高壓變頻器綜述(圖文)

1、高壓變頻器綜述(圖文)論文導讀：本文在介紹高壓變頻器類型及其拓撲結構的基礎上，分析了各種拓撲結構的優(yōu)缺點。PWM整流器是用全控型器件構成，采用與逆變電路同樣的脈寬調制技術。4.2基于電動機動態(tài)模型4.2.1矢量控制矢量控制技術以經過3/2坐標變換的電機的動態(tài)模型為基礎，利用坐標旋轉變換技術實現了定子電流勵磁分量與轉矩分量的解藕，使得交流電機在理論上能像直流電機一樣分別對勵磁分量與轉矩分量進行獨立控制，采用這樣的雙閉環(huán)調速系統(tǒng)使其獲得像直流電機一樣良好的動態(tài)性能。4.2.3無速度傳感器控制無傳感器矢量控制技術是在上述矢量控制方案的基礎上利用電機定子邊較易測得的電量(電壓或電流)推算出電機的轉速和

2、磁通，進而實現對轉速的控制。它不僅涉及大功率交流電動機的各類負載的調速和節(jié)能，而且也與其它一些關系國計民生的重點行業(yè)的技術發(fā)展與進步息息相關，所以要加速對高壓變頻器的主電路拓撲結構和控制技術的研發(fā)、創(chuàng)新，開發(fā)具有自主知識產權的高性能高壓變頻器，以不斷的推動我國高壓變頻器的技術發(fā)展。關鍵詞：高壓變頻器，拓撲結構，PWM整流，矢量控制，無速度傳感器1引言1高壓變頻器是指輸入電源電壓在3KV以上的大功率變頻器，主要電壓等級有 3000V、3300V、6000V、6600V、10000V等電壓等級的高壓大功率變頻器，高壓變頻器由高低高；低高；高高之分。以前的高壓變頻器，由可控硅整流，可控硅逆變等器件構

3、成，缺點很多，諧波大，對電網和電機都有影響。隨著現代電力電子技術及計算機控制技術的迅速發(fā)展，一些新型器件將改變這一現狀，如IGBT、IGCT、IECT1等等。由它們構成的高壓變頻器，性能優(yōu)異，可以實現PWM逆變以及PWM整流。不僅具有諧波小，功率因數也有很大程度的提高。本文在介紹高壓變頻器類型及其拓撲結構的基礎上，分析了各種拓撲結構的優(yōu)缺點。最后本文綜述了目前針對高壓變頻器的一系列控制方法。2高壓變頻器分類1高壓變頻器的種類繁多，其分類方法也多種多樣。按著中間環(huán)節(jié)有無直流部分，可分為交交變頻器和交直交變頻器；按著直流部分的性質，可分為電流型和電壓型變頻器；按著有無中間低壓回路，可分為高高變頻器

4、和高低高變頻器；按著輸出電平數，可分為兩電平、三電平、五電平及多電平變頻器；按著電壓等級和用途，可分為通用變頻器和高壓變頻器；按著嵌位方式，可分為二極管嵌位型和電容嵌位型變頻器等等。2.1 高低高原理是通過降壓變壓器，將電網電壓降到低壓變頻器額定或允許的電壓輸入范圍內，經變頻器的變換形成頻率和幅度都可變的交流電，再經過升壓變壓器變換成電機所需要的電壓等級。如圖一所示，這種方式，由于采用標準的低壓變頻器，配合降壓，升壓變壓器，故可圖一 高低高電流型變頻器Fig.1 High-level current-modeconverter以任意匹配電網及電動機的電壓等級，容量小的時侯（500KW）改造成本

5、較直接高壓變頻器低。缺點是升降壓變壓器體積大，比較笨重，頻率范圍易受變壓器的影響。一般高低高變頻器可分為電流型和電壓型兩種。2.2交交變頻器2交交變頻器是采用晶閘管實現的無直流環(huán)節(jié)的直接由交流到交流的變頻器，也叫做周波換流器。當電壓在3kV以下時，每相要用12只晶閘管，三相共36只；當電壓超過3kV時，晶閘管必須串聯使用，所用的晶閘管要成倍增加。它兩種電路結構：一是公共交流母線進線方式，一是輸出星形聯結方式，如圖二所示。交交變頻的優(yōu)點是：只用一次變流，效率高；可方便地實現四象限工作；低頻輸出波形接近正弦波。其缺點是：接線復雜，輸出頻率較低；輸入功率因數較低；輸入電流諧波含量大，頻譜復雜。主要用

6、于500KW或1000KW以上大功率低轉速交流調速電路中。圖二 輸出星形聯結交交變頻器Fig.2 AC-AC inverter2.3電流源型高壓變頻器電流源型變頻器又可以分為：負載換向式（晶閘管）變頻器（LCI）；采用自關斷器件（GTO或SGCT）的變頻器。電流型變頻器采用SCR、GTO或IGCT元件串聯的辦法，直流部分用電抗器儲存能量，實現直接的高壓變頻，有可回饋能量的優(yōu)點。電流源型變頻器輸入側的功率因數比較低，電抗器的發(fā)熱量較大，效率比電壓源型變頻器低，輸出濾波器的設計比較麻煩，變頻器的共模電壓和諧波、dv/dt問題較為突出，所以對電機的要求較高。同時，器件串聯對驅動電路的要求也大大提高，

7、要盡量做到串聯器件同時導通和關斷，否則，由于各器件通、斷時間不一，承受電壓不均，會導致器件損壞，甚至整個裝置崩潰。電流源型變頻器的市場競爭能力已經逐漸變弱。2.4電壓源型高壓變頻器2.4.1兩電平兩電平電壓型變頻器，電路結構采用IGBT直接串聯技術，也叫直接器件串聯型高壓變頻器。簡化電路如圖三所示，其在直流環(huán)節(jié)使用高壓電容進行濾波和儲能，輸出電壓可達6 kV。其優(yōu)點是可以采用較低耐壓的功率器件，串聯橋臂上的所有IGBT作用相同，能夠實現互為備用，或者進行冗余設計，當采用PWM整流電路可以實現四象限運行。缺點是電平數較低，僅為兩電平，輸出電壓dudt也較大，需采用特種電動機或者加高壓正弦波濾波器

8、，此類變頻器同樣需要解決器件的均壓問題，一般需特殊設計驅動電路和緩沖電路。適用于軋機、起重機械、電力機車牽引、船舶主傳動、風機、水泵和壓縮機等圖三 兩電平高壓變頻器Fig.3 2-level voltage inverter2.4.2三電平三電平逆變電路也稱作中心點鉗位逆變器2（Nerural Point ClampedNPC），于1980由日本人nabae首先提出。這種三電平中性點鉗位結構與普通的兩電平結構相比，輸出相電壓電平數由2個增加至3個，每個電平幅值相對降低，輸出線電壓電平數則由3個增加至5個，解決了兩只功率器件串聯的問題，在同等開關頻率的條件下，可使輸出波形質量有較大改善，輸出du

9、/dt相應下降。根據目前IGCT及高壓IGBT的耐壓水平,三電平逆變器的最高輸出電壓等級為4.16kV,當輸出電壓要求為6kV時,采用12個功率器件已不能滿足要求,必須采用器件串聯,除了增加成本外,必然會帶來均壓問題，失去了三電平結構的優(yōu)勢。2.4.3多電平單元串聯疊加型高壓變頻器級聯型多電平變頻器1采用若干個獨立的低壓功率單元串聯來實現高壓輸出, 10 kV輸出電壓等級的變頻器主電路結構如圖四所示。這種級聯式變頻器內部是由十八個相同的單元模塊構成，每六個模塊為一組，分別對應高壓回路的三相。功率單元全是種單相橋式變換器（圖五），由移相切分變壓器的副邊繞組供電。經整流、濾波后由4個IGBT以PWM方法進行控制。,功率單元之間及變壓器二次繞組之間相互絕緣。對于額定輸出電壓為10kV的變頻器,每相由5個額定電壓為1 275 V 的功率單元串聯而成,輸出相電壓6 375 V,對應的線電壓可達10kV,如圖六所示。采用單元串聯的方式來實現高壓輸出,不存在器件串聯引起的均壓問題。逆變器采用多電平移相脈寬調制(PWM)技術,同一相各串聯單元的調制波幅值、相位均相同,載波之間依次移相72