雍长胜
中国有色（沈阳）冶金机械有限公司 辽宁沈阳 110000
摘要：文章主要对高压变频器在双Y绕组同步电机中的应用进行了研究分析，使得级联型高压变频器的拓扑结构概念更加清晰，与此同时，又通过对双Y绕组同步电机进行数学建模处理从而对其控制方法进行了探索，使用两套级联型高压变频器对双Y绕组同步电机同时供电，采用主从协同与矢量控制策略相结合的控制方法，又利用仿真及试验的方式来验证控制方法的可实用性以及应用效率的整体问题。
关键词：双Y绕组同步电机；矢量控制；双机协同
引言
随着工业技术的不断进步与发展，变频器正越来越广泛的运用于工业传动系统当中，利用变频器调速不仅可以显著改善电机运动性能，还可以实现整个系统的节能降耗。近年来，多相电机以其独特的优势得到广泛认可，它不仅可以有效的消除5、7、17等次谐波，减小电机的转矩脉动，还直接增加了系统的输出功率。但是，因其驱动要求本身的复杂性，加上多电平和高压工作的特点，其系统控制相对普通的三相电机更为复杂，目前大多局限在中压、小功率、低电平以晶闸管为代表的交交变频器系统，在高压大功率的应用方面还不多。本文在建立双Y绕组同步电机数学模型的基础上，搭建仿真模型对其控制方法进行研究，最后在工程上使用两台H桥级联型多电平高压变频器，通过双机协同及矢量控制算法完成对一台6kV-3600kW双Y绕组高压同步电机的控制，为实现更大功率、更高电压等级的多相电机传动系统提供了理论和实验依据。
1.高压变频器的运行机理与选择方式
1.1高压变频器原理
高压变频器是一种基于电力半导体的通断功能来实现频率转换的控制仪器。高压变频器本身的种类很多，根据分类方式的不同，它可以被分为很多不同的类型。对于普通的高压变频器而言，其组成部分主要由变压器柜、功率柜和控制柜3个部分。功率柜中间包含着3组功率单元，主要的作用是输出所需等级的电压。给功率柜内部的功率单元提供能量的被叫做变压器柜。此外，功率柜的功率也时刻需要不断进行整流、逆变控制和进行检测处理，这也是使用控制柜的具体原因。
1.2功率单元的技术原理
由于高压功率单元是一类相对较为复杂的结构，因此，其主要主要的组成部分包括整流桥，电解电容，均压电阻，IGBT模块，以及旁路，温度继电器，单元控制板，驱动板。
①对于整流桥来说，由于其作用就是进行电流的控制，因此，这就要求对二极管三相全桥通过控制实现不控全波整流，这一做法的作用主要是将移相变压器的副边绕组的输出电压进行改变，即保证输出的690V交流电转变成980V的直流电。
②电解电容在变压器的作用过程中起到着滤波和储能的作用。在运行过程中，由于电解电容在移相变压器副边绕组输出电流时所输出的交流电具备畸波性质，因此，必须利用电解电容来对电解电容进行平滑滤波，这样才能够得到较好的直流波形。
③均压电阻在高压变频器中的作用主要是为了保证一定功率内电解电容分压一致，一般情况下，必须在各组电解电容的双端分别并联一个均压电阻保证效果实现。
④由于IGBT模块属于大功率的器件，其具有工作频率高、驱动功率小、开关能耗小等优点。在具体的工作过程中，每功率单元里存在着两个IGBT模块，由两个模块组成一个功率模块的逆变电路，这样一来，高压变频器的控制系统就能够利用两只IGBT模块开关时间来实现改变输出频率的效果，也就是将980V的直流电转换成0-690V的交流电。
⑤旁路作为功率单元的输出端并联的重要电路，如若某个功率单元故障，其能够及时封锁相应的功率单元IGBT所传递的触发信号，继而使得旁路SCR能够一定程度上得到导通，这样也能够充分保证电机电流能通过，仍形成通路。
另外，由于变频器的系统类型并不单一，区分旁路，因此变频器的类型也可以分为同级旁路和单模块旁路两种。从变频器系统类型上区分旁路，同级旁路指如若某个模块出现故障时，由模块旁路运行，与此同时，在同一级上的其他两个模块也能够同时旁路运行。因此，同级旁路具备的优点也较为明显。将各个功率单元电压输出保持稳定，使得三相相电压平衡，同时注意中性点不需要偏移，这种方式的主控逻辑算法相对较为简单，能够充分使得用户特定时间内不能停机的需求得到满足。而同级旁路的缺点则是必须依赖降额运行，与此同时也无法满足长时间运行的需要，有无法达到各类用户的要求。
而对于单模块旁路而言，如若在高压变频器的运行过程中出现模块故障时，由该模块旁路，剩余部分正常运行。因此单模块旁路的优点是就是能够保证不影响损坏两个功率单元不停机，同时又能够满足设备在特定功率内稳定降额运行的要求，另外，由于三相线电压的平衡，也能够满足用户特定时间内不停机的需求。但单模块旁路仍具备缺点，即必须降额运行，且需要使用中性点偏移技术，因此导致主控逻辑运算复杂，也无法满足不能长时间运行的需要。
⑥对于温度继电器的安装而言，其要求必须在特定功率单元内的IGBT模块之间，主要作用在于测量某一功率单元的温度，另外，还需要在每一个功率单元内并联安装两个温度继电器。功率单元内一般并联两个常闭式温度继电器，当温度上升到80℃时温度继电器断开，功率单元就可能出现过热保护的现象。当两个温度继电器都损坏或者没有接线时都会出现过热保护。
⑦而单元控制板作为系统控制器与对应功率单元之间的通讯接口，在运作过程中，由控制器向下一级功率单元发送命令，然后通过单元控制板进行接受转发；功率单元需要传递给控制器的信号（如功率单元报过压、欠压、过热、过流、光纤等故障，或者启动旁路信号）都需要单元控制板转发给控制器。
⑧驱动板主要功能作用在于向IGBT模块发出驱动信号，继而向旁路中包含的可控硅发出触发信号【1】。
1.3高压变频器的选型
以控制方式的标准进行选型：由于控制系统主要由开环控制与闭环控制两部分组成，该系统由异步电动机与高压变频器组成。闭环大部分主要包括的矢量控制有速度传感器或PID控制器两种，在温度、流量、压力、速度等有关场合中得到使用。而开环控制运用的则由无速度传感器矢量控制以及普通控制高压变频器所组成。
2.双Y绕组同步电机结构
双Y绕组同步电机的主要结构和组成与普通的三相同步电机是基本一致的，且由转子和定子两部分组成。二者的主要区别在于定子绕组的组成不同，双Y绕组同步电机的定子由两套三相绕组组成为ABC和DEF，其包含的两套绕组对应相（A-D，B-E，C-F）之间的夹角为30°，每套绕组的轴线在空间互差120°，如图1所示。
图1双Y绕组同步电机结构图
同时，在性能方面，双Y绕组同步电机相比普通三相电机具有更多的优点，具体表现在：（1）在每相定子绕组电流和电压等级相同的情况下，双绕组电机的容量是普通电机的两倍，可以间接的提升电机容量；同理，在容量一定的情况下，电机的电压等级选择范围更广，降低了绝缘材料的要求。（2）由于双绕组电机相数增加一倍，电机相冗余的能力得到了提高，增加了整个系统的可靠性，即使电机出现一相或多相故障时，电机仍可正常运行，较为适用于高可靠性的应用场合。
（3）相比普通电机，双绕组电机消除了磁势中的5、7、17、19、29等高次谐波，其主要作用在于最大限度提高电机效率的同时又能够保证电机输出转矩脉动减小，由此使得脉动频率增加，最终的性能得到最大限度上的提高。
3.高压变频器系统
当前的高压变频器系统拓扑结构类型主要为单元级联型多电平电压源结构，单元级联型多电平电压源结构主要包括移相变压器部分、功率单元部分以及控制系统三部分部分，而无需滤波电抗器的功能即可实现完美无谐波的输出电压。其中，移相变压器二次绕组通过移相技术实现了输入电压的多重化，当功率单元数量为n时，移相角度为θ=60°/n，可降低输入侧谐波。每一相由相同数量、电气性能一致的功率单元串联，串联数由电压等级决定，功率单元基本拓扑为交-直-交的三相整流、单相逆变电路。利用二极管将三相交流电压整流为脉动的直流电压，经电容滤波后得到稳定的直流电压，再由IGBT组成的单相逆变H桥进行PWM控制，最终得到等效的正弦单相交流输出。
控制系统负责整个系统的数据采集及电机控制算法的运算。通过人机界面获取指令信号，并实时采集变频器输入电压电流、输出电压电流等数据，进行控制算法的运算后输出PWM信号到功率单元，最终驱动电机的运转。
4.控制策略
4.1双Y绕组同步电机磁链方程
事实上双Y绕组同步电机的定子绕组是两套三相对称的电枢绕组，在空间上彼此相距30°电角度放置而成，而转子侧与普通同步电机相同，因此可同样采取坐标变换的推导方法对其数学模型进行推导。在一定理想假设的基础上，进一步可推导出磁链方程：
其中，xd、xq分别为d、q轴同步电抗，xad、xaq分别为d、q轴电枢反应电抗，xmd、xmq分别为两套定子绕组之间的d、q轴互抗，xf、xD、xQ分别为转子励磁绕组、d轴阻尼绕组、q轴阻尼绕组电抗。电磁转矩方程：Te=Ψd1iq1+Ψd2iq2-Ψq1id1-Ψq2id2。
4.2双机主从协同控制
通过上节双Y绕组同步电机结构及数学模型，我们可以将双Y绕组同步电机看成两个三相同步电机进行控制，使用两台高压变频器分别控制每一套绕组，为了使起动过程更加平稳，最终使得同步电机提前进入同步状态，并采用矢量控制技术，同时也可以提高系统的动态响应及控制精度，最终来达到满足电机高低不同转速下的稳定运行的目的。方案中，其中一台高压变频器作为主机，另外一台作为从机，主机主要负责控制算法的运算及励磁系统的控制，从机则实时更随主机的指令进行输出。由于励磁系统输出响应时间相对较慢，因此对电机励磁电流的控制采取外部励磁+内部励磁相结合的控制方式，外部励磁指励磁系统的输出，内部励磁指电机总定子电流励磁分量Id。
调节时，主机计算出电机的励磁电流，输出励磁柜控制电流Im*与总的定子电流励磁分量Id*，并将Id*进行等分分别传给主从变频器的电流调节器，作为各自的励磁电流分量给定，对励磁系统进行补偿。同时，根据设定的速度及反馈的电机转速，经速度调节器计算出总的定子电流转矩分量Iq*，同样将其进行等分，分别传给主从变频器作为各自的转矩电流分量给定。然后，通过PI调节及坐标变换计算出变频器的调制电压，驱动每个功率单元实现对电机的控制。
5.仿真分析
通过上述控制策略搭建仿真模型，对双Y绕组同步电机的控制进行仿真分析。将整个起动过程分为5个阶段：第一阶段，先由励磁系统投入励磁电流，建立转子磁场；第二阶段，变频器能够输出电压，从而转动电机，虽采用同步起动的方式，但开始起动阶段电机还没有进入同步状态，起动电流较大；第三阶段，同步电机经过短暂的振荡后进入同步状态，电流很快减小，基本为0，转速稳定在500rpm；第四阶段，在1.5s时刻开始施加负载转矩200N.M，电机转速只有约0.5rmp的下降，且很快就恢复；第五阶段，在3s时间点又增加负载转矩到300N.M，电机转速仍然只有约0.5rmp的下降，且很快就恢复，动态响应很好。
6.试验验证
通过某项目现场的现场应用，对此控制方法的有效性进行验证。整个系统是给双Y绕组电励磁同步电机提供一个平稳的、符合要求的变频电源，该系统主要分为6kV高压进线开关QF1、主变频器U1、从变频器U2、励磁柜、双Y绕组同步电机等部分。其中，U1与U2为两套2200kVA/6kV级联型高压变频器，每相由5个相同功率单元串联，U1作为主机、U2作为从机；励磁柜为额定电流600A的恒流控制系统；电机为功率3600kW的6kV双Y绕组同步电机，额定频率21Hz，额定转速90rpm。为满足调速误差要求，电机安装有绝对式光电编码器，速度信号进入主机。运行时，两台变频器协同控制电机，两台变频器之间通过光纤建立稳定的高速通讯。主机负责速度控制器、本机电流控制器、矢量变换运算、励磁计算及本机PWM控制，同时将计算的参考Id、Iq分量及检测的速度信号传递给从机。从机的作用则是用来负责本机的电流控制器、矢量变换运算以及本机PWM控制，最终将从机的运行状态实时传递给主机。试验完成了低速、中速、高速试验三项试验，电机运行稳定，保证了控制方法的有效性【2】。
结束语
本文对级联型高压变频器的结构进行了分析，另外也对双Y绕组同步电机的控制进行深入探索研究，通过分析与数据处理建立了双Y绕组同步电机的数学模型，在此基础上提出一种通过主从机协同控制的双机并联控制方案，使用两台高压变频器分别控制两个绕组。该方案控制效果良好，其控制思想与控制方法不仅适用于双Y绕组同步电机的控制，同时也对其他行业如多机并联、多机协同等行业的应用具有很大的借鉴意义。
参考文献
[1]张英.高压变频器在大功率电机节能改造中的应用研究[J].科技资讯,2015,13(26)：8-9.
[2]王伟光.高压变频器试验用同步发电机组的设计特点[J].电机与控制应用,2017,44(07)：7-12+25.
论文作者:雍长胜
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第35期
论文发表时间:2019/4/17
标签：绕组论文; 变频器论文; 功率论文; 电机论文; 单元论文; 高压论文; 旁路论文; 《建筑学研究前沿》2018年第35期论文;