电机逆变器模式策略

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1引言

如今，逆变器已广泛地应用于航空、航海、电力系统、医疗和通信等各个行业。对逆变器容量的需求不断增大，对其控制性能和可靠性的要求也在不断地提高。由于功率型半导体器件的过载能力差为半导体器件提供过电流保护的检测电路很灵敏，在冲击电流（如单相短路、相间短路和三相短路等等）的作用下常常使逆变电源造成停机[1-3]。另外，在舰船等以逆变器为主要电源的小型电力系统中，除了要求高质量的电能外，还要求逆变电源具有很高的可靠性，以承受过载、负荷接入甚至负载短路等冲击，并在冲击过后能自行恢复到正常运行状态[4-6]本文中，正常情况下逆变器输出电压恒定，工作于电压控制模式：故障时（如短路或冲击性负荷）输出电流恒定（给定电流大于额定电流）；故障消除时恢复电压控制模式工作。大功率逆变器与小功率逆变器相比，额定工作电流显著增大（几十倍甚至几百倍），而线路阻抗（取决于工艺）增加不大，使得额定工作电流接近于短路电流的数量级，从可靠保护冲击负荷出发，希望进入电流控制模式的电流阈值越低越好(一般比额定电流和电机正常工作电流大一点即可）。在这种情况下，直接起动大功率电机，负载电流加上约10倍的起动电流很容易超过电流阈值，进而认为故障（如短路），误入电流控制模式。文献[7]中介绍了交流电流平均值的电流控制模式中加入硬件限制电流的方法，保证了两种模式之间相互切换且不产生振荡，并根据电流误差采用分段调节，获得了快速性和较好的波形效果，但未考虑大功率电机的起动，若考虑大电机起动时电流较大而进入电流控制模式的问题，则必须将电流阈值设置较高，从而降低相间短路限流保护的可靠性是以牺牲高可靠性来保证满载下大功率电机直接起动。本文给出大功率电机起动与短路故障的不同，进而改变进入电流控制模式的判断标准，这样既降低了电流阈值，提高了保护可靠性，又解决了满载下大功率电机直接起动误入电流控制模式的问题，搭建了两台400kV?A、50Hz逆变器并联系统实验平台，获得良好的效果。

2主电路及数学模型

由三个单相全桥逆变器经变压器组合构成三相逆变器[8]，此电路拓扑适合于中低压大电流的场合其等效主电路图如图1所示，直流侧接大电容，视为电压源。通过控制开关器件IGBT，经滤波器得到对称的三相交流电压，再经三相变压器隔离组合成三相对称电压。R1为线路死区的等效电阻，L1为滤波电感，C为滤波电容，L2为隔离变压器（电压比K=1）漏感，变压器二次线路电阻为R2。电压模式控制采用变压器的一次电压作为反馈量，变压器漏感L2当作并联时的等效并机电感。电流模式控制中（主要是过载，短路而不停机要求下限流），主要考虑保护输出负载，所以用变压器的二次电流作为反馈量，接入LCL滤波器[9-12]。采用三相统一控制策略，即三相电压（或三相电流）并不是等效于三个单相分别控制，而是彼此之间相互影响（常用Park变换下的数学模型）的统一控制[13]，所以等效为三相桥式逆变器拓扑。由（5）式知，dq变换在dq轴之间引入了耦合量。dq轴电流除受控制量ud、uq影响外，还受耦合量ωL1i1q、ωL2i2q、ωCu1q、?ωL1i1d、?ωL2i1d和?ωCu1d影响。逆变器工作于电压控制模式，分别列出d轴和q轴解耦后的控制器输出量.

3大功率电机起动特性

虽然对于大功率的电机常采用变频起动[14,15]，不会存在很大的起动电流，但是，变频起动无疑需要一个变频器，增加了巨大的成本，而且随着工艺的提高，在一定程度上减少了电机内部产生的损耗引起的发热，所以大功率电机直接起动也是一种需要，它使得设备简单，故障率低，起动转矩大，起动时间短，操作方便，易于维护，投资省。另外在逆变器作为主电源的系统，负载对象也可能包含直接起动的大功率电机，在接近满载下可靠地直接起动大功率电机也是一个重要的性能指标。异步电机的简化T型等效电路如图3所示。当异步电动机直接起动时，在t为零时，转速n为零，转差率s=1，(1?s)R2′/s=0，相当于电路处于短路状态，故定子的起动电流很大。忽略励磁支路，起动阻抗Zst为电机起动阻抗大约为额定阻抗1/10。直接起动电流约为额定电流的10倍。电机起动的过程中，电机阻抗由起动阻抗Zst逐渐增加到额定阻抗Zse。

4模式切换技术

正常情况下，逆变器输出恒压（即恒频的电压），工作于电压控制模式；异常情况下（多指短路），需限制输出电流值，输出恒流恒频的电流，工作于电流控制模式，所以两种模式的切换是逆变器控制的关键技术之一[17]。根据第二节分析结果并结合式（8）和式（10）可得电压控制模式的戴维南等效电路和电流控制模式的诺顿等效电路，如图4所示。图4中，Zv(s)为电压控制模式的输出阻抗（Zv(s)=Zv1(s)+(R2+sL2)），Zi(s)为电流控制模式的输出阻抗（为后文分析方便，可认定Zi(s)无穷大，则为一个理想电流源），ZL(s)为正常的负载阻抗(满载下的负载阻抗记为ZLmin(s))，Zd(s)表示可变的负载阻抗，Z1(s)为负载侧的总阻抗（可变阻抗Zd(s)为短路阻抗时的总阻抗为Z1sc(s)，可变阻抗Zd(s)为电机起动阻抗时的总阻抗为Z1ds(s)）。T=0时，切换开关工作于电压控制模式；T=1，则工作于电流控制模式。式（21）表明了常用的切换策略，但由于电机的起动电流接近其额定电流的10倍，在满载下直接起动大功率的电机，易使负载电流IL(s)大于设定的电流阈值Iref2(s)，而进入电流控制模式工作。为避免电机起动误入电流控制模式，必须将电流阈值Iref2(s)抬高到电流阈值Iref1(s)，显然就降低了保护的高可靠性，所以上述切换策略是以牺牲保护的高可靠性来保证电机的正常起动。若在式（21）式中，将负载电压量作为判断条件，取电压阈值Vref(s)=kVe(s)（k值使得电压阈值大于短路时的电压，略小于电机起动时刻的电压即可），改进的切换策略如下：电流阈值仍采用Iref2(s)，因短路时负载侧电压必然满足负载电压VL(s)（远小于电压阈值Vref(s)），短路前后分析同上无任何区别。T=0时，电机起动，虽然负载电流IL(s)大于设定的电流阈值Iref2(s)，但是由式（18）知，负载电压VL(s)不会小于电压阈值Vref(s)，所以就可保证电机起动不会误入电流控制模

5实验

在400kV?A、50Hz的逆变器上试验该方法。组合式三相逆变器使用2400A、1700VIGBT开关器件，输入直流电压为350～640V，输出线电压为390V。短路电流瞬时值达到2600A。保护的电流阈值为870A，电压阈值为270V（约70%的额定线电压），电机起动电流约为430A，在带载260kW（负载电流480A）下起动电机，合计负载电流约为910A。图6a为控制模式切换单机电压电流波形，逆变器带载电压控制模式工作。t1时刻，出现短路故障，由电压控制模式切入电流控制模式（由于电流有效值检测存在半个周波的延时，存在一个电流尖峰，此时电压已经很小，所以不会影响逆变器安全），输出软起动电流在t2时刻达到电流给定值后稳定运行，t3时刻短路故障消除，由电流控制模式切入电压控制模式，输出软起动电压直至达到电压给定值后稳定运行。图6b为控制模式切换并联电压电流波形，逆变器带载电压控制模式工作。t1时刻，出现短路故障，由电压控制模式切入电流控制模式，软起动过程中输出电流增加，到达t2时刻短路故障消除，由电流控制模式切入电压控制模式，输出软起动电压直至t3达到电压给定值后稳定运行。图7为改进前的电机起动过程中两次误入电流控制模式的波形。图7a中，电机起动t1时刻，总负载电流大于电流阈值，进入电流控制模式，将电流拉低。随着电机的起动阻抗的增大，负载电压随之增大，当电压增大到额定值附近，进入电压控制模式工作，直至t2时刻电机起动完成，电压控制模式下稳定运行。图7b中，电机起动t1时刻，总负载电流大于电流阈值，进入电流控制模式，将电流拉低。随着电机的起动阻抗的增大，负载电压随之增大，到达t2时刻，电压增大到额定值附近，进入电压控制模式工作，但是此时的负载电流仍然大于电流阈值，再次进入电流控制模式，重复上一过程，电压上升到额定电压附近，进入电压控制模式，直至t3时刻，电机起动阶段完成，在电压控制模式下稳定运行。大于电流阈值，但此时负载电压并未小于电压阈值继续工作于电压控制模式，t2时刻电机起动完成，电压控制模式下稳定运行。图8b为并联下电机起动，t1时刻电机起动，直至t2时刻电机起动完成，始终工作于电压控制模式，且电机起动电流产生的环流很小。

6结论

考虑到负载存在大功率电机直接起动，在电流阈值判断的基础上，再引入了电压阈值判断，解决了高可靠保护的低电流阈值和带重载下正常起动电机时的高电流阈值之间的矛盾，既降低了电流阈值提高了保护可靠性，又解决了满载下大功率电机直接起动误入电流控制模式的问题，且并未增加很多计算工作量。本文作者所在课题组搭建了两台400kV?A/50Hz的实验样机，对比的实验结果表明该策略解决了电机起动误入电流控制模式，实验表明单机和并联都能可靠地直接起动大功率电机，获得了预期的效果。