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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、主控系統及電氣控制構成。電網(wǎng)輸入為三相10kV或6kV，經(jīng)過(guò)移相變壓器變?yōu)閚個(gè)低壓、獨立、移相二次繞組電源，依次接入功率單元模塊，經(jīng)過(guò)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(xiàn)電壓最大輸出為6572V，當變頻器帶滿(mǎn)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)側電流諧波。5個(gè)二次繞組通過(guò)不同的聯(lián)結方式使它們之間的電流相位差為12°，在變壓器一次繞組側構成30脈波整流電路，理論上可以消除電網(wǎng)側29次以下諧波。

 
圖2  功率單元基本結構圖

采用功率單元串聯(lián)，不存在器件均壓的問(wèn)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。輸入功率因數可達到0.95以上。這種主電路拓撲結構雖然使器件數量增加，但是由于IGBT驅動(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）構成的低壓PWM電壓型逆變器。可輸出1,0，-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(xiàn)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為11個(gè)階梯波。
                

2.3 主從控制系統構成及控制原理

圖6 多電機拖動(dòng)皮帶輸送機控制系統原理圖

如圖6所示，給出了多電機拖動(dòng)皮帶輸送機的恒壓頻比控制系統的原理圖，圖中所示的交流異步電動(dòng)機用于驅使皮帶輸送機的運行，所有電動(dòng)機的規格相同；每臺交流異步電動(dòng)機均由一臺變頻器對其進(jìn)行驅動(dòng)。所有變頻器中有且只有一臺為主機變頻器，其余的為從機變頻器，主機變頻器用于實(shí)現與上位機的通信。變頻器的電源輸入端與電網(wǎng)相連接，電源輸出端與相應電動(dòng)機的定子輸入端相連接；主機變頻器與所有從機變頻器之間通過(guò)光纖相通信，同時(shí)主從機變頻器通過(guò)檢測相應輸出的有功電流大小來(lái)對運行頻率做調整，以達到各個(gè)電機的功率平衡目的。
      圖6中所示的變頻器為電壓源型級聯(lián)式高壓變頻器。多電機拖動(dòng)皮帶輸送機控制系統采用恒壓頻比控制方式，根據預先設定的VF曲線(xiàn)向多電機拖動(dòng)皮帶輸送機系統中的電機的定子繞組施加電壓，其特性可以等效于穩定的交流電壓源，其穩定性最接近于工頻電網(wǎng)，因而與其它控制方式和其它類(lèi)型的變頻器相比，具有更高的工作穩定性和可靠性。同時(shí)，由于多電機拖動(dòng)皮帶機系統中的各個(gè)電機的無(wú)功電流僅在電機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，提高了系統的輸入功率因數。
圖6中主從變頻器通過(guò)各自電流傳感器采集三相輸出電流Ia、Ib、Ic，然后將靜止坐標系的電流Ia、Ib、Ic變換成α和β兩相靜止坐標系(Clarke變換)，也叫3/2變換，再從兩相靜止坐標系變換成同步旋轉磁場(chǎng)定向坐標系（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坐標系下的直流電流Iq、Id。其中Id為異步電機的勵磁電流，也就是我們所說(shuō)的無(wú)功電流，一般為電機額定電流的30%，Iq為與轉矩成正比的電樞電流，也就是我們所說(shuō)的有功電流。通過(guò)控制有功電流大小來(lái)實(shí)現對變頻器輸出有功功率的控制，最終實(shí)現各個(gè)電動(dòng)機輸出扭矩一致、功率平衡。
2.4 具體實(shí)施方法
       恒壓頻比控制型多機拖動(dòng)皮帶機變頻器采用主從控制方式，系統中的每臺電機都分別有一臺變頻器驅動(dòng)，驅動(dòng)異步電動(dòng)機的變頻器有主從之分，在整個(gè)系統中有且只有一臺變頻器主機，其它的變頻器都作為從機。針對多電機拖動(dòng)皮帶輸送機變頻啟動(dòng)、停機、運行調節和故障保護等關(guān)鍵性問(wèn)題，提出了一種使用恒壓頻比控制型變頻器驅動(dòng)多電機拖動(dòng)皮帶輸送機運行的方法，使恒壓頻比控制型變頻器驅動(dòng)多電機拖動(dòng)皮帶輸送機變頻調速運行成為可能。
本文所涉及的多電機拖動(dòng)皮帶輸送機的恒壓頻比控制系統的控制方法，包括啟動(dòng)過(guò)程、運行過(guò)程和停機過(guò)程，如圖7和圖8所示，分別給出了本控制方法中主機變頻器和從機變頻器的程序流程圖；

 
圖7  主機變頻器的程序流程圖

圖8 從機變頻器的程序流程圖

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

當主機變頻器接收到本地或遠程開(kāi)停機指令后，會(huì )根據主從機變頻器的就緒、故障情況，將開(kāi)停機命令通過(guò)光纖廣播發(fā)給從機。即從機變頻器開(kāi)停機受主機變頻器控制。

當主機執行開(kāi)停機后，會(huì )根據預先設置好的頻率上升時(shí)間和下降時(shí)間進(jìn)行升頻、降頻。并將主機變頻器運行頻率作為基準頻率廣播發(fā)給各個(gè)從機變頻器。從機變頻器接收到主機變頻器發(fā)來(lái)的基準頻率后，將自身運行頻率調整到基準頻率。

同時(shí)，主機變頻器會(huì )檢測其輸出有功電流并作為基準有功電流發(fā)給各個(gè)從機變頻器。從機變頻器接收到主機變頻器發(fā)來(lái)的基準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。由于皮帶機是恒轉矩系統，所需總的轉矩是一定的，若某臺變頻器輸出頻率降低，必然會(huì )導致輸出有功電流減小，所驅動(dòng)的電動(dòng)機輸出轉矩減小，從而使其它電動(dòng)機輸出轉矩增大。這好比是兩匹馬拉大車(chē)，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。從機變頻器對其輸出頻率的調整最終的目標為其自身輸出有功電機與主機變頻器發(fā)來(lái)的基準有功電流相同，從而保證了各個(gè)電動(dòng)機輸出轉矩相同，輸出功率相同。

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

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動(dòng)多機拖動(dòng)皮帶輸送機平穩地啟動(dòng)、停機、以較高的效率變頻運行；在出現緊急情況下，可靠地保護電機、變頻器。拓展了恒壓頻比控制型變頻器的應用范圍，增加了多機拖動(dòng)皮帶輸送機變頻器調速系統的選擇范圍，也降低了多機拖動(dòng)皮帶輸送機變頻改造的成本。由于本方法使用恒壓頻比開(kāi)環(huán)控制方式，無(wú)需速度位置傳感器，無(wú)需檢測電機參數，因而提高了電機運行的可靠性和穩定性，降低了系統的故障率。
3 實(shí)驗驗證
上述的技術(shù)方案經(jīng)過(guò)產(chǎn)品化后驗證整個(gè)設計方案是可行的并在不同的現場(chǎng)設備上進(jìn)行了技術(shù)測試和考核。
如在山西省某洗煤廠(chǎng)，雙機拖動(dòng)皮帶輸送機系統中，每臺電機的額定功率為560kW，額定電壓為10kV，每臺電機均由單獨的變頻器驅動(dòng)。控制方案采用本文所論述的方案，皮帶機系統能夠平穩地啟動(dòng)、停機、以較高的效率變頻運行。其基本運行參數如下表所示，
 表1 主從變頻器運行參數

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，運行頻率與運行電流基本相同。這保證了電機的運行功率平衡，有助于皮帶輸送機系統的長(cháng)時(shí)間運行。
4 結束語(yǔ)

本文詳細地敘述了變頻器構成及原理，變頻器調速與恒壓頻比控制原理，以及如何采用恒壓頻比變頻器驅動(dòng)控制多機拖動(dòng)皮帶機系統，對恒壓頻比控制方式、主從控制方式原理做了詳細的闡述，對多機拖動(dòng)皮帶輸送機的啟動(dòng)、停機、穩定運行過(guò)程做了具體說(shuō)明。這種控制方法的變頻器在實(shí)際的多機拖動(dòng)皮帶輸送機系統中通過(guò)了試驗驗證。