静止变频器矿用在电机拖动中的应用研究

静止变频器矿用在电机拖动中的应用研究

摘要：相比于过往一些电机拖动的方式，静止变频器在将大型可逆式发电电动机拖动至额度转速直至机组并网中，具有明显的优势。文章介绍了sfc的主要设备及作用、其在拖动过程中的散热问题以及谐波抑制问题。

关键词：静止变频器；晶闸管；应用

1 前言

随着社会的高速发展，电力的需求也增加。由于水电机组具有无污染，启动速度快，调峰填谷等优点，其发展的速度也越来越快。而作为可逆式机组在水泵工况下启动的重要元件之一的静止变频器（sfc）也受到越来越多的关注。

2 静止变频器的原理

静止变频器在同步电机中的启动属于自控式变频调速系统，它主要是依据电机转速和转子位置信号来控制晶闸管变频，以此来实现对发电电动机的变频调速。电机变频启动时，转子绕组由励磁控制系统提供励磁电流，定子则由电网通过sfc供电，定子三相交流电产生的旋转磁场与转子相互作用后产生加速转矩，使机组的转速从零逐渐升至额定值，此时启动同期装置，待并网条件满足后机组同期并网，同时切除变频装置，完成拖动过程。它的优点是启动速度快，运行维护方便，可靠性高，对系统的影响小。sfc将电机拖动至准备并网阶段的过程可以分为低速运行和高速运行两个阶段。低速运行阶段：采用的是脉冲耦合方式。其工作原理如下：

在非自动换向阶段，全控桥只有两个可控硅处于导通状态，且每组可控硅导通相隔60°的电角度， 360°为一个周期，它们按照1-2，2-3，3-4...的顺序依次循环导通，控制每组的导通时间就可以控制机桥的输出频率。开始启动时，由于机端电压较低不能保证机桥工作在自动换向状态，由转子位置传感器去决定哪一组可控硅何时导通，即首先设置网桥在全逆变方式，即回路中的电流id=0，截止所有可控硅。一旦检测id=0，将脉冲送至下一组即将触发的可控硅，停止网桥的全逆功能，恢复回路电流，使新一组的可控硅导通。在这个阶段有两个重要的因素即力矩的方向和转子的位置。

高速运行阶段：如果可控硅欲从组3-4，换向至4-5，可以直接向臂5的控制级发射脉冲，由于机端电压的交替，其他臂会截流，而臂5会保持回路电流，由于此时可控硅具有自动换向的功能，故可编程数字控制器可以根据频率的基准值和力矩的设定值来调节sfc输出的启动电流，从而将电机拖至额定频率。此时在通过监控系统与可编程逻辑控制器的联系，由发电电动机根据此时系统情况通过同期装置调节控制机组的转速，从而达到电机的最终并网。

综上所述，为保证sfc能在整个频率范围内正常工作，要求同步工作方式工作频率的下限必须小于脉冲耦合方式的工作频率上限。其两者之间的相互转换就构成了sfc运行工作的两个阶段。这两个工作方式相互转换的频率就是静止变频器的转折频率，该频率一般在2.5-8hz之间。

3 sfc主要设备简介

静止变频器按照其结构和功能可以分为以下三个部分：

（1）功率单元：主要包括厂用变压器、sfc输入/输出电抗器、sfc开关柜、sfc输入/输出变、谐波过滤器、电网侧/电机侧可控硅、直流电抗器。

（2）保护和控制单元

保护单元是对sfc主回路上各种电气设备的保护，包括冷却水回路保护、变频单元保护、输入/输出变保护等。

控制单元主要包括脉冲单元、可编程逻辑控制器、可编程数字控制器、测量单元等。它们的主要作用是测量sfc调节控制时所需的各种变量元件以及sfc在工作时自身状态的改变和与监控系统的联系，以起到控制机组转速、sfc故障检测、顺序管理等。

（3）辅助单元

主要是包括输入/输出变冷却单元、sfc冷却单元以及其他的辅助设备。其主要功能是保证sfc在启动过程中保证sfc各个部件能正常运转，不要因为温度过高等外部原因导致机组启动不成功，造成跳机事故。

4 sfc运行过程中的一些注意事项

4.1 散热问题

要认真的使用静止变频器，必须充分考虑其散热效果。一般变频器的故障率随着变频器内部温度的上升而成指数形式上升，其使用寿命却成指数下降。sfc在工作时，由于流过变频器的电流较大，其产生的热量也非常大，因此我们要特别关注其散热问题。

一般变频器的发热量可以通过以下公式进行估算：

变频器的发热量近似值=变频器容量（kw）×60（w）.一般变频器均安置在控制柜内，sfc也不例外，要使控制柜内单位面积的热量减少必须增加控制柜的尺寸。因此一般通过将变频器部分散热器安装在控制柜外来控制控制柜的尺寸，这样会将变频器70%的发热量释放到控制柜外面。同时还可以用隔离板把本体和散热器分开，使其散发的热量对变频器本体影响不大。与此同时，还建议在控制柜出风口安装冷却风扇，进风口加滤网防灰尘进入本体内。特别注意，不能省略控制柜风扇或变频器风扇，要保证房间的通风效果。

4.2 谐波抑制

4.2.1 谐波的来源与危害

在抽水蓄能电站中，sfc为主要的谐波源，它产生的谐波通过主变传递到高压侧，对高压侧下的其他电气设备影响较大。它产生的谐波危害主要有以下几个方面：

（1）影响继电保护和电气设备的可靠运行；（2）使电机转矩产生脉冲，尤其在低速运行时，可能产生共振现象；（3）高频分量、电压畸形会造成用电和输电设备热量急剧增加，加大损耗；（4）干扰通讯信号和降低仪表的测量精度。

4.2.2 谐波的抑制

对于六脉波晶闸管变频器装置产生的谐波特性为6k±1次（k=1、2、3……），其中5次和7次谐波的幅值较大，其危害也相对较大，故必须采取有效的措施来防止其危害，常用的滤波措施如下：

（1）对谐波源采取有效的措施：增加交流装置脉冲数或者相数，即变频器电路的多重化。例如，对于12脉冲的变频器而言，其谐波特征为12k±1，（k=1、2、3……），最低次谐波为11次，有效的去除了5次谐波和7次谐波，大大降低了高次谐波对电力系统的影响。

（2）通过在谐波源附近装设滤波器，让其将谐波分流，吸收一定的高次谐波，从而控制流入电网的谐波使其在允许范围内，降低对电网的影响。

5 结束语

sfc起动装置作为大型抽蓄机组的重要设备，不仅容量较大，功机组的频繁启动要求外，还具有启动机组成功率高，对系统冲击小等能较强，满足电网对抽水蓄能电站优点。但目前我国的抽水蓄能电站sfc起动装置主要依靠国外进口，国产化的难点主要集中在大容量的高压变频的电力电子器件的应用技术上，如晶闸管器件的串联、高次谐波的有效去除等。随着国内高压变频技术的日益发展，我相信在不远的将来一定能实现sfc起动装置的国产化。

参考文献

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[2]陈湘匀，王俊生.静止变频器在可逆式机组中的应用[j].浙江：水利水电科技进展，2006（2）：44-47.

[3]王健忠.静止变频器（sfc）原理及设备[j].江苏：水电厂自