如圖1所示，級聯(lián)式高壓變頻器主回路由輸入移相變壓器、功率單元、主控系統(tǒng)及電氣控制構(gòu)成。電網(wǎng)輸入為三相10kV或6kV，經(jīng)過移相變壓器變?yōu)閚個(gè)低壓、獨(dú)立、移相二次繞組電源，依次接入功率單元模塊，經(jīng)過整流、濾波和逆變輸出單相交流電源。若輸入為6kV，則每相由5個(gè)最大輸出電壓為759V的功率單元串聯(lián)而成，使輸出的相電壓最大值得到3795V，線電壓最大輸出為6572V，當(dāng)變頻器帶滿載時(shí)，除掉變壓器壓降和功率單元壓降，則輸出大約為最大輸出的92%。移相變壓器電流多重化作用可以降低電網(wǎng)側(cè)電流諧波。5個(gè)二次繞組通過不同的聯(lián)結(jié)方式使它們之間的電流相位差為12°，在變壓器一次繞組側(cè)構(gòu)成30脈波整流電路，理論上可以消除電網(wǎng)側(cè)29次以下諧波。

 
圖2  功率單元基本結(jié)構(gòu)圖

采用功率單元串聯(lián)，不存在器件均壓的問題。每個(gè)功率單元承受全部輸出電流，但僅承受1/5的輸出相電壓和1/15的輸出功率。輸入功率因數(shù)可達(dá)到0.95以上。這種主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)雖然使器件數(shù)量增加，但是由于IGBT驅(qū)動(dòng)功率很低，且不必采用均壓電路、吸收電路和輸出濾波器，可使變頻器的效率高達(dá)96%以上。
        如圖2所示，功率單元是由4個(gè)低壓絕緣柵雙極晶體管（IGBT）構(gòu)成的低壓PWM電壓型逆變器?？奢敵?,0，-1三種狀態(tài)電平；每相5個(gè)功率單元疊加，由于采用多重化SVPWM技術(shù)，可以產(chǎn)生11種不同的電平等級，可得到具有11級階梯電平的相電壓波形和21級階梯電平的線電壓波形。使得輸出波形接近正弦波，輸出諧波小。
      6KV每相5個(gè)單元級聯(lián)多電平變頻器電壓疊加原理（以其中一相如A相為例）如下圖所示：

圖3  串聯(lián)多電平變頻器相電壓波形圖

       每相單元輸出波形的電平數(shù)為11個(gè)階梯波。
                

2.3 主從控制系統(tǒng)構(gòu)成及控制原理

圖6 多電機(jī)拖動(dòng)皮帶輸送機(jī)控制系統(tǒng)原理圖

如圖6所示，給出了多電機(jī)拖動(dòng)皮帶輸送機(jī)的恒壓頻比控制系統(tǒng)的原理圖，圖中所示的交流異步電動(dòng)機(jī)用于驅(qū)使皮帶輸送機(jī)的運(yùn)行，所有電動(dòng)機(jī)的規(guī)格相同；每臺交流異步電動(dòng)機(jī)均由一臺變頻器對其進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。所有變頻器中有且只有一臺為主機(jī)變頻器，其余的為從機(jī)變頻器，主機(jī)變頻器用于實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信。變頻器的電源輸入端與電網(wǎng)相連接，電源輸出端與相應(yīng)電動(dòng)機(jī)的定子輸入端相連接；主機(jī)變頻器與所有從機(jī)變頻器之間通過光纖相通信，同時(shí)主從機(jī)變頻器通過檢測相應(yīng)輸出的有功電流大小來對運(yùn)行頻率做調(diào)整，以達(dá)到各個(gè)電機(jī)的功率平衡目的。
      圖6中所示的變頻器為電壓源型級聯(lián)式高壓變頻器。多電機(jī)拖動(dòng)皮帶輸送機(jī)控制系統(tǒng)采用恒壓頻比控制方式，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的VF曲線向多電機(jī)拖動(dòng)皮帶輸送機(jī)系統(tǒng)中的電機(jī)的定子繞組施加電壓，其特性可以等效于穩(wěn)定的交流電壓源，其穩(wěn)定性最接近于工頻電網(wǎng)，因而與其它控制方式和其它類型的變頻器相比，具有更高的工作穩(wěn)定性和可靠性。同時(shí)，由于多電機(jī)拖動(dòng)皮帶機(jī)系統(tǒng)中的各個(gè)電機(jī)的無功電流僅在電機(jī)的定子繞組和變頻器之間流動(dòng)，不進(jìn)入工頻電網(wǎng)，因此減小了對電網(wǎng)容量的要求，提高了系統(tǒng)的輸入功率因數(shù)。
圖6中主從變頻器通過各自電流傳感器采集三相輸出電流Ia、Ib、Ic，然后將靜止坐標(biāo)系的電流Ia、Ib、Ic變換成α和β兩相靜止坐標(biāo)系(Clarke變換)，也叫3/2變換，再從兩相靜止坐標(biāo)系變換成同步旋轉(zhuǎn)磁場定向坐標(biāo)系（Park變換），變換的同步角度為變頻器輸出的電壓矢量角度，這樣就得到了等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流Iq、Id。其中Id為異步電機(jī)的勵(lì)磁電流，也就是我們所說的無功電流，一般為電機(jī)額定電流的30%，Iq為與轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流，也就是我們所說的有功電流。通過控制有功電流大小來實(shí)現(xiàn)對變頻器輸出有功功率的控制，最終實(shí)現(xiàn)各個(gè)電動(dòng)機(jī)輸出扭矩一致、功率平衡。
2.4 具體實(shí)施方法
       恒壓頻比控制型多機(jī)拖動(dòng)皮帶機(jī)變頻器采用主從控制方式，系統(tǒng)中的每臺電機(jī)都分別有一臺變頻器驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)的變頻器有主從之分，在整個(gè)系統(tǒng)中有且只有一臺變頻器主機(jī)，其它的變頻器都作為從機(jī)。針對多電機(jī)拖動(dòng)皮帶輸送機(jī)變頻啟動(dòng)、停機(jī)、運(yùn)行調(diào)節(jié)和故障保護(hù)等關(guān)鍵性問題，提出了一種使用恒壓頻比控制型變頻器驅(qū)動(dòng)多電機(jī)拖動(dòng)皮帶輸送機(jī)運(yùn)行的方法，使恒壓頻比控制型變頻器驅(qū)動(dòng)多電機(jī)拖動(dòng)皮帶輸送機(jī)變頻調(diào)速運(yùn)行成為可能。
本文所涉及的多電機(jī)拖動(dòng)皮帶輸送機(jī)的恒壓頻比控制系統(tǒng)的控制方法，包括啟動(dòng)過程、運(yùn)行過程和停機(jī)過程，如圖7和圖8所示，分別給出了本控制方法中主機(jī)變頻器和從機(jī)變頻器的程序流程圖；

 
圖7  主機(jī)變頻器的程序流程圖

圖8 從機(jī)變頻器的程序流程圖

主機(jī)變頻器與各個(gè)從機(jī)變頻器之間通過光纖連接，一方面可采用高傳輸速率來提高響應(yīng)速度，另一方面實(shí)現(xiàn)了電氣隔離有助于減小外部干擾。

當(dāng)主機(jī)變頻器接收到本地或遠(yuǎn)程開停機(jī)指令后，會根據(jù)主從機(jī)變頻器的就緒、故障情況，將開停機(jī)命令通過光纖廣播發(fā)給從機(jī)。即從機(jī)變頻器開停機(jī)受主機(jī)變頻器控制。

當(dāng)主機(jī)執(zhí)行開停機(jī)后，會根據(jù)預(yù)先設(shè)置好的頻率上升時(shí)間和下降時(shí)間進(jìn)行升頻、降頻。并將主機(jī)變頻器運(yùn)行頻率作為基準(zhǔn)頻率廣播發(fā)給各個(gè)從機(jī)變頻器。從機(jī)變頻器接收到主機(jī)變頻器發(fā)來的基準(zhǔn)頻率后，將自身運(yùn)行頻率調(diào)整到基準(zhǔn)頻率。

同時(shí)，主機(jī)變頻器會檢測其輸出有功電流并作為基準(zhǔn)有功電流發(fā)給各個(gè)從機(jī)變頻器。從機(jī)變頻器接收到主機(jī)變頻器發(fā)來的基準(zhǔn)有功電流后并與自身檢測到的有功電流進(jìn)行比較，若自身有功電流小則進(jìn)行升頻，若自身有功電流大則進(jìn)行降頻。由于皮帶機(jī)是恒轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)，所需總的轉(zhuǎn)矩是一定的，若某臺變頻器輸出頻率降低，必然會導(dǎo)致輸出有功電流減小，所驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩減小，從而使其它電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩增大。這好比是兩匹馬拉大車，跑的快的出力大，跑的慢的出力小，若想讓兩匹馬出力相同，需將跑的快的馬降低速度，跑的慢的馬提高速度。從機(jī)變頻器對其輸出頻率的調(diào)整最終的目標(biāo)為其自身輸出有功電機(jī)與主機(jī)變頻器發(fā)來的基準(zhǔn)有功電流相同，從而保證了各個(gè)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩相同，輸出功率相同。

主機(jī)變頻器在廣播的同時(shí)，還接收從機(jī)變頻器反饋信號，以判斷從機(jī)變頻器通信情況及實(shí)時(shí)運(yùn)行情況。若發(fā)現(xiàn)主從機(jī)之間通信故障，或主從機(jī)變頻器相關(guān)的電網(wǎng)故障，或主從機(jī)變頻器內(nèi)部的重故障，或電機(jī)故障，主機(jī)變頻器立即封鎖輸出停機(jī)，并通過光纖通信通知從機(jī)變頻器封鎖輸出停機(jī)。

該控制思想的特點(diǎn)是：能夠使用恒壓頻比控制型變頻器驅(qū)動(dòng)多機(jī)拖動(dòng)皮帶輸送機(jī)平穩(wěn)地啟動(dòng)、停機(jī)、以較高的效率變頻運(yùn)行；在出現(xiàn)緊急情況下，可靠地保護(hù)電機(jī)、變頻器。拓展了恒壓頻比控制型變頻器的應(yīng)用范圍，增加了多機(jī)拖動(dòng)皮帶輸送機(jī)變頻器調(diào)速系統(tǒng)的選擇范圍，也降低了多機(jī)拖動(dòng)皮帶輸送機(jī)變頻改造的成本。由于本方法使用恒壓頻比開環(huán)控制方式，無需速度位置傳感器，無需檢測電機(jī)參數(shù)，因而提高了電機(jī)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，降低了系統(tǒng)的故障率。
3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
上述的技術(shù)方案經(jīng)過產(chǎn)品化后驗(yàn)證整個(gè)設(shè)計(jì)方案是可行的并在不同的現(xiàn)場設(shè)備上進(jìn)行了技術(shù)測試和考核。
如在山西省某洗煤廠，雙機(jī)拖動(dòng)皮帶輸送機(jī)系統(tǒng)中，每臺電機(jī)的額定功率為560kW，額定電壓為10kV，每臺電機(jī)均由單獨(dú)的變頻器驅(qū)動(dòng)?？刂品桨覆捎帽疚乃撌龅姆桨?，皮帶機(jī)系統(tǒng)能夠平穩(wěn)地啟動(dòng)、停機(jī)、以較高的效率變頻運(yùn)行。其基本運(yùn)行參數(shù)如下表所示，
 表1 主從變頻器運(yùn)行參數(shù)

從上表中可看出，兩臺變頻器輸出頻率分別為48.83Hz、48.67Hz，輸出電流分別為28.9A、29.3A，輸出有功電流分別為26.1A、26.5A，運(yùn)行頻率與運(yùn)行電流基本相同。這保證了電機(jī)的運(yùn)行功率平衡，有助于皮帶輸送機(jī)系統(tǒng)的長時(shí)間運(yùn)行。
4 結(jié)束語

本文詳細(xì)地?cái)⑹隽俗冾l器構(gòu)成及原理，變頻器調(diào)速與恒壓頻比控制原理，以及如何采用恒壓頻比變頻器驅(qū)動(dòng)控制多機(jī)拖動(dòng)皮帶機(jī)系統(tǒng)，對恒壓頻比控制方式、主從控制方式原理做了詳細(xì)的闡述，對多機(jī)拖動(dòng)皮帶輸送機(jī)的啟動(dòng)、停機(jī)、穩(wěn)定運(yùn)行過程做了具體說明。這種控制方法的變頻器在實(shí)際的多機(jī)拖動(dòng)皮帶輸送機(jī)系統(tǒng)中通過了試驗(yàn)驗(yàn)證。