ACS 6000 中压变频提升传动系统

0 引言

1995 年ABB 公司开发出了最新的变频调速控制技术———直接转矩控制(DTC)技术，紧接着在1999年开发出了ACS 6000SD及ACS 6000AD系统。

ACS 6000 中压传动控制系统的功率范围从3 ~27 MV·A，输出频率从0 至75 Hz(高速变频器ACS 6000TWIN频率可达250 Hz)，它在很多领域有着广泛的应用，如污水处理、化工、煤矿、电力、轧钢、船舶等。

ACS 6000 中压传动控制系统主要可分为ACS 6000SD(同步电动机)及ACS 6000AD(异步电动机)两大类，它具有模块化的结构，可根据机械和环境、力矩和速度、网络和成本的不同需求来进行配置，对于不同的应用，有四种不同类型的配置模式：

单电机传动配置;多电机传动配置;重复传动配置;

冗余传动配置。

1 ACS 6000 变频器的模块组成

ACS 6000变频器的结构组成如图1所示，包括：

1)有源整流单元(ARU) 6 脉波自换流电压型整流器;

2)逆变单元(INU) 6 脉波自换流电压型逆变器;

3)电容单元(CBU) 过滤和平滑DC 母线上的直流电压;

4)终端单元(TEU) 高压进出电缆的接线终端部分;

5)控制单元(COU) 控制系统;

6)水冷单元(WCU) 系统的水冷散热单元;

7)输入滤波单元(IFU) 用于ARU 的谐波滤波器(根据供电网络要求配置);

8)电压限幅单元(VLU) 动态直流电压的限幅电路;

9)电阻制动单元(RBU) 集成制动电阻的直流斩波器;

10)制动斩波单元(BCU) 与外部制动电阻配合使用的直流斩波器;

11)励磁单元(EXU) 6 脉波晶闸管桥式整流，其输出为同步电动机的励磁绕组供电。

以上模块可以根据现场实际情况进行组配。

2 DTC直接转矩控制

直接转矩控制的根本依据是基于以下两个简单公式：

DTC 技术相对于PWM 调制技术和矢量控制技术有以下优点。

1)转矩响应时间比矢量控制或PWM 调制控制方式快很多，直接转矩控制的响应时间为25μs，矢量控制或PWM 调制控制的响应时间为1~3 ms。原因是DTC 控制回路里无固定的电机模型，它的计算依据是一个自适应的电机模型。

2)DTC直接转矩控制是直接对电机电磁场进行控制，力矩、磁场在每一循环均受控，用软件进行正确的触发计算(软件可以精确地计算出正确的IGCT触发时间)，不受固定模型控制，计算依据自适应电机模型，它以电机的基本固有数据为依据进行设置。

直接转矩控制是交流传动方面独特的电机控制方式，逆变器的导通与关断由电机的核心变量———磁通和转矩直接控制。因此具有最小的转矩纹波，精确的静态速度和转矩控制。

ACS 6000的DTC功能流程为：

1)在运行过程中，每间隔25 μs 将实际测量的电机电流值、电机电压值、IGCT 开关位置量送入电机模型中进行计算，得出精确的电机转矩和磁通，把结果送入转矩与磁通比较模块，同时计算出当前实际速度值，并将其送入速度控制模块。

2)速度给定值送入速度控制模块与由电机模型计算出的当前实际速度值进行PID 调节，所得结果送入转矩给定调节器。

3)同时给定的转矩值也会送入转矩给定调节器与速度控制模块的结果进行对比、调节，结果送入转矩磁通比较器，与电机模型所计算出的转矩、磁通进行比较，最终得到逆变器IGCT的最佳触发时间与最优的开关位置(PWM 调制技术中，逆变器的开关是由预先设定好的方式进行的，而不是根据实际情况来定的，因此在响应时间方面比DTC 调制技术慢)，然后由触发逻辑功能块去发出执行命令。

简单地说，DTC控制是先进入速度控制环，再进入力矩控制环。

3 ACS 6000变频器的模块分析

3.1 ARU有源整流单元

ARU 整流单元是采用IGCT技术的自换流6 脉波、三电平、电压型PWM整流器。集成门极换流晶闸管IGCT是基于非常成熟的GTO 技术，专为中压变频器开发的功率半导体开关器件，它使变频器的设计从根本上降低了复杂程度，提高了效率和可靠性。

IGCT 集IGBT 的高速开关特性和GTO 的高阻断电压和低导通损耗特性于一体。

当交流输入电压为3 160 V，ARU单元直流输出电压为4 840 V，而依理论知常用的二极管全波整流输出的直流电压为交流输入电压的1.35 倍，则二极管整流输出电压为4 266 V，4 840 V > 4 266 V? 这是因为在直流母线处有储能电容单元CBU，CBU 中有大容量电容器，能存储能量，从而保证直流回路的电压恒定。根据电机的运行模式(电动、制动)，ARU分别从电网获取能量或向电网注入能量来实现能量的双向流动。

3.1.1 功率因数控制通过选择适当ARU脉冲触发模式，使变压器的电流与线电压具有相同的相位，从而使系统的功率因数cos渍为1。变压器是感性负载，要使功率因数为1，就要对其进行补偿，使其总体呈阻性负载特性，因此ACS 6000 系统在直流侧增加了CBU 电容柜，以容性负载的超前特性来抵消感性负载的滞后，这样就要求能量能经过ARU 进行流动，而ACS 6000 系统也具备了让ARU反向逆变的功能，使ARU 实现反向逆变功能是由ARU的控制板AMC3来控制的。

3.1.2 公共直流母线

所有的整流模块和逆变模块都连接在公共直流母线上。ACS 6000是基于电压型逆变器技术设计的，因此整流器和逆变器都与同一直流电容相连，可以将多个逆变器和整流器连接至同一公共直流回路。

ACS 6000还可以组成多台电机拖动或大拖动系统。

其优点是：第一，ACS 6000的模块化设计理念是建立在公共直流母线原理基础上的，仅用两种规格的逆变模块(7 或9 MV·A)，就可以实现对功率范围在3~27 MV·A的任何电机或电机组供电。第二，多传动配置，同步电机和异步电机的各种组合都是允许的，可以降低系统元器件数量和占地面积。通过将多台电机集成到一台变频器的方式，把某一台电机制动时产生的能量可传递到连接在公共直流母线上的其它逆变器，而无需整流器负担。

3.2 INU三电平逆变单元

三电平逆变单元将ARU 整流输出的直流电压转变为频率可调的交流电压以驱动电机。逆变单元允许四象限运行。INU 逆变单元的电路拓扑结构与ARU整流单元相同，也是自换流、6脉波和三电平的电压型逆变器。

INU和ARU单元，都具有一个交流端和一个直流端，直流侧都连接到直流回路的电容上，因此整个系统是对称的。每个ARU和INU都具有3组相序模块，每组相序模块是由4 块IGCT、6 个二极管、1 个箝位电路组成(IGCT 关断时正向电流必须迅速归零，di/dt过大，因此利用箝位电路来吸收IGCT关断时的能量)。每组相序模块都有一个专用的供电模块门极供电单元(GUSP)。INT板是ARU和INU的接口通信板，整流器和逆变器之间的联络都是由INT板控制的，但INT板并不是主控板，真正的主控板是COU 内的AMC3 板，ARU 和INU 各有一块独立的AMC3 主控板。也就是说AMC3 板是整流和逆变的控制者，而INT板仅仅是AMC3板上的命令的执行机构，通信连接由光纤实现。

ARU、INU柜内还有快速短路检测板(FSCD),检测主功率回路是否发生短路;电压电流测量接口板(CVMI)，高压分配板(HVD)测量的直流电压、电流信号，和来自交流电流互感器的信号在电压电流测量接口板(CVMI)上被转换成数字信号，并通过光纤传输到接口板(INT)。

INU 和ARU 唯一的不同点是ARU 有2 个ASE抗饱和设备，而INU则无，ASE抗饱和设备的作用是用于吸收直流分量。当ARU的三相交流进线不平衡时，会产生直流分量，为了防止此直流分量进入变压器，致使变压器饱和、过热，所以加装了ASE设备。

3.3 CBU电容储能单元

CBU 的作用是过滤和平滑DC母线上的直流电压，电容单元的主要组成部分如下。

3.3.1 充电回路

由一个辅助升压变压器(输入侧为多抽头，有380V、415V、460V、500V、575V、690V，输出为3900V/0.9A)和一个二极管整流电路组成。作用是在ARU开始工作之前对直流回路进行充电，使直流回路中的直流电压稳定在DC 4 200 V左右，整个充电过程需要的时间为40 s。如不对直流回路进行预充电，ARU开始工作时会产生一个很大的浪涌电流，对CBU 内的电容产生冲击破坏，同时对逆变单元内的元器件构成威胁。

3.3.2 电容组

电容组是CBU 的主要部分，它直接连接在直流侧的正极与中性点、中性点与负极之间。ACS 6000系统的直流侧电容的数量取决于系统容量的要求，例如配置6个电容可以达到9 MV·A的系统容量，每个电容都是由2 个大的水冷电容(2×1.6 mF/2 700 V/260 A)组成。

3.3.3 接地开关

通过接地开关来放掉电容内蓄存的直流高压，防止伤人，起到安全保护的作用。接地开关位于接地位置时ACS 6000 系统不能工作，位于断开位置时，因有柜门连锁装置而不能打开柜门。

3.3.4 放电部分

如果系统有电压限制单元VLU 则不需要再加放电部分。VLU柜相当于放电电阻，作用是当高压断电以后，把直流母线上的电压放出，因为直流母线有高压直流电，如不放电，当操作员打开柜门时极易发生触电事故。直流母线上接的CBU 柜有蓄电、平波作用，采用斩波制动放电的方法，即不停地关断斩波IGCT，通过串联电阻消耗掉电容上剩余的直流电能。

3.4 EXU同步电机励磁单元

EXU同步机励磁系统是一个标准的三相晶闸管整流桥，直流输出带有自动过电压保护。EXU单元的供电由三相整流变压器(400~690 V)供电，采用励磁电流的PID闭环控制，能使同步电动机的输出功率因数等于1。晶闸管的触发角由励磁控制板CCB来进行计算，CCB板发出触发命令到门极驱动板GRB。

为了电气隔离，在晶闸管和控制硬件之间加装了脉冲变压器。

测量板MUI 通过测量励磁电流和励磁电压，送入励磁控制板CCB，为励磁电流PID算法和功率因数控制提供反馈信号。触发脉冲的同步，由三相同步变压器的三相同步电压来完成。

3.5 WCU水冷单元

ACS 6000水冷回路主要用于主回路功率器件的冷却。控制设备和其它元件的冷却靠柜内的自然空气对流(柜门内有小型排气扇)。

两台冷却水泵和热交换器安装在WCU单元内，即使系统处于运行状态，也可对WCU 单元进行维护。在冗余传动中，可提供两套独立的水冷系统。水冷单元向主回路功率元器件提供内循环冷却水(冷却水的温度设定为24℃)，将功率元器件产生的热量与外循环冷却水进行热交换，并由过滤器、离子交换器完成内循环冷却水的净化。另外，柜体内自然空气对流也参与系统的冷却。

两台冷却水泵互为热备用，也可设置两台泵自动定时转换，水冷系统的所有管路无须工具即可拆装。内冷却系统的温度、压力、电导率、流量都由各种传感器监测，若电导率传感器反映电导极小，则可能是传感器故障，水的电导率是一项极为重要的参数(正常的电导率值在0.15~0.22 μS/cm之间，报警值为0.5 μS/cm、故障值为0.7 μS/cm)，因为水冷管路直接通过功率器件，如电导率高则绝缘性能下降，有可能引起放电损坏设备，因此对内循环水的水质要求很高。

4 应用注意事项

ACS 6000SD应用在丁集煤矿主井提升同步电机变频调速系统中，同步电机的功率为4 000 kW，一年以来的使用证明，该设备技术先进，输出力矩大，控制精度高，总结出其在使用过程中需要特别注意以下几个方面的问题。

1)WCU柜水泵输出的冷却水温度设定为24℃。

此设定值是可以根据具体的使用环境来进行调节的，通过外接装有Drivewindows软件的笔记本电脑或控制柜(COU)上对应于INU 的CDP312控制面板都可以进行设定。

ACS 6000SD 柜体内功率器件的冷却方式是水冷，因此在日常的使用中，一定要保证夏季室内环境温度为24℃，如果室内温度高于柜内温度，那么就会在柜内的元器件上形成凝结水，从而造成短路或放电，损坏设备。冬季如果室内温度过低的话，会造成管路中水温过低，使ACS 6000 无法启动，冬季室内环境温度要保持在10℃以上。

2)ACS 6000变频器的380 V交流辅助控制电源在WCU柜内，必须安装一个EMC 滤波器后，再输送给其它柜体。EMC 滤波器的作用是对控制电源进行滤波，因为IGCT 频繁的关断，会在信号电缆的屏蔽层上形成过电压，所以要求电源电压由EMC 滤波后输出。

3)ACS 6000的合闸顺序为整流高压柜合闸→整流变压器达到稳态→ARU投入运行，当整流变压器未达到稳态时，如果ARU 投入运行，则会发生两次直流侧两电平不平衡的现象，即直流正极与直流中点之间(DC+、DC-NP)、直流负极与直流中点之间(DC-、DC-NP)的电压不平衡，丁集矿的整流变压器达到稳态的时间为10 s，此时间值在ACS 6000 的程序中设定，时间到达后会自动控制ARU投入运行。