变频器软充电单元设置与否的计算分析

张铁军

(株洲变流技术国家工程研究中心有限公司，湖南株洲 412001)

0 引言

变频器常采用三相桥式二极管整流器，连同直流母线支撑电容构成变频器的直流环节。为了限制系统上电时过大的充电电流对直流侧电容的冲击，往往在变频器交流侧或直流侧设置软充电电路。随着自愈式膜电容的成熟和广泛应用，充电电流对直流侧电容影响不再是问题。因此，从降低成本、减小损耗及优化结构的角度考虑，可以取消变频器内部的软充电电路，但取消软充电电路后，系统上电时，母线电压很可能会由于交流侧等效电感的存在而升高到危险的等级，威胁主回路功率器件的安全。

图1是一台1.14 kV 380 kVA变频器一次系统原理图，虚线框中是典型的软充电电路。变频器前级供电变压器规格为6 kV/1.14 kV/600 kVA，阻抗电压 Δuk=4%，等效电阻 RT=12 mΩ。为改善网侧功率因数，交流侧串入了电抗器，其电感值为80 μH，等效电阻为35 mΩ。图2是将虚线框中的软充电部分取消时变频器上电瞬间直流母线电压变化情况。可以看到，在没有软充电电路的情况下，系统上电瞬间，母线电压猛升至2 480 V，功率器件的安全将受到威胁，因此在本例中软充电电路不能取消。

本文通过分析变频器充电过程等效电路，得出取消软充电电路的前提是系统应具备足够的阻尼电阻，并使用二阶电路稳定性判据，推出该阻尼电阻的近似计算方法，进而确定是否能取消软充电电路。

1 充电过程等效电路及分析

在无软充电电路时，电容器的充电非常快，在此过程中整流桥工作在单相模式，即主要由某两相电源参与电容器的充电。假设AB相参与电容充电，充电过程的电路可等效为图3，箭头所示为充电电流流向。

图1 典型变频器系统图

图2 系统上电、变频器待机态时的直流母线电压

图3 直流母线电容充电过程的等效电路

在二极管导通时，该电路是二阶RLC串联电路，系统的传递函数为

其中:Uc——电容两端电压(直流母线输出电压);

Us——激励源交流电源线电压;

ζ——系统的阻尼比;

对应图3，系统的阻尼电阻R=2R0，L=2L0，C=C1。

对于单位阶跃激励，二极管开通时有

以图1中的实际情况为例，取系统每相等效电感L0=100 μH，直流侧电容 C=4 mF、阶跃激励为1 600 V进行验证，当时，系统输出电压将不超过稳态值1 600 V，事实上这里的1 600 V约等于1 140 V电源线电压峰值，此时直流侧过电压最为恶劣。

对R0进行参数扫描，结果如图4所示。图中从上至下依次是 R0=100，120，140，…280 mΩ时，直流母线电压的情况，当R0=200 mΩ时，系统电压1 603 V，还存在超调，当R0＞220 mΩ 已经无超调。

对于交流正弦形式的电压输入，二极管开通时有

图4 L0=100 uH，C=4 mF 时，R=100，120…280 mΩ时直流母线电压

式中:ω——正弦电压的角频率;

A——正弦电压的幅值。

当ζ=0时，单位峰值正弦激励下的输出电压波形如图5所示。

图5 单位峰值正弦激励下，ζ=0时的输出电压波形

当阻尼比ζ=0时，电容端电压峰值大大超过正弦激励峰值，系统有很大超调，峰值超过2 100 V，考虑到二级管的单向导通特性，实际直流侧电压会稳定在图6所示波形的峰值。

当0.1≤ζ≤1.2时，响应情况如下:

(1)单位正弦激励下，随着阻尼系数的增加，输出最大值呈衰减趋势，0.7≤ζ≤0.9时，峰值误差在5%以内，考虑二极管的作用后，电容器上的电压峰值也相应的会在95%～105%以内。

(2)与阶跃激励情况相比，正弦激励下其激励源的U-t特性比阶跃响应缓和很多，因此，在峰值不变的情况下，较小的阻尼比就可以使输出电压不超调，从而使直流母线电压不超调的进入稳定。

2 仿真试验验证

以本文最开始的系统参数为例，交流侧等效电感L=356 μH，直流母线电容C=4 mF，将上述方法应用在三相系统中，变频器上电、待机态时的直流母线电压额定值为交流测电源线电压峰值1 610 V。按照上述分析，取 300 mΩ＜R0＜380 mΩ时，系统阻尼系数满足0.7＜ζ＜0.9，应可以使输出电压无超调，从而保证直流母线电压不超过正常值。

图6 0.1≤ζ≤1.2时正弦激励响应情况

图7 所示是对R0的取值从300～400 mΩ，以10 mΩ的间隔进行扫描仿真的结果，Udc～Udc_10分别代表R0从300～400 m时系统上电、变频器待机态时的直流母线电压变化情况，Up是电源线电压。由图可看出，所取电阻值可以非常好地保证直流母线电压不超过输入电压峰值。

图7 变频器上电、待机态时的直流母线电压仿真结果

由于原系统等效电阻仅为47 mΩ，不能满足阻尼系数要求，因此该系统不能取消软充电单元。

针对上文所述进行了试验验证。试验时，选取了阻值为600 mΩ的软充电电阻，对应的每相等效电阻R0=347 mΩ，图8是实际的试验波形，从直流侧电压可以看到充电过程电压无超调，很好地验证了上述方法的正确性。

图8 实际试验结果

3 结语

针对取消软充电电路时变频器上电、待机态直流母线电压远超过系统正常电压的现象，本文对电容充电时的电路进行了等效，并采用二阶电路的分析方法，提出了确保直流母线电压不超标时交流侧阻尼电阻的计算方法，通过仿真证明了计算方法的有效性。在实际应用过程中，可以将该方法来评估软充电电路取消时系统的安全性及可靠性，如不能保证元件工作在安全区域，则需要增加相应的阻尼电阻以使机组安全可靠的工作。

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