0 引言

1995 年ABB 公司開發(fā)出了最新的變頻調(diào)速控制技術(shù)———直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)技術(shù)，緊接著在1999年開發(fā)出了ACS 6000SD及ACS 6000AD系統(tǒng)。

ACS 6000 中壓傳動控制系統(tǒng)的功率范圍從3 ~27 MV·A，輸出頻率從0 至75 Hz(高速變頻器ACS 6000TWIN頻率可達250 Hz)，它在很多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，如污水處理、化工、煤礦、電力、軋鋼、船舶等。

ACS 6000 中壓傳動控制系統(tǒng)主要可分為ACS 6000SD(同步電動機)及ACS 6000AD(異步電動機)兩大類，它具有模塊化的結(jié)構(gòu)，可根據(jù)機械和環(huán)境、力矩和速度、網(wǎng)絡(luò)和成本的不同需求來進行配置，對于不同的應(yīng)用，有四種不同類型的配置模式：

單電機傳動配置;多電機傳動配置;重復傳動配置;

冗余傳動配置。

1 ACS 6000 變頻器的模塊組成

ACS 6000變頻器的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示，包括：

1)有源整流單元(ARU) 6 脈波自換流電壓型整流器;

2)逆變單元(INU) 6 脈波自換流電壓型逆變器;

3)電容單元(CBU) 過濾和平滑DC 母線上的直流電壓;

4)終端單元(TEU) 高壓進出電纜的接線終端部分;

5)控制單元(COU) 控制系統(tǒng);

6)水冷單元(WCU) 系統(tǒng)的水冷散熱單元;

7)輸入濾波單元(IFU) 用于ARU 的諧波濾波器(根據(jù)供電網(wǎng)絡(luò)要求配置);

8)電壓限幅單元(VLU) 動態(tài)直流電壓的限幅電路;

9)電阻制動單元(RBU) 集成制動電阻的直流斬波器;

10)制動斬波單元(BCU) 與外部制動電阻配合使用的直流斬波器;

11)勵磁單元(EXU) 6 脈波晶閘管橋式整流，其輸出為同步電動機的勵磁繞組供電。

以上模塊可以根據(jù)現(xiàn)場實際情況進行組配。

2 DTC直接轉(zhuǎn)矩控制

直接轉(zhuǎn)矩控制的根本依據(jù)是基于以下兩個簡單公式：

DTC 技術(shù)相對于PWM 調(diào)制技術(shù)和矢量控制技術(shù)有以下優(yōu)點。

1)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時間比矢量控制或PWM 調(diào)制控制方式快很多，直接轉(zhuǎn)矩控制的響應(yīng)時間為25μs，矢量控制或PWM 調(diào)制控制的響應(yīng)時間為1~3 ms。原因是DTC 控制回路里無固定的電機模型，它的計算依據(jù)是一個自適應(yīng)的電機模型。

2)DTC直接轉(zhuǎn)矩控制是直接對電機電磁場進行控制，力矩、磁場在每一循環(huán)均受控，用軟件進行正確的觸發(fā)計算(軟件可以精確地計算出正確的IGCT觸發(fā)時間)，不受固定模型控制，計算依據(jù)自適應(yīng)電機模型，它以電機的基本固有數(shù)據(jù)為依據(jù)進行設(shè)置。

直接轉(zhuǎn)矩控制是交流傳動方面獨特的電機控制方式，逆變器的導通與關(guān)斷由電機的核心變量———磁通和轉(zhuǎn)矩直接控制。因此具有最小的轉(zhuǎn)矩紋波，精確的靜態(tài)速度和轉(zhuǎn)矩控制。

ACS 6000的DTC功能流程為：

1)在運行過程中，每間隔25 μs 將實際測量的電機電流值、電機電壓值、IGCT 開關(guān)位置量送入電機模型中進行計算，得出精確的電機轉(zhuǎn)矩和磁通，把結(jié)果送入轉(zhuǎn)矩與磁通比較模塊，同時計算出當前實際速度值，并將其送入速度控制模塊。

2)速度給定值送入速度控制模塊與由電機模型計算出的當前實際速度值進行PID 調(diào)節(jié)，所得結(jié)果送入轉(zhuǎn)矩給定調(diào)節(jié)器。

3)同時給定的轉(zhuǎn)矩值也會送入轉(zhuǎn)矩給定調(diào)節(jié)器與速度控制模塊的結(jié)果進行對比、調(diào)節(jié)，結(jié)果送入轉(zhuǎn)矩磁通比較器，與電機模型所計算出的轉(zhuǎn)矩、磁通進行比較，最終得到逆變器IGCT的最佳觸發(fā)時間與最優(yōu)的開關(guān)位置(PWM 調(diào)制技術(shù)中，逆變器的開關(guān)是由預(yù)先設(shè)定好的方式進行的，而不是根據(jù)實際情況來定的，因此在響應(yīng)時間方面比DTC 調(diào)制技術(shù)慢)，然后由觸發(fā)邏輯功能塊去發(fā)出執(zhí)行命令。

簡單地說，DTC控制是先進入速度控制環(huán)，再進入力矩控制環(huán)。

3 ACS 6000變頻器的模塊分析

3.1 ARU有源整流單元

ARU 整流單元是采用IGCT技術(shù)的自換流6 脈波、三電平、電壓型PWM整流器。集成門極換流晶閘管IGCT是基于非常成熟的GTO 技術(shù)，專為中壓變頻器開發(fā)的功率半導體開關(guān)器件，它使變頻器的設(shè)計從根本上降低了復雜程度，提高了效率和可靠性。

IGCT 集IGBT 的高速開關(guān)特性和GTO 的高阻斷電壓和低導通損耗特性于一體。

當交流輸入電壓為3 160 V，ARU單元直流輸出電壓為4 840 V，而依理論知常用的二極管全波整流輸出的直流電壓為交流輸入電壓的1.35 倍，則二極管整流輸出電壓為4 266 V，4 840 V > 4 266 V? 這是因為在直流母線處有儲能電容單元CBU，CBU 中有大容量電容器，能存儲能量，從而保證直流回路的電壓恒定。根據(jù)電機的運行模式(電動、制動)，ARU分別從電網(wǎng)獲取能量或向電網(wǎng)注入能量來實現(xiàn)能量的雙向流動。

3.1.1 功率因數(shù)控制通過選擇適當ARU脈沖觸發(fā)模式，使變壓器的電流與線電壓具有相同的相位，從而使系統(tǒng)的功率因數(shù)cos漬為1。變壓器是感性負載，要使功率因數(shù)為1，就要對其進行補償，使其總體呈阻性負載特性，因此ACS 6000 系統(tǒng)在直流側(cè)增加了CBU 電容柜，以容性負載的超前特性來抵消感性負載的滯后，這樣就要求能量能經(jīng)過ARU 進行流動，而ACS 6000 系統(tǒng)也具備了讓ARU反向逆變的功能，使ARU 實現(xiàn)反向逆變功能是由ARU的控制板AMC3來控制的。

3.1.2 公共直流母線

所有的整流模塊和逆變模塊都連接在公共直流母線上。ACS 6000是基于電壓型逆變器技術(shù)設(shè)計的，因此整流器和逆變器都與同一直流電容相連，可以將多個逆變器和整流器連接至同一公共直流回路。

ACS 6000還可以組成多臺電機拖動或大拖動系統(tǒng)。

其優(yōu)點是：第一，ACS 6000的模塊化設(shè)計理念是建立在公共直流母線原理基礎(chǔ)上的，僅用兩種規(guī)格的逆變模塊(7 或9 MV·A)，就可以實現(xiàn)對功率范圍在3~27 MV·A的任何電機或電機組供電。第二，多傳動配置，同步電機和異步電機的各種組合都是允許的，可以降低系統(tǒng)元器件數(shù)量和占地面積。通過將多臺電機集成到一臺變頻器的方式，把某一臺電機制動時產(chǎn)生的能量可傳遞到連接在公共直流母線上的其它逆變器，而無需整流器負擔。

3.2 INU三電平逆變單元

三電平逆變單元將ARU 整流輸出的直流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率可調(diào)的交流電壓以驅(qū)動電機。逆變單元允許四象限運行。INU 逆變單元的電路拓撲結(jié)構(gòu)與ARU整流單元相同，也是自換流、6脈波和三電平的電壓型逆變器。

INU和ARU單元，都具有一個交流端和一個直流端，直流側(cè)都連接到直流回路的電容上，因此整個系統(tǒng)是對稱的。每個ARU和INU都具有3組相序模塊，每組相序模塊是由4 塊IGCT、6 個二極管、1 個箝位電路組成(IGCT 關(guān)斷時正向電流必須迅速歸零，di/dt過大，因此利用箝位電路來吸收IGCT關(guān)斷時的能量)。每組相序模塊都有一個專用的供電模塊門極供電單元(GUSP)。INT板是ARU和INU的接口通信板，整流器和逆變器之間的聯(lián)絡(luò)都是由INT板控制的，但INT板并不是主控板，真正的主控板是COU 內(nèi)的AMC3 板，ARU 和INU 各有一塊獨立的AMC3 主控板。也就是說AMC3 板是整流和逆變的控制者，而INT板僅僅是AMC3板上的命令的執(zhí)行機構(gòu)，通信連接由光纖實現(xiàn)。

ARU、INU柜內(nèi)還有快速短路檢測板(FSCD),檢測主功率回路是否發(fā)生短路;電壓電流測量接口板(CVMI)，高壓分配板(HVD)測量的直流電壓、電流信號，和來自交流電流互感器的信號在電壓電流測量接口板(CVMI)上被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并通過光纖傳輸?shù)浇涌诎?INT)。

INU 和ARU 唯一的不同點是ARU 有2 個ASE抗飽和設(shè)備，而INU則無，ASE抗飽和設(shè)備的作用是用于吸收直流分量。當ARU的三相交流進線不平衡時，會產(chǎn)生直流分量，為了防止此直流分量進入變壓器，致使變壓器飽和、過熱，所以加裝了ASE設(shè)備。

3.3 CBU電容儲能單元

CBU 的作用是過濾和平滑DC母線上的直流電壓，電容單元的主要組成部分如下。

3.3.1 充電回路

由一個輔助升壓變壓器(輸入側(cè)為多抽頭，有380V、415V、460V、500V、575V、690V，輸出為3900V/0.9A)和一個二極管整流電路組成。作用是在ARU開始工作之前對直流回路進行充電，使直流回路中的直流電壓穩(wěn)定在DC 4 200 V左右，整個充電過程需要的時間為40 s。如不對直流回路進行預(yù)充電，ARU開始工作時會產(chǎn)生一個很大的浪涌電流，對CBU 內(nèi)的電容產(chǎn)生沖擊破壞，同時對逆變單元內(nèi)的元器件構(gòu)成威脅。

3.3.2 電容組

電容組是CBU 的主要部分，它直接連接在直流側(cè)的正極與中性點、中性點與負極之間。ACS 6000系統(tǒng)的直流側(cè)電容的數(shù)量取決于系統(tǒng)容量的要求，例如配置6個電容可以達到9 MV·A的系統(tǒng)容量，每個電容都是由2 個大的水冷電容(2×1.6 mF/2 700 V/260 A)組成。

3.3.3 接地開關(guān)

通過接地開關(guān)來放掉電容內(nèi)蓄存的直流高壓，防止傷人，起到安全保護的作用。接地開關(guān)位于接地位置時ACS 6000 系統(tǒng)不能工作，位于斷開位置時，因有柜門連鎖裝置而不能打開柜門。

3.3.4 放電部分

如果系統(tǒng)有電壓限制單元VLU 則不需要再加放電部分。VLU柜相當于放電電阻，作用是當高壓斷電以后，把直流母線上的電壓放出，因為直流母線有高壓直流電，如不放電，當操作員打開柜門時極易發(fā)生觸電事故。直流母線上接的CBU 柜有蓄電、平波作用，采用斬波制動放電的方法，即不停地關(guān)斷斬波IGCT，通過串聯(lián)電阻消耗掉電容上剩余的直流電能。

3.4 EXU同步電機勵磁單元

EXU同步機勵磁系統(tǒng)是一個標準的三相晶閘管整流橋，直流輸出帶有自動過電壓保護。EXU單元的供電由三相整流變壓器(400~690 V)供電，采用勵磁電流的PID閉環(huán)控制，能使同步電動機的輸出功率因數(shù)等于1。晶閘管的觸發(fā)角由勵磁控制板CCB來進行計算，CCB板發(fā)出觸發(fā)命令到門極驅(qū)動板GRB。

為了電氣隔離，在晶閘管和控制硬件之間加裝了脈沖變壓器。

測量板MUI 通過測量勵磁電流和勵磁電壓，送入勵磁控制板CCB，為勵磁電流PID算法和功率因數(shù)控制提供反饋信號。觸發(fā)脈沖的同步，由三相同步變壓器的三相同步電壓來完成。

3.5 WCU水冷單元

ACS 6000水冷回路主要用于主回路功率器件的冷卻?？刂圃O(shè)備和其它元件的冷卻靠柜內(nèi)的自然空氣對流(柜門內(nèi)有小型排氣扇)。

兩臺冷卻水泵和熱交換器安裝在WCU單元內(nèi)，即使系統(tǒng)處于運行狀態(tài)，也可對WCU 單元進行維護。在冗余傳動中，可提供兩套獨立的水冷系統(tǒng)。水冷單元向主回路功率元器件提供內(nèi)循環(huán)冷卻水(冷卻水的溫度設(shè)定為24℃)，將功率元器件產(chǎn)生的熱量與外循環(huán)冷卻水進行熱交換，并由過濾器、離子交換器完成內(nèi)循環(huán)冷卻水的凈化。另外，柜體內(nèi)自然空氣對流也參與系統(tǒng)的冷卻。

兩臺冷卻水泵互為熱備用，也可設(shè)置兩臺泵自動定時轉(zhuǎn)換，水冷系統(tǒng)的所有管路無須工具即可拆裝。內(nèi)冷卻系統(tǒng)的溫度、壓力、電導率、流量都由各種傳感器監(jiān)測，若電導率傳感器反映電導極小，則可能是傳感器故障，水的電導率是一項極為重要的參數(shù)(正常的電導率值在0.15~0.22 μS/cm之間，報警值為0.5 μS/cm、故障值為0.7 μS/cm)，因為水冷管路直接通過功率器件，如電導率高則絕緣性能下降，有可能引起放電損壞設(shè)備，因此對內(nèi)循環(huán)水的水質(zhì)要求很高。

4 應(yīng)用注意事項

ACS 6000SD應(yīng)用在丁集煤礦主井提升同步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)中，同步電機的功率為4 000 kW，一年以來的使用證明，該設(shè)備技術(shù)先進，輸出力矩大，控制精度高，總結(jié)出其在使用過程中需要特別注意以下幾個方面的問題。

1)WCU柜水泵輸出的冷卻水溫度設(shè)定為24℃。

此設(shè)定值是可以根據(jù)具體的使用環(huán)境來進行調(diào)節(jié)的，通過外接裝有Drivewindows軟件的筆記本電腦或控制柜(COU)上對應(yīng)于INU 的CDP312控制面板都可以進行設(shè)定。

ACS 6000SD 柜體內(nèi)功率器件的冷卻方式是水冷，因此在日常的使用中，一定要保證夏季室內(nèi)環(huán)境溫度為24℃，如果室內(nèi)溫度高于柜內(nèi)溫度，那么就會在柜內(nèi)的元器件上形成凝結(jié)水，從而造成短路或放電，損壞設(shè)備。冬季如果室內(nèi)溫度過低的話，會造成管路中水溫過低，使ACS 6000 無法啟動，冬季室內(nèi)環(huán)境溫度要保持在10℃以上。

2)ACS 6000變頻器的380 V交流輔助控制電源在WCU柜內(nèi)，必須安裝一個EMC 濾波器后，再輸送給其它柜體。EMC 濾波器的作用是對控制電源進行濾波，因為IGCT 頻繁的關(guān)斷，會在信號電纜的屏蔽層上形成過電壓，所以要求電源電壓由EMC 濾波后輸出。

3)ACS 6000的合閘順序為整流高壓柜合閘→整流變壓器達到穩(wěn)態(tài)→ARU投入運行，當整流變壓器未達到穩(wěn)態(tài)時，如果ARU 投入運行，則會發(fā)生兩次直流側(cè)兩電平不平衡的現(xiàn)象，即直流正極與直流中點之間(DC+、DC-NP)、直流負極與直流中點之間(DC-、DC-NP)的電壓不平衡，丁集礦的整流變壓器達到穩(wěn)態(tài)的時間為10 s，此時間值在ACS 6000 的程序中設(shè)定，時間到達后會自動控制ARU投入運行。