入 Zn O 压敏电阻, 也就是图 1 中 4 和 5 的位置, 这样即使电路中的电流和电压瞬间增加, 也不会对高压变频器产生较大影响, 可以对高压变频器的电子器件进行有效保护。1.3 Zn O 压敏电阻的接线方法在对 Zn O 压敏电阻的接线位置进行确定后, 就要开始对 Zn O 压敏电阻的接线方法进行考虑。一般来说, 最好的接线位置是在图 1 中 5 的位置上进行接线, 这样可以增强对高压变频器的保护作用, 经常使用的接线方法有三种, 分别是:三个 Zn O 压敏电阻进行三相星形连接、四个 Zn O 压敏电阻进行
7、三相四线连接和三个 Zn O 压敏电阻进行三相三角形连接。其中三个 Zn O 压敏电阻进行三相三角形连接是最好的接线方式, 可以增强高压变频器的过电压保护作用, 但需要注意的是, 为了保证过电压保护功能充分发挥, 必须保证三个 Zn O 压敏电阻的设计参数相同。图 1 Zn O 压敏电阻的接线位置 下载原图2 高压变频器拓扑结构的控制方式2.1 变压器多相电动机与独立定子的绕组应用在对无输入变压器多项电动机和独立定子绕组进行设计实验时, 采取一定方法将高压整流输入变成多个低电压直流输入是一个必须面对的难点和重点。对整流输入进行改进时, 采用的拓扑结构设施主要是将多个低压直流与相同数量的多个单相
8、整流桥结合应用, 并且为了保证整个整流桥和电网之间的稳定连通, 还要建立三相级联, 要注意对串联分布的单相整流桥个数进行均衡布置, 才能保证三相功率的平衡。这时, 对无输入变压器多项电动机高压变频器的低压输出进行计算时, 要保证相数是三的倍数, 同时负载使用的多相电动机也应该是三的倍数。除此之外, 与多相电动机相对应的定子绕组的接法也要相对独立, 才能避免传统接法引起的电子换流现象。经过仿真设计后, 可以看出无输入变压器多相电动机高压变频器的串联原理和串联多重化高压变频器的原理十分类似。两者的高压和低压输入输出都发生了改变。其中无输入变压器多相电动机高压变频器主要是利用单相整流、负载独立定子绕
9、组多相电动机, 对电流进行高压转低压再转高压的不断转化最终达到降压目的, 从而保证电子器件的耐压性能。2.2 无输入变压器九相电动机高压变频器的控制设计分析对高压变频器的控制方式进行研究时, 因为参数设计的方案比较多, 所以, 主要以无输入变压器多相电动机高压变频器的参数设计为研究对象, 同时以九相电动机高压变频器为例, 参数设计为 PN=1 MW、UN=1 k V、IN=131 A, 功率因数为 0.85, 输入电压是 6 k V, 采用的是三相交, 总共有九个单相逆变桥和整流桥, 每一组串联的单相整流桥都是三个, 总共的有效输入电压值是 1 155 V, 直流环节电压是 1 470 V,
10、而每个电力元件的最大承压值是 1 634 V。为了保证控制设计实验结果的有效性和准确性, 2k V 电力元件成为最低选择要求, 此时高压变频器的承载电流的有效值大约为 200 A, 与三电平压高压变频器的电子器件的电流有效值相比较低。在仿真设计中的电动机定子绕组使用的是 RL 等效电路完成模拟的, 计算出的单相无功功率接近 68865Var, 然后根据单相无功功率以及额定电流可以计算出高压变频器中的单相电感数值是 12.8 m H, 单相电阻是 6.5 三相交流电, 然后使用恒压频比是 SPWM 对单相逆变桥进行控制, 具体的数值控制规律见表 1。根据这种控制方式, 可以直接选择三个逆变桥作为
11、三相电动机等效定子绕组进行仿真设计。并且因为三相对称原理, 只需要对电压、电流波形式进行对比就能够对整个控制结果进行验证, 可以减少仿真实验时间, 提高设计效率。根据对控制方式进行的仿真设计可以得出每个单相整流桥在满足三相变频器输出电流、电压波形的要求后, 在两秒之内, 变频器就会稳定在 50 Hz 左右, 并且直流电容和电压都会相对减少, 最大的电压值在 1 470 V 左右, 因此, 这是一种有效的可实施的控制方式, 可以保证高压变频器的使用情况。表 1 恒压频比是 SPWM 对单相逆变桥的控制规律 下载原表 3 结语综上所述, 根据高圧变频器的实际情况做好过电压保护和控制工作, 可以在很
12、大程度上保证中性点箱位三电压的稳定性, 进而确保高压变频器安全稳定的工作状态和使用性能。这样才能保证输电线路的稳定和安全, 保证电力供给的持续性。因此, 相关部门和工作人员必须重视对高压变频器的过电压保护和控制工作, 尽量减少高压变频器的故障概率, 提升高压变频器的应用能力, 才能为国家发展和社会进步提供推动力。参考文献1方晶.高压变频器过电压保护与控制D.华中科技大学, 2011. 2任世永.高压变频器过电压保护及控制研究J.工程技术:引文版, 2017 (2) :00218. 3梁元龙.试论高压变频器过电压保护与控制J.科技创新与应用, 2015 (36) :208-208. 4方晶, 毛承雄, 陆继明, 等.Zn O 压敏电阻在高压变频器过电压保护中的应用J.电工技术学报, 2012, 27 (4) :145152.
