6KV╱1250KVA電廠高壓變頻器的研究與設(shè)計(jì)

1、南華大學(xué)畢業(yè)電氣工程學(xué)院畢業(yè)論文引言隨著電機(jī)制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，電動機(jī)作為風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)、機(jī)床等各種設(shè)備的動力，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、商業(yè)、公用設(shè)施和家用電器等各個(gè)領(lǐng)域，其中異步電動機(jī)是各類電動機(jī)中應(yīng)用最廣、需要量最大的一種。在我國，異步電動機(jī)的用電量約占總負(fù)荷的60%以上，其中風(fēng)機(jī)、泵類、壓縮機(jī)和空調(diào)制冷機(jī)的用電量分別占全國用電量的10.4%、20.9%、9.4%和6%。從全球范圍看，電動機(jī)的用電量平均占世界各國社會總用電量的一半以上，占工業(yè)用電量的70%左右。因此，提高電機(jī)系統(tǒng)的效率，對節(jié)約電能意義十分重大 1 緒論1.1課題研究的目的和意義 在工業(yè)電氣應(yīng)用領(lǐng)域，電網(wǎng)一般供給固定頻率的交流

2、電壓，同時(shí)為了滿足電機(jī)的啟動負(fù)荷和其他峰值負(fù)荷的沖擊等情況，電機(jī)的額定功率通常選用高于實(shí)際運(yùn)行的功率。電機(jī)通常在供給的能量多于實(shí)際負(fù)載所需要的能量狀況下運(yùn)行，這勢必造成大量的能源浪費(fèi)，據(jù)測算在風(fēng)機(jī)及泵類的系統(tǒng)中這樣的功率損耗占到總損耗的40%。如果電機(jī)能按照變化的負(fù)載的需要來提供相應(yīng)的能量，這將大大降低能源的浪費(fèi)?；谶@一思想變頻調(diào)速被提出來以實(shí)現(xiàn)按負(fù)載需求來調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)按負(fù)載需求供給能量。在低壓電氣應(yīng)用領(lǐng)域，電力電子器件的發(fā)展已經(jīng)能很好的滿足變頻調(diào)速的要求。但在中高壓領(lǐng)域，由于電力電子器件的電壓耐量及開關(guān)頻率的限制，目前單一的電力電子器件還難于實(shí)現(xiàn)對中高壓的幅值和頻率的調(diào)整。1

3、.2中高壓變頻器的發(fā)展及特點(diǎn)1.2.1 交流變速技術(shù)的發(fā)展歷史 直流電力拖動和交流電力拖動在19世紀(jì)先后誕生。20世紀(jì)上半葉，鑒于直流拖動具有良好的起、制動性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，高性能調(diào)速拖動都采用直流電動機(jī)，而約占電力拖動總?cè)萘?0%以上的不變速拖動系統(tǒng)則采用交流電動機(jī)，這種分工在一段時(shí)期內(nèi)己成為一種舉世公認(rèn)的格局。交流調(diào)速系統(tǒng)的多種方案雖然早己問世，并已獲得實(shí)際應(yīng)用，但其性能卻始終無法與直流調(diào)速系統(tǒng)相匹敵。20世紀(jì)60-70年代，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用，特別是大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的出現(xiàn)，使得交流電力拖動系統(tǒng)逐步具備了調(diào)速范圍大、穩(wěn)速范圍廣、穩(wěn)速精度高、

4、動態(tài)響應(yīng)快以及可實(shí)現(xiàn)四象限可逆運(yùn)行等良好的技術(shù)性能，在調(diào)速性能方面可以與直流電力拖動媲美，交直流拖動按調(diào)速性能分工的格局終于被打破了。而且，以前被掩蓋的直流電動機(jī)的缺點(diǎn)也日益暴露出來，例如，具有電刷和換向器，因而必須經(jīng)常檢查維修；換向時(shí)有電磁干擾，產(chǎn)生噪聲;換向火花使它的應(yīng)用環(huán)境受到限制;換向能力限制了直流電動機(jī)的容量和速度(極限容量與轉(zhuǎn)速之積約為106kW/rmni)等等。而交流電動機(jī)比直流電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、工作可靠、維護(hù)方便、慣量小、效率高等優(yōu)點(diǎn)，如果能夠用交流拖動系統(tǒng)代替直流拖動系統(tǒng)，顯然可靠性較高，維修更方便，能夠帶來不少的效益，于是，交流調(diào)速己經(jīng)成為當(dāng)前電力拖動控制的主要發(fā)展

5、方向。 世界上第一臺交流電動機(jī)于1855年問世，交流電動機(jī)，特別是籠型異步電機(jī)，因具有結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固耐用、價(jià)格便宜等特點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。異步電動機(jī)是工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最有廣泛的一種交流電機(jī)，它的調(diào)速控制具有重要的工程實(shí)際意義，經(jīng)過一個(gè)世紀(jì)的發(fā)展其調(diào)速方法日趨成熟。 異步電機(jī)的調(diào)速方法有很多，有變極調(diào)速、調(diào)壓調(diào)速、斬波調(diào)速、轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、串級調(diào)速、滑差離合器調(diào)速、變頻調(diào)速等等。但從本質(zhì)上講，由異步電極的轉(zhuǎn)速公式可見，它的調(diào)速方法實(shí)際上只有兩大類：一類是在電機(jī)中旋轉(zhuǎn)磁場的同步速度恒定的情況下調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差率S，而另一種是調(diào)節(jié)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的同步速度。異步電機(jī)的這兩種調(diào)速方法，一種是屬于耗能的低效調(diào)速方法，另一種

6、是屬于高效率的調(diào)速方法無論大功率變頻器對異步電動機(jī)的控制，還是小功率變頻器對異步電動機(jī)的控制，它們的控制原理是一樣的，都是根據(jù)電動機(jī)的特性參數(shù)及運(yùn)行要求提供電壓、電流、頻率，對電動機(jī)進(jìn)行控制，滿足負(fù)載的要求。因此，變頻器的控制方式是很重要的。目前變頻器常用的控制方式有:開環(huán)V/f控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制等。下面分別進(jìn)行簡單的介紹。 開環(huán)V/f控制是異步電動機(jī)最基本的變頻調(diào)速控制方式。它通過同時(shí)改變電動機(jī)的輸入電壓V和電動機(jī)的輸入頻率，f使V/f保持恒定值，從而維持電動極磁通量不變，嚴(yán)格的講，應(yīng)該使定子的感應(yīng)電動勢與頻率之比保持恒定才能夠達(dá)到每極磁通量不變的效果，由于感應(yīng)電動勢

7、難以直接測量，一般用定子相電壓來代替感應(yīng)電動勢，這就需要補(bǔ)償?shù)皖l電壓的控制方案。如果對調(diào)速范圍和起制動性能要求高一些，可以采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)轉(zhuǎn)差頻率控制的方案，但這兩種方案都是在電動機(jī)穩(wěn)態(tài)性能的基礎(chǔ)上得到的，雖然能夠在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，但不能夠完全適應(yīng)高動態(tài)性能的系統(tǒng)，也不能夠完全達(dá)到直流雙閉環(huán)系統(tǒng)的水平。異步電動機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型是一個(gè)高階、非線性、強(qiáng)藕合的多變量系統(tǒng)，雖然通過坐標(biāo)變換進(jìn)行降階并且化簡，但并沒有改變其非線性、多變量的本質(zhì)，要使異步電動機(jī)系統(tǒng)具有優(yōu)良的動態(tài)性能，必須面向動態(tài)模型。經(jīng)過多年的潛心研究和實(shí)踐，目前應(yīng)用最多的方案有按轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制系統(tǒng)和按定子磁鏈控制的直接轉(zhuǎn)矩控

8、制系統(tǒng)。20世紀(jì)70年代初，德國西門子公司.FBlaschke等提出“異步電動機(jī)磁場定向的控制原理”，奠定了矢量控制的基礎(chǔ)。矢量控制技術(shù)以3/2坐標(biāo)變換后的電動機(jī)動態(tài)模型為基礎(chǔ)，利用坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換技術(shù)實(shí)現(xiàn)了定子電流勵(lì)磁分量與轉(zhuǎn)矩分量的解禍，使得交流電動機(jī)在理論上能像直流電動機(jī)一樣分別對勵(lì)磁分量與轉(zhuǎn)矩分量進(jìn)行獨(dú)立控制，獲得像直流電機(jī)一樣良好的動態(tài)性能。但是，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測，以及矢量變換的復(fù)雜性，使得實(shí)際控制效果往往難以達(dá)到理論分析的效果，這是矢量控制技術(shù)在實(shí)踐上的不足。盡管如此，由于矢量控制技術(shù)的自身優(yōu)勢，仍然被積極地融入了變頻器中。1985年德國魯爾大學(xué)的M.DPenebrock教授首

9、先提出了異步電動機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制方法，直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制不同，直接轉(zhuǎn)矩控制不需要對電動機(jī)的模型進(jìn)行解藕，轉(zhuǎn)矩直接作為被控量來控制，控制定子磁鏈而不是轉(zhuǎn)子磁鏈，不受轉(zhuǎn)子磁鏈的影響，可以實(shí)現(xiàn)很快的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度和很高的速度、轉(zhuǎn)矩控制精度?？梢哉f直接轉(zhuǎn)矩控制是一種很有發(fā)展前途的新型控制方法。早期的交-直-交變頻器所輸出的交流波形都是矩形波，這是因?yàn)楫?dāng)時(shí)逆變器只能采用半控型晶閘管，其關(guān)斷的不可控性和較低的開關(guān)頻率導(dǎo)致逆變器的輸出波形不可能近似按正弦波變化，從而產(chǎn)生較大的低次諧波，使電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩存在脈動分量，影響其穩(wěn)態(tài)性能，這在低速時(shí)更為明顯。隨著全控型電力電子開關(guān)器件的產(chǎn)生和發(fā)展，20世紀(jì)80年代，

10、科技工作者將應(yīng)用在通信領(lǐng)域中的PWM(脈寬調(diào)制)技術(shù)引用到電力電子領(lǐng)域，由于其良好的性能，迅速成為研究的熱點(diǎn)，隨著PWM技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐，也發(fā)現(xiàn)了一些缺點(diǎn)，因此，研究新的PWM技術(shù)一直是科技工作人員的熱門課題，目前，已經(jīng)出現(xiàn)了多種PWM調(diào)制方法，例如低次諧波消去法、矢量控制法、PWM跟蹤控制法、隨機(jī)PWM技術(shù)等，這些方法各有千秋，被廣泛應(yīng)用在各種場合。當(dāng)今國內(nèi)外生產(chǎn)的中高壓變頻器都己采用了PWM技術(shù)，中高壓變頻器也不例外。 縱觀變頻技術(shù)的發(fā)展，其中主要是以電力電子器件的發(fā)展為基礎(chǔ)的。第一代以晶閘管為代表的電力電子器件出現(xiàn)于20世紀(jì)50年代。1956年貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了晶閘管，1958年通用電氣公司

11、推出商品化產(chǎn)品。它主要是電流控制型開關(guān)器件。以小電流控制大功率的變換，但其開關(guān)頻率低，只能導(dǎo)通不能自關(guān)斷。第二代電力電子器件以電力晶體管(GTR)和門極關(guān)斷(GTO)晶閘管為代表，是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的。它是一種電流型自關(guān)斷的電力電子器件，可以方便的實(shí)現(xiàn)變頻、逆變和斬波，其開關(guān)頻率只有1-5KHz。第三代電力電子器件是以雙極性絕緣柵晶體管(GIBT)和電力場效應(yīng)管(MosFET)為代表，在20世紀(jì)70年代開始應(yīng)用。它是一種電壓(場控)型自關(guān)斷的電力電子器件，具有在任意時(shí)刻用基極(柵極、門極)信號控制導(dǎo)通或關(guān)斷的功能。其開關(guān)頻率可達(dá)20kHz甚至200kHz以上，為電氣設(shè)各的高額化、高效化

12、、小型化創(chuàng)造了條件。第四代電力電子器件，如出現(xiàn)于20世紀(jì)80年代末的智能化功率集成電路(PIC)和20世紀(jì)90年代的智能功率模塊(PIM)、集成門極換流晶閘管(GICT)。它們實(shí)現(xiàn)了開關(guān)頻率的高速化、低導(dǎo)通電壓的高性能及功率集成電路的大規(guī)?；?，包括了邏輯控制、功率、保護(hù)、傳感及測量的電路功能。經(jīng)過40多年的發(fā)展，電力電子技術(shù)己成為一門多學(xué)科的邊緣技術(shù)，他包括交流電路、電力電子器件、計(jì)算機(jī)輔助機(jī)設(shè)計(jì)、模擬電子學(xué)和數(shù)字電子學(xué)、微型計(jì)算機(jī)、控制理論、超小規(guī)模集成電路、高頻技術(shù)和電磁兼容等。電力電子技術(shù)發(fā)展方向是：高電壓大容量化、高頻化、組件模塊化、小型化、智能化和低成本化、應(yīng)用的技術(shù)有:脈寬調(diào)制（P

13、WM)、滑模控制、非線性變換、功能控制及交流電動機(jī)矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、模糊控制和自適應(yīng)控制等。變頻技術(shù)應(yīng)用最廣的是變頻器產(chǎn)品，通用變頻器發(fā)展趨勢是：1）數(shù)控化。采用新型計(jì)算機(jī)控制，例如日本富士公司的大于或等于30kw變頻器，采用兩個(gè)16位CPU，一個(gè)用于轉(zhuǎn)矩計(jì)算，另一個(gè)用于數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩限定、轉(zhuǎn)差補(bǔ)償控制、瞬時(shí)停電的平穩(wěn)恢復(fù)、自動加減速控制及故障自診斷等。對于小于或等于22kw變頻器采用了一個(gè)32位數(shù)字信號處理器(OSP)，提高了計(jì)算、檢測和響應(yīng)的速度，擴(kuò)充和加強(qiáng)了其處理功能。2）高頻化。為了適應(yīng)紡織和精密機(jī)械等更多領(lǐng)域的高速需求，變頻器的頻率已由過去的。050120Hz，發(fā)展到了4

14、00Hz，目前已提高到600l000Hz，甚至3kHz以上。3）數(shù)顯化。由過去的指示燈、發(fā)光二極管、LED數(shù)碼管，發(fā)展到目前的液晶顯示(LcD)，顯示行有1、2、3、4行等。4）高集成化。提高集成片技術(shù)及采用表面貼片技術(shù)，使裝置的容量比得到進(jìn)一步的提高。5）強(qiáng)化適應(yīng)性。允許環(huán)境溫度由過去普遍的。0c擴(kuò)展為.10十c(c時(shí)需卸下頂蓋板)。允許相對濕度也由過去的80%提高到90%以上。有些戶外場合，特別是軍事部門提出了全天候要求。總之，變頻技術(shù)的發(fā)展趨勢時(shí)朝著高度集成化、采用表面安裝技術(shù)、轉(zhuǎn)矩控制高性能化、保護(hù)功能健全、操作簡便化、驅(qū)動低噪聲化、高可靠性、低成本和小型化的方向發(fā)展?？梢哉f，變頻技術(shù)

15、是未來最有發(fā)展的科學(xué)技術(shù)之一。 電力電子器件混合型：IGBTMCT單極型：肖特基勢壘二極管功率SIT功率MOSFET雙極型：PN結(jié)整流管晶閘管雙極晶體管達(dá)林頓管 表1.1電力電子器件分類1.2.2中高壓變頻器的特點(diǎn)和發(fā)展?fàn)顩r： 中高壓變頻器主要指輸出電壓為3000V10KV的頻器。在中高壓領(lǐng)域，由于電力電子器件的耐壓值和開關(guān)頻率的限制以及價(jià)格因素的影響，目前單一的電力電子器件還難于實(shí)現(xiàn)對中高壓的幅值和頻率的調(diào)整。為實(shí)現(xiàn)中高壓領(lǐng)域的變頻調(diào)壓，通常采取升降壓，器件串并聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)電源變換。中高壓變頻器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一直隨著電力電子器件的創(chuàng)新開發(fā)而不斷發(fā)展變化。隨著電力電子器件從早期的SCR到GTO、I

16、GCT、IGBT的過渡，陸續(xù)出現(xiàn)了普通三相變頻器、降壓一普通變頻器一升壓電路、交交變頻電路直到當(dāng)前采用的多電平電路。 多電平變頻器之所以成為中高壓變頻器發(fā)展的熱點(diǎn)，是因?yàn)樗哂幸韵峦怀鎏攸c(diǎn):1)每個(gè)開關(guān)器件承受的電壓值僅為母線電壓的1/(n-1)(n為輸出電壓的電平數(shù))，使低壓器件可在高壓場合下應(yīng)用。2)隨著輸出電壓電平數(shù)的增加，輸出電壓波形得到了很大改善。3)每個(gè)開關(guān)器件的開關(guān)頻率較低，但變頻器整體的等效開關(guān)頻率高。因而開關(guān)損耗小，頻率高。4)與兩電平變頻器相比由于輸出電壓電平數(shù)的增加所以當(dāng)輸出電壓值相同時(shí)，電壓的對電機(jī)絕緣的沖擊小。5)無需輸出變壓器，減小系統(tǒng)體積和損耗。目前，多電平變頻器

17、的3種主要電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為: 1二極管鉗位式(Diode.Clamped)；2電容鉗位式(Flying.Capacitors)；3帶獨(dú)立直流源的級聯(lián)的多電平逆變器。這3種結(jié)構(gòu)與普通雙電平逆變器相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：更適合大容量、高電壓的場合；可產(chǎn)生M層階梯形輸出電壓，理論上提高電平數(shù)可接近純正弦波形、諧波含量很??；電磁干擾(EMI)問題大大減輕，效率高。中高壓變頻技術(shù)的發(fā)展，其逆變主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一直是隨著電力電子器件的創(chuàng)新開發(fā)而不斷發(fā)展的。早期的電力電子器件晶閘管(SCR)隨著功率半導(dǎo)體技術(shù)的不斷創(chuàng)新在中壓變頻領(lǐng)域已逐步被淘汰。而GTO具有高電壓、大電流的發(fā)展?jié)摿?，但?qū)動電路復(fù)雜，影響整個(gè)系統(tǒng)的可靠

18、性。把MOS結(jié)構(gòu)置于GTO外面來協(xié)助關(guān)斷的IGCT，適用于大電流(1000A以上)、低頻率(1000Hz以下) 的應(yīng)用，由于其從研制生產(chǎn)到應(yīng)用的一系列技術(shù)受到專利的保護(hù)。在推廣應(yīng)用和器件競爭中未能完全取代GTO。IGBT作為第三代電力電子器件，因其工作電壓較低，其作為逆變主回路器件的高壓變頻裝置具有改善輸出電流波形，減少諧波對電網(wǎng)的污染及減少系統(tǒng)和電動機(jī)的電應(yīng)力等的良好性能，在多電平級聯(lián)式變頻裝置中有著廣闊的發(fā)展前景。目前國外各公司的產(chǎn)品和技術(shù)相對成熟，但尚未形成統(tǒng)一的拓?fù)潆娐?。常見的拓?fù)溆?一是采用器件串聯(lián)的方法，以晶閘管或GTO或SGCT為功率器件的電流型中壓變頻器，如美國AB公司的舊產(chǎn)品

19、GTO電流型和新產(chǎn)品SGCT電流型中壓變頻器;二是采用多電平結(jié)構(gòu)，以高壓IGBT或IGCT為功率器件的三電平電壓型中壓變頻器，如德國SiemenS公司的SIMOVERTMV系列(功率器件為高壓IGBT)和瑞典ABB公司的ACS1000系列(功率器件為IGCT);三是以低壓IGBT為功率器件的單元串聯(lián)多電平中壓變頻器，如美國Robic公司的完美無諧波系列中壓變頻器。國外的中壓變頻器產(chǎn)品一般最高輸出電壓為4160v。 近幾年，國內(nèi)少數(shù)科研單位陸續(xù)開始研制中壓大功率變頻器。國內(nèi)研究現(xiàn)狀主要是以低壓IGBT為功率器件的單元串聯(lián)多電平PWM電壓源型變頻器。采用單片機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)簡單V/F控制，無高性能控制

20、方式、瞬時(shí)停電再起動和掛網(wǎng)通信等功能。變頻器的整機(jī)技術(shù)落后，裝置的可靠性低，制造工藝水平不高。變頻器產(chǎn)品所用功率器件的制造幾乎是空白，還需依賴于進(jìn)口，質(zhì)量無法保證。產(chǎn)品僅處于試產(chǎn)試銷，遠(yuǎn)未形成規(guī)模效應(yīng)。從總體上看，我國中壓變頻調(diào)速技術(shù)遠(yuǎn)落后于國際先進(jìn)水平。中壓變頻器正處于產(chǎn)品的發(fā)展完善過程之中，向著高可靠、低成本、高輸入功率因數(shù)、高效率、低輸入輸出諧波、低共模電壓以及低dy/dt等方向發(fā)展.除多電平電壓型逆變器，目前研究較多的大功率逆變電路有:變壓器禍合的多脈沖逆變器、交交變頻器、雙饋交流變頻調(diào)速系統(tǒng)等。其發(fā)展趨勢可歸納如下:1)采用標(biāo)推低壓變頻器組成的“高一低一高”方案在對傳動系統(tǒng)要求不高的

21、中壓小功率場合仍占有一定的市場。2)由于中壓時(shí)器件串聯(lián)的均壓問題，輸入諧波對電網(wǎng)的影響和輸出諧波對電機(jī)的影響，器件串聯(lián)方案局限于某些特殊場合，如電流源型變頻器適用于要求頻繁快速起制動和動態(tài)性能要求較高的生產(chǎn)機(jī)械。3)多電平結(jié)構(gòu)是今后一個(gè)時(shí)期中壓變頻器主電路的首選結(jié)構(gòu)。4)對風(fēng)機(jī)和水泵等一般不要求四象限運(yùn)行的設(shè)備以及電機(jī)容量為3000KW及以下時(shí)，單元串聯(lián)多電平中壓變頻器目前更具競爭力。5)對于需要四象限可逆運(yùn)行的負(fù)載，只需將兩組相同的二極管箱位三電平變頻器按照“背靠背(back.to.back)”方式連接就可實(shí)現(xiàn)。目前，低壓變頻器已經(jīng)比較成熟，由于其強(qiáng)大的功能而廣泛應(yīng)用于多種電機(jī)拖動領(lǐng)域。受管

22、子耐壓水平和高壓開關(guān)管開關(guān)頻率的限制，傳統(tǒng)的兩電平逆變電路不能夠直接應(yīng)用在中高壓變頻器中，通過簡單的將開關(guān)管串、并聯(lián)來承受高壓的方法是人們最直接的想法，但是開關(guān)管的串并聯(lián)均壓、均流問題比較難以實(shí)現(xiàn)，因此，研究人員將目光轉(zhuǎn)向開發(fā)其它拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，經(jīng)過多年努力，出現(xiàn)了多種中高壓變頻器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如二極管嵌位式、電容嵌位式、級聯(lián)型、電壓自平衡式等等，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)種類多且比較復(fù)雜是中高壓變頻器的第一個(gè)特點(diǎn)。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的多樣化勢必引起控制方法的多樣化，于是在PWM技術(shù)的基礎(chǔ)上產(chǎn)生了多電平消諧法、開關(guān)頻率優(yōu)化的PWM、多電平空間矢量法等等，這些方法在中高壓變頻器中都有著廣泛的應(yīng)用，可見，多種調(diào)制方法是中高壓變頻器的

23、第二個(gè)特點(diǎn)。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方法的多樣化為電力電子理論和實(shí)踐注入了新的活力。另外，中高壓變頻器要想適用于各種拖動場合，即使是拖動風(fēng)機(jī)、水泵這種調(diào)速要求不高的大電機(jī)，也需要功能齊全、操作安全方便的變頻器，因此，完善的功能自然是中高壓變頻器的重要特點(diǎn)。這些功能包括開放式的人機(jī)界面、外部端子控制功能、多種啟停變頻器方式選擇、頻率設(shè)定、點(diǎn)動頻率設(shè)定、禁止頻率設(shè)定、加減速時(shí)間設(shè)定、轉(zhuǎn)矩提升、V用控制、矢量控制和瞬時(shí)掉電保護(hù)、速度搜索功能等。中高壓變頻器除了拖動風(fēng)機(jī)、水泵來代替風(fēng)門和閥門外，還廣泛的應(yīng)用在其它領(lǐng)域。在冶金行業(yè)，大型軋鋼機(jī)需要很快的動態(tài)響應(yīng)和相當(dāng)高的過載能力，以前一直是用直流電動機(jī)，由于直流電

24、動機(jī)的換向器及電刷在大容量方面的問題較多，維修量較大，目前已經(jīng)逐步被交流電動機(jī)調(diào)速代替，取得了良好的效果;在發(fā)電廠中使用著大量的中高壓大電機(jī)，因此，中高壓變頻器在發(fā)電廠中的廣泛應(yīng)用是理所當(dāng)然的；另外，在電動車輛、船舶、石化、石油等行業(yè)也有著廣泛的應(yīng)用?？傊懈邏鹤冾l器的應(yīng)用將大大提高我國工業(yè)的生產(chǎn)效率和節(jié)能效率，達(dá)到經(jīng)濟(jì)和節(jié)能雙贏的效果。1.2.3 研究方向 本課題準(zhǔn)備以單元級聯(lián)型變頻器作為研究內(nèi)容，單元級聯(lián)型變頻器具有如下的優(yōu)點(diǎn):1)變頻器的基本組成單元為技術(shù)成熟的低壓模塊價(jià)格較低。并且通過調(diào)整串聯(lián)單元的個(gè)數(shù)可滿足輸出電壓的不同要求。2)各個(gè)單元中器件的開關(guān)頻率不高但變頻器整體的等效開關(guān)頻

25、率很高。輸出電壓波形接近正弦波，諧波含量少，無需輸出濾波器，對電機(jī)沖擊小。3)由于各個(gè)基本單元具有相同的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，利于將基本單元模塊化實(shí)現(xiàn)冗余設(shè)計(jì)。即使個(gè)別單元發(fā)生故障時(shí)也可通過旁路功能將該單元短路，系統(tǒng)仍能降額運(yùn)行。因此，單元級聯(lián)型變頻器具有高度的穩(wěn)定性和可靠性。適于運(yùn)行在對傳動系統(tǒng)穩(wěn)定型要求較高的場合下。如鍋爐引風(fēng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，輸油管道泵站調(diào)速系統(tǒng)等。因此，本課題以單元級聯(lián)型變頻器作為研究對象。本文針對高壓異步電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)了6KV/1250KVA級聯(lián)型高壓變頻器。2 變頻器設(shè)計(jì)理論2.1變頻調(diào)速的理論基礎(chǔ)由于計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，以及電力電子器件的快速發(fā)展，使得交流異步電機(jī)調(diào)速成為可能，

26、并且變頻調(diào)速具有節(jié)約能源、提高自動化、提高產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量之功效；再加之交流電機(jī)諸多優(yōu)點(diǎn)，從而被廣泛運(yùn)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的許多領(lǐng)域。盡管交流異步電動機(jī)變頻調(diào)速的方法很多，目前比較實(shí)用的異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)主要有四種控制類型：恒壓頻比（U/F）控制的調(diào)速系統(tǒng)、轉(zhuǎn)差頻率控制的調(diào)速系統(tǒng)、矢量控制的調(diào)速系統(tǒng)、以及直接轉(zhuǎn)矩控制的調(diào)速系統(tǒng)。根據(jù)電機(jī)學(xué)原理可得，交流異步電機(jī)轉(zhuǎn)速是由供電電源頻率和電機(jī)的極對數(shù)決定的，從而轉(zhuǎn)速n可以表示為： （2.1）式中：為電機(jī)定子供電電源頻率；為電機(jī)磁極對數(shù)； =2f為定子供電角頻率；為轉(zhuǎn)差率，為同步轉(zhuǎn)速。由上式可知，影響電機(jī)轉(zhuǎn)速的因素主要有：電機(jī)的磁極對數(shù)p'、轉(zhuǎn)差率

27、s和供電電源的頻率fs。在這三個(gè)因素中，通過改變電源供電頻率fs來實(shí)現(xiàn)交流異步電機(jī)的調(diào)速方法效果最為直接有效，這也就是我們所稱的變頻調(diào)速。在通過改變異步電機(jī)的電源供電頻率fs進(jìn)行電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時(shí)，電機(jī)的供電電壓也會發(fā)生改變，出現(xiàn)電機(jī)的磁飽和或欠磁；電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速也會相應(yīng)的改變，當(dāng)有負(fù)載時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速低于同步轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)差率也有變化，所以單純地改變供電電源的頻率來實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)變頻調(diào)速并不能滿足人們的需求，這就需要尋求一種更為有效的調(diào)節(jié)方法。在調(diào)速過程中，若磁通下降，異步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩就會減小，在額定轉(zhuǎn)速以下時(shí)將失去調(diào)速系統(tǒng)的恒轉(zhuǎn)矩機(jī)械特性，并可能造成電機(jī)的堵轉(zhuǎn)；若磁通上升，則又會造成電機(jī)的磁路飽和，勵(lì)

28、磁電流迅速上升，從而導(dǎo)致電機(jī)鐵損加大，電機(jī)鐵芯嚴(yán)重過熱，其輸出效率下降，甚至有燒毀電機(jī)的可能。由此可見，為了獲得較優(yōu)良機(jī)械特性的變頻調(diào)速系統(tǒng)，在調(diào)速時(shí)需保持磁通恒定，目前常用的恒磁通變頻調(diào)速系統(tǒng)，主要有恒壓頻比控制法和轉(zhuǎn)差頻率控制法。本章主要介紹恒壓頻比控制法。我們知道，三相交流異步電機(jī)定子每相電動勢的有效值是： （2.2）式中:Ej:氣隙磁通在定子每相中感應(yīng)電動勢的有效值；Kj:與繞組結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)；:定子頻率;Nj:定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)；:每極氣隙磁通量。由此式可知，只要控制好電動勢Eg和頻率f1,便可達(dá)到控制磁通m的目的。 2.2 中高壓變頻器的分類和幾種基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)高壓大功率交流變頻調(diào)

29、速調(diào)速系統(tǒng)所使用的電力電子器件可以分為晶閘管型、GTO晶閘管型、IGBT型、IGCT型、SGCT型等依據(jù)其控制策略可分為標(biāo)量控制型和矢量控制型。依據(jù)其輸出波形可分為方波輸出和PWM輸出兩類。依據(jù)其變換方式可分為直接變換式(交一交)和間接變換式(交一直一交)兩類。其中交直交電壓源型高壓變頻器按其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為高一低一高式、器件串聯(lián)兩電平、三電平式、功率單元串聯(lián)多電平式等幾種。目前為止，高壓變頻器還沒有像低壓變頻器那樣近乎統(tǒng)一的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。但近年來，各種高壓變頻器的不斷出現(xiàn)推動著高壓變頻器向著高可靠性、低成本、高輸入功率因數(shù)、高效率、低輸入輸出諧波、低共模電壓、低dy/dt等方向發(fā)展。下面就以上幾種常

30、用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。2.2.1 高-低-高式電壓源型調(diào)速系統(tǒng)高-低-高式變頻調(diào)速系統(tǒng)前后兩端各設(shè)一臺變壓器，中間使用一臺或幾臺低壓變頻器，前端的降壓變壓器將輸入的高壓交流電變成低壓交流電送到變頻器輸入端，變頻器輸出的低壓交流電經(jīng)升壓變壓器升為高壓后供給高壓電動機(jī)。其缺點(diǎn)是需要使用兩臺變壓器造成其體積過于龐大，成本過高。 圖2.1 高低高變頻器結(jié)構(gòu)2.2.2 兩電平電壓源型高壓變頻器兩電平電壓源型高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)產(chǎn)品的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與低壓變頻器中常用的交直交兩電平變頻其結(jié)構(gòu)基本相同。在高壓變頻中，由于輸入交流電壓幅值較高，以現(xiàn)有的電力電子器件耐壓不足，因此這種方法需要采取多個(gè)電力電子器件串聯(lián)方式，但

31、是因?yàn)镮GBT開關(guān)時(shí)間短(微秒級)，很難保證所有串聯(lián)的功率管同時(shí)開關(guān)，否則所有的電壓都會加在晚開通的IGBT上并將IGBT燒毀，而且一燒一串。因此采用這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)解決器件的動、靜態(tài)均壓是這種方式的關(guān)鍵，目前國內(nèi)成都佳靈公司生產(chǎn)的高壓變頻器采用這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。2.2.3 三電平電壓型中壓變頻器三電平電壓源型高壓變頻技術(shù)通過獨(dú)特的二極管鉗位(或電容鉗位)方法，可以使系統(tǒng)輸出電壓增加一個(gè)電平，與兩電平相比較，這種方式的相電壓可以有三個(gè)電平輸出，故稱為三電平，其具體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖2.2。采用這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)每個(gè)電力電子器件所承受的耐壓只有直流母線電壓的一半，因此可以使電力電子器件的耐壓要求降低一半，當(dāng)采用一些

32、高壓全控器件，如高壓IGBT、IGCT、IGET、GTO晶閘管等時(shí)，可直接實(shí)現(xiàn)高壓輸出。但由于器件耐壓水平有限，采用這種方式直接輸出6000V以上電壓時(shí)，器件仍需串聯(lián)。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是輸出波形中會不可避免地產(chǎn)生比較大的諧波分量，因此在變頻器的輸出側(cè)必須配置輸出LC濾波器才能用于普通的鼠籠型電機(jī)。同樣由于諧波的原因，電動機(jī)的功率因數(shù)和效率、甚至壽命都會受到一定的影響，只有在額定工況點(diǎn)才能達(dá)到最佳的工作狀態(tài)，但隨著轉(zhuǎn)速的下降，功率因數(shù)和效率都會相應(yīng)降低。圖2.2 二極管鉗位式三電平逆變器2.2.4 級聯(lián)型電壓型中壓變頻器這種結(jié)構(gòu)首先由美國國羅賓康公司發(fā)明，單元級聯(lián)型多電平變頻器采用若干個(gè)獨(dú)立的

33、低壓功率單元串聯(lián)的方式來實(shí)現(xiàn)高壓輸出。其原理如圖2.3所示。功率單元級聯(lián)型多電平變頻器在輸入端設(shè)置一臺輸入隔離變壓器，將輸入高壓交流電變換成多組低壓交流電后，再將每組低壓交流電分別輸入到每個(gè)功率單元，經(jīng)二極管整流濾波為直流電，通過逆變裝置將其逆變成為交流電，各功率單元輸出交流信號在逆變側(cè)串聯(lián)成為高壓多電平交流信號提供給高壓電機(jī)。為減小輸入諧波，變壓器每個(gè)二次繞組的相位一次錯(cuò)開一個(gè)電角度，形成多脈波、多重化整流方式。其逆變輸出采用多重花PWM方式，輸出諧波很小，可直接連接高壓電機(jī)，是一種優(yōu)秀的高壓變頻方案。因此國內(nèi)高壓變頻器廠家也大都采用這種方案。但同樣有缺點(diǎn)需要克服如:如功率單元和所使用功率器

34、件數(shù)量太多，6KV系統(tǒng)要使用150只功率器件(9O只二極管，60只IGBT)，裝置的體積太大，重量大;所需高壓電纜太多，系統(tǒng)的內(nèi)阻無形中增大，接線太多，故障點(diǎn)相應(yīng)的增多；當(dāng)一個(gè)單元損壞時(shí)，單元必須旁路，但此時(shí)輸出電壓不平衡中心點(diǎn)的電壓是浮動的，造成電壓、電流不平衡，從而諧波也相應(yīng)的增大，勉強(qiáng)運(yùn)行時(shí)終究會導(dǎo)致電動機(jī)的損壞。圖2.3 單元串聯(lián)式基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖2.4 單元串聯(lián)主電路3 級聯(lián)型高壓變頻器的硬件設(shè)計(jì)3.1 級聯(lián)型高壓變頻器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及主要組成本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的級聯(lián)型多電平高壓變頻器方案，可直接實(shí)現(xiàn)6KV輸入，直接6KV輸出無需輸出變壓器，變頻器設(shè)計(jì)容量為1250KVA，額定輸出電流4OA，輸

35、出頻率45-55HZ，輸入功率因素0.95，輸出頻率范圍0.5-12OHZ，過載能力120%一分鐘，150%立即保護(hù)。圖3.1所示為總體方案原理框圖，該系統(tǒng)主要由輸入部分、功率變換部分、檢測保護(hù)部分以及控制部分組成。圖3.1總體方案原理框圖輸入部分主要由輸入開關(guān)、控制柜、輸入變壓器三部分組成。輸入開關(guān)一般有兩個(gè)，三相高壓交流電先經(jīng)過一個(gè)隔離開關(guān)后接到一個(gè)高壓真空接觸器，之后送入隔離變壓器，輸入高壓隔離開關(guān)主要用來對輸入信號進(jìn)行徹底隔離，以便方便設(shè)備檢修。輸入隔離變壓器用來將輸入高壓交流電變成24組低壓交流電送給相應(yīng)得24個(gè)單元，一次、二次繞組以及二次繞組之間保持一定相位差，從而構(gòu)成45脈波整流

36、。功率變換部分主要由24個(gè)功率單元組成，每個(gè)功率單元采用三相橋式不控整流方式，將輸入交流電整流成為脈動直流電，再經(jīng)電容濾波變成中間直流電。中間直流電直接送入逆變單元，逆變單元由四個(gè)IGBT組成，通過對IGBT通斷控制，實(shí)現(xiàn)PWM變換輸出。檢測保護(hù)部分主要由檢測電路以及旁路機(jī)構(gòu)組成，主要檢測以下幾種信號:1）輸入電壓幅值，用于判斷輸入過壓、欠壓、缺相。2）輸出電流幅值，用于判斷是否輸出過電流、負(fù)載是否有斷相等。3）變壓器溫度檢測，用于保護(hù)變壓器不出現(xiàn)過載。4）功率單元溫度檢測，用于保護(hù)電力電子器件。旁路機(jī)構(gòu)主要包括功率單元旁路與控制、整機(jī)旁路與控制等，當(dāng)功率單元出現(xiàn)故障或整機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，保護(hù)系統(tǒng)

37、不受損傷或不影響用戶現(xiàn)場連續(xù)運(yùn)行。3.2 級聯(lián)型高壓變頻器主電路設(shè)計(jì)圖3.2級聯(lián)型多電平高壓變頻器主電路圖主電路中各元件的功能如下：3.2.1整流電路整流管D1D6組成三相整流橋，對三相交流電進(jìn)行全波整流。整流后的直流電壓濾波電容濾除整流后的電壓波紋，并在負(fù)載變化時(shí)保持電壓平穩(wěn)。當(dāng)變頻器通電時(shí)，瞬時(shí)沖擊電流較大，為了保護(hù)電路元件，加限流電阻Ra。延時(shí)一段時(shí)間后，通過控制電路使開關(guān)JK閉合，將限流電阻短路。3.2.2 逆變電路逆變開關(guān)管T1T6組成三相逆變橋，將直流電逆變成頻率可調(diào)的矩形波交流電。逆變管可以選擇絕緣柵雙極晶體管IGBT、功率場效應(yīng)管MOSFET。續(xù)流二極管D7D12的作用是：當(dāng)逆

38、變開關(guān)管有導(dǎo)通狀態(tài)變?yōu)榻刂箷r(shí)，雖然電壓突變降為0，但由于電動機(jī)線圈的電感作用，儲存在線圈中的電能開始釋放，續(xù)流二極管提供通道，維持電流繼續(xù)在線圈中流動。另外，當(dāng)電動機(jī)制動時(shí)，續(xù)流二極管為再生電流提供通道，使其回流到直流電源。電阻R1R6、電容C1C6、二極管D13D18組成緩沖電路，來保護(hù)逆變開關(guān)管。由于開關(guān)管在開通和關(guān)斷時(shí)，要受集電極電流Ic和集電極與發(fā)射極間電壓的沖擊，因此要通過緩沖電路進(jìn)行緩解。當(dāng)逆變開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，迅速升高，Ic迅速降低，過高增長率的電壓對逆變開關(guān)管造成危害，所以通過在逆變開關(guān)管兩端并聯(lián)電容（C1C6）來減少電壓增長率；當(dāng)逆變開關(guān)管開通時(shí)，迅速降低，而Ic則迅速升高，并聯(lián)

39、在逆變開關(guān)管兩端的電容（C1C6）由于電壓降低，將通過逆邊開關(guān)管放電，這將加速電流Ic的增長率，造成逆邊開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，該電阻又會阻止電容充電。為了解決這個(gè)矛盾，在電阻兩端并聯(lián)二極管（D13D18），使電容在充電時(shí)，避開電阻，通過二極管充電，在放電時(shí)，通過電阻放電，實(shí)現(xiàn)緩速功能。緩沖電路還有其他形式，圖3.3給出了3種形式，其中圖3.3(a)是交叉式緩沖電路，適用于中大功率變頻器;圖3.3（b）是為了吸收高于直流電壓的電壓尖峰而沒計(jì)的.適用于小功率變頻器;圖3.3（c）是在逆變開關(guān)管前面串聯(lián)一個(gè)抑制電路，使緩沖效果更好。（a）(b) (c) 圖3.3 緩沖電路下面，我介紹一下三相逆變橋的工作原理

40、：三相逆變橋的電路簡圖如圖3.4（a）所示，圖中R, Y, B為逆變橋的輸出。3.4（b）是各逆變管導(dǎo)通的時(shí)序，其中深色部分表示逆變管導(dǎo)通。從圖3.4（b）可以看出，每一時(shí) 刻總有3只逆變管導(dǎo)通，另3只逆變管關(guān)斷；且T1與T4，T2與T5,T3與T6每對逆變管不能同時(shí)導(dǎo)通。（a）電路簡圖（b） 逆變管通斷時(shí)序圖3.4 三相逆變橋工作工作原理在t1間段，T1、T3、T5這3只逆變管導(dǎo)通，電機(jī)線圈電流的方向是從R到Y(jié)和從B到Y(jié)(設(shè)從R到Y(jié)、從Y到B、從B到R為正方向，下同)，得到線電壓為和。 在t2時(shí)間段，T1,T5,T6這3只逆變管導(dǎo)通，電機(jī)線圈電流的方向是從R到Y(jié)和從R到B，得到的線電壓為和。

41、 在t3時(shí)間段T1、T2、T6這3只逆變管導(dǎo)通.電機(jī)線圈電流的方向是從R到B和從Y到B，得到的線電壓為和。在t4時(shí)間段，T2、T4、T6這三只逆變管導(dǎo)通，電機(jī)線圈電流的方向是從Y到R和從Y到B.得到的線電壓為和。 在t5時(shí)間段，T2 、T3、T4這3只逆變管導(dǎo)通，電機(jī)線圈電流的方向是從Y到R和從B到R，得到的線電壓為和。在t6時(shí)間段,T3、T4、T5這3只逆變管導(dǎo)通，電機(jī)線圈電流的方向是從B到R和從B到Y(jié)，得到的線電壓為和。線電壓、的波形如圖3.5所示。從圖中可以看出，三者間互差120°，它們的幅值是U。因此，只要按如圖的規(guī)律控制6只逆變管的導(dǎo)通和關(guān)斷，就可以把直流電逆變成矩形波三相

42、交流電；而矩形波三相交流電的頻率可在逆變時(shí)受到控制。然而，矩形波不是正弦波，含有許多高次諧波成分，將使交流異步電動機(jī)產(chǎn)生發(fā)熱、力矩下降、振動躁聲等不利結(jié)果。為了使輸出的矩形波接近正弦波，采用正弦脈寬調(diào)制波。 圖3.5 逆變輸出線電壓波形3.2.3功率單元設(shè)計(jì)圖3.6基本功率單元結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)中整流部分采用二極管不可控整流電路，能量不能回饋電網(wǎng)，不能實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行。由于采用了二極管整流的電壓源型結(jié)構(gòu)，電動機(jī)所需的無功功率可由濾波電容提供，輸入功率因數(shù)較高，基本可保持在0.95以上，不必采用功率因數(shù)補(bǔ)償裝置。同時(shí)，變頻器對浪涌電壓的承受能力較強(qiáng)，雷擊或開關(guān)操作引起的浪涌電壓可以經(jīng)過變壓器產(chǎn)生浪涌電流，

43、經(jīng)過功率單元的整流二極管，給濾波電容充電，濾波電容足以吸收進(jìn)入到單元內(nèi)的浪涌能量。在這里由于選用兩電平結(jié)構(gòu)功率單元，選用6KV變頻器，每相8個(gè)單元，隔離變壓器二次輸出線電壓U為430V。整流器輸入電壓為三相工頻交流電，當(dāng)沒加濾波電容時(shí)，三相橋式整流電路輸出的平均直流電壓為 （3.1）加上濾波電容后，的最大交流線電壓峰值，即 （3.2）當(dāng)采用SVPWM時(shí)，最大輸出線電壓有效值可達(dá)到 （3.3）功率單元流過電流為變頻器輸出線電流 （3.4） 三相交流電整流后經(jīng)濾波電容濾波形成直流母線電壓，當(dāng)功率單元輸入額定電壓為430V時(shí)，直流母線電壓為600V左右，逆變器由4個(gè)IGBT模塊組成H橋式單相逆變電路

44、，通過SPWM控制，在T1和T2兩端得到變壓變頻的交流輸出，輸出電壓為單相交流0430V,頻率為050Hz。（一） 整流二極管模塊計(jì)算：1） 額定電壓的計(jì)算反向重復(fù)峰值電壓指對二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓，通常是其雪崩擊穿電壓的2/3。使用時(shí)，往往按照電路中電力二極管可能承受的反向最高峰值電壓的兩倍來選定此項(xiàng)參數(shù)，因此，計(jì)算公式為 （3.5）式中:一二極管重復(fù)峰值電壓;一整流橋輸入線壓; K一安全裕量。取K=2，功率單元額定輸出電壓為430V，取 （3.6）又整流橋三相輸入線電壓的峰值大于等于直流電容電壓的值，即 （3.7）因此，取 （3.8）2)額定電流的計(jì)算 每個(gè)功率單元的額定率為

45、 （3.9）直流母線電壓為輕載時(shí) （3.10）重載時(shí) （3.11）當(dāng)變頻器效率= 0.95時(shí)，直流母線上的電流 （3.12）流過二極管的額定電流為 （3.13）二極管的額定正向平均電流為 （3.14）因此，二極管的額定電流為 （3.16）根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，選擇額定電壓為1600V，額定電流70A的二極管。此設(shè)計(jì)選擇DD70F160 70A/1600V/2U 型號（二） IGBT的選擇：1)額定電壓的計(jì)算 IGBT的額定電壓即是最大集射極間電壓，考慮電壓波動及開關(guān)電流引起的電壓尖峰等因素，一般取IGBT所需承受最大電壓的2倍，即 （3.17）2)額定電流的計(jì)算主電路額定線電流

46、為: （3.18）考慮過載1.5倍裕量，則IGBT的額定電流Ice為: （3.19）依據(jù)以上計(jì)算，選用額定電壓是1500V，額定電流是600A的IGBT 。（三）濾波電容的選擇：三相輸入線電壓430V時(shí)，最大整流輸出電壓608V，考慮電壓10%的波動，則最大輸出電壓可達(dá)670V，濾波電容耐壓應(yīng)在此電壓之上，并留有一定安全裕度，因此選取2個(gè)耐壓值為450V的濾波電容串聯(lián)。理論上，濾波電容的電容量越大越好，但考慮到體積成本因素，不可能選取太大，中間直流濾波電容主要是從限制電壓波動的角度來選擇。其具體容量(F)的計(jì)算可采用下面經(jīng)驗(yàn)公式： （3.20）式中，為電機(jī)空載時(shí)定子電流基波分量有效值；為逆變器

47、輸出電壓基波角頻率；為整流輸出直流電壓平均值；K為允許直流電壓波動系數(shù)，取值為0.010.1。通常=20%，頻率最小值可取5Hz，即。實(shí)際裝置采用并聯(lián)兩組兩個(gè)450V6800uF串聯(lián)電容。3.2.4 IGBT驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)目前，對IGBT都有現(xiàn)成的驅(qū)動模塊可供選用，如三菱公司專門為IGBT設(shè)計(jì)的專用集成驅(qū)動電路M579系列。日本富士電機(jī)公司的EXB驅(qū)動電路和西安的HL402等驅(qū)動電路也有廣泛的應(yīng)用。市場上還有一種專用的驅(qū)動器，可以驅(qū)動一個(gè)橋臂上的兩個(gè)IGBT，如美國IR公司的IR2100。本文采用富士電機(jī)公司的EXB841作為IGBT的驅(qū)動電路，EXB841與IGBT的實(shí)際接線圖如圖3.7所示

48、，驅(qū)動電路由信號隔離器、驅(qū)動放大器、低速過流切斷電路、柵極關(guān)斷電源等五部分組成，下面簡單介紹一下其原理。 圖3.7 EXB841接線圖1）正常開通過程當(dāng)控制電路使EXB841輸入端腳14和腳15有10mA的電流流過時(shí)，圖中光藕器ISOl就會導(dǎo)通，A點(diǎn)電位迅速下降到0V，使V1和V2截止，V2截止使D點(diǎn)電位上升到接近20V,V4導(dǎo)通，V5截止，EXB841通過V4及柵極電阻RG向IGBT提供電壓及極間電容的充電電流，使之迅速導(dǎo)通。下降。與此同時(shí)，V1截止使+20V電源通過R3向電容C2充電，時(shí)間常數(shù)為 (3.21)又使B點(diǎn)電位上升，它由零升到13V的時(shí)間可用下式求得 (3.22),然而由于IGB

49、T約l 后已導(dǎo)通，下降至3V，從而將EXB841號腳電位鉗制6V在左右，因此B點(diǎn)和C點(diǎn)電位不會充到13V，而是充到8V左右，這個(gè)過程時(shí)間為1.24 s；穩(wěn)壓管VZ1的穩(wěn)壓值為13V，正常開通時(shí)不會被擊穿，V3不通，E點(diǎn)電位仍為20V左右，二極管VD6截止，不影響V4和V5的正常工作。2）正常關(guān)斷過程控制電路使EXB841輸入端腳14和腳15無電流流過，光藕合器ISOl不通，A點(diǎn)電位上升使V1和V2導(dǎo)通；2導(dǎo)通使V4截止，V5導(dǎo)通，IGBT柵極電荷通過V5迅速放電，使EXB41的腳3電位迅速下降至0V(相對于EXB841腳1低5V)，使IGBT可靠關(guān)斷，迅速上升，使EXB841的腳6“懸空”。與

50、此同時(shí)，V1導(dǎo)通，C2通過V1更快放電，將B點(diǎn)和C點(diǎn)電位鉗在0V左右，使VZ1仍不通，后繼電路不會動作，IGBT正常關(guān)斷。3.3輸入整流變壓器設(shè)計(jì)及多重化整流技術(shù)功率單元串聯(lián)式多電平高壓變頻器最大優(yōu)勢之一就是其輸入輸出諧波小，其輸入變壓器二次測接整流部分因此可稱為整流型變壓器，對于整流型變壓器一般采用Yd聯(lián)接，即一次側(cè)為星形(Y)聯(lián)結(jié)，二次側(cè)為三角形(d)聯(lián)結(jié)，這樣做的好處是二次側(cè)的三次及三的倍數(shù)次諧波電壓相互抵消，不會在二次繞組中形成電流，這樣也就不會禍合到一次側(cè)。整流變壓器在設(shè)備中主要有三個(gè)功能:一是將輸入高壓變成低壓，從而可以由低壓電力電子器件直接逆變;二是起到高壓低壓及低壓各繞組間相互

51、隔離;三是通過將低壓移相，達(dá)到移相多重化整流的目的，從而使得輸入諧波急劇減小，變頻器對電網(wǎng)基本沒有干擾，基本結(jié)構(gòu)見圖3.8。圖3.8 級聯(lián)型多電平高壓變頻器多重化整流輸入變壓器結(jié)構(gòu)假定電網(wǎng)電壓為6KV士10%，頻率為5OHZ，變頻器的輸出功率是1250KWl)變壓器容量計(jì)算公式為 (3.23)式中：:變壓器的容量；:變頻器的輸出功率；：變頻器的輸入功率因數(shù)；：變頻器效率。其中，變頻器功率因數(shù)在有輸入交流電抗器時(shí)取0.8-0.85，無輸入電抗器時(shí)取0.6-0.8。故取 =0.85， =0.95， =1250KW，則 (3.24)又變頻器生產(chǎn)廠家所推薦的變壓器容量的參考值，常按經(jīng)驗(yàn)取變頻器容量的1

52、30%左右即 (3.25)因此，取移相變壓器的容量 此設(shè)計(jì)選擇KBSGZY.1600/10R型號的變壓器。2)移相角計(jì)算相鄰兩個(gè)繞組移相角計(jì)算公式為=60/N (3.26)式中：相鄰兩個(gè)繞組移相角；N：功率單元串聯(lián)個(gè)數(shù)。對于6KV中壓變頻器，采用8個(gè)單元串聯(lián)的方案，變壓器相鄰兩個(gè)繞組的移相角為: (3.27)因此，取輸入變壓器的移相角為+30°，+22.5°，+15°，+3.75°，-3.75°，-15°，-22.5°，-30°由于二次側(cè)各繞組之間相差一定角度，因此需要采用延邊三角形方法來實(shí)現(xiàn)。圖3.9為采用延邊三

53、角形移相的Yd聯(lián)結(jié)及向量圖。如圖所示各組二次側(cè)基本繞組(al、bl、cl)采用三角形聯(lián)結(jié)，其移相繞組(a2、b2、c2)在各三角形頂點(diǎn)延伸出來，故稱為延邊三角形方式，圖中移相繞組在各組基本繞組反向延伸出來，可將其稱為逆延聯(lián)結(jié)。圖3.9 采用延邊三角形移相的Yd聯(lián)結(jié)原理及向量圖設(shè)變壓器一次、二次繞組匝數(shù)分別為Nl、N2，則二次側(cè)基本繞組和移相繞組匝數(shù)分別為(1-k)N2和kN2，其中，k為繞組系數(shù)0<k<1，則 （3.28） （3.29）由圖3.9所示的二次線電壓合成的小三角形中，可得如下數(shù)量關(guān)系: （3.30）將式3.28和式3.29代入式3.30可得 （3.31）式3.31中，為

54、二次線電壓超前于一次相電壓的相位角;為二次線電壓超前于一次線電壓的相位角。 由圖3.9的向量圖可得 （3.32）則變壓器的匝數(shù)比為 （3.33）在實(shí)際計(jì)算中，可先根據(jù)需要滯后的角度值由式3.31計(jì)算出k值，再根據(jù)一次輸入電壓以及設(shè)計(jì)所需二次電壓值由式3.33計(jì)算出二次側(cè)基本繞組和移相繞組與一次繞組的匝數(shù)比。 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，變壓器一次側(cè)為Y聯(lián)結(jié)，輸入線電壓為6000V，二次側(cè)24個(gè)繞組分為8大組，每組相位差為60°/8=7.5°，采用延邊三角形聯(lián)結(jié)，輸出線電壓為430V時(shí)，構(gòu)成48脈波整流。其相關(guān)參數(shù)見表3.1 表3.1延邊三角形8組移相相關(guān)參數(shù)計(jì)算3.4故障檢測保護(hù)電路3.4.1 系統(tǒng)保護(hù)電路在變頻調(diào)速系統(tǒng)的主電路中，由于電力電子器件頻繁工作在開通和關(guān)斷中，逆變器工作在一個(gè)電流電壓脈動比較大的環(huán)境下，為了保護(hù)這些電力電子器件，同時(shí)也為了調(diào)試上的