樊玉霞

（大同電力高級(jí)技工學(xué)校，山西 大同 037039）

淺談高壓變頻器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

樊玉霞

（大同電力高級(jí)技工學(xué)校，山西 大同 037039）

文章基于高壓變頻器的發(fā)展，論述了高壓變頻器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分類(lèi)，比較了高壓變頻器兩電平電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和三電平電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析比較。

高壓變頻器；電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1 高壓變頻器的概況

隨著交流變頻調(diào)速技術(shù)的不斷發(fā)展，低壓變頻器以其通用性廣、可靠性高、控制靈活以及通信的網(wǎng)絡(luò)化、容量的擴(kuò)大化等特點(diǎn)在各個(gè)領(lǐng)域已得到了廣泛應(yīng)用。同時(shí)，由于新型電力電子器件如絕緣柵雙極晶體管(IGBT)、集成門(mén)極換向晶閘管(IGCT)等的出現(xiàn)，以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和新型的控制理論(如矢量控制技術(shù)、直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù))的應(yīng)用，使得高壓變頻器也得到了快速發(fā)展。其應(yīng)用主要是在冶金、紡織、化工等工業(yè)領(lǐng)域，近年來(lái)得到了廣泛應(yīng)用。

2 高壓變頻器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分類(lèi)

根據(jù)當(dāng)前高壓變頻器的特點(diǎn)，用于高壓（6～10 kV）電動(dòng)機(jī)的變頻器也就出現(xiàn)了多種接線(xiàn)方案。常見(jiàn)的通用變頻器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有3種情況:高-低-高方案，高-低方案，直接高壓方案。

2.1 高-低-高方案

這種方案是將電源電壓經(jīng)過(guò)輸入變壓器(整流變壓器)降壓，再經(jīng)過(guò)低壓變頻器變頻變壓，最后經(jīng)過(guò)輸出變壓器升壓，供給高壓電動(dòng)機(jī)。該方案的優(yōu)點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)性較好，可靠性較高。缺點(diǎn)是整個(gè)系統(tǒng)復(fù)雜、占地面積大、損耗大。該方案適用于改造項(xiàng)目、有空間或中小容量的電動(dòng)機(jī)，對(duì)于新建項(xiàng)目、大容量的電動(dòng)機(jī)，各制造商均不推薦該方案。

2.2 高-低方案

這種方案是將電源電壓經(jīng)過(guò)輸入變壓器(整流變壓器)降壓，再經(jīng)過(guò)低壓變頻器變頻變壓后，直接供給低壓電動(dòng)機(jī)。同高-低-高方案相比，該方案不但具備了高-低-高方案的優(yōu)點(diǎn)，而且減少了一臺(tái)輸出變壓器、節(jié)省了占地面積、降低了初始投資和運(yùn)行費(fèi)用。該方案只適用于中小容量的電動(dòng)機(jī)，而且輸入變壓器和變頻器距離電動(dòng)機(jī)不能太遠(yuǎn)。

2.3 直接采用高壓變頻器的方案

脈沖電壓源型高壓變頻器的輸入變壓器二次側(cè)有多個(gè)繞組，通過(guò)接線(xiàn)方式消除特定的諧波電流，以達(dá)到提高功率因數(shù)，減小注入系統(tǒng)的諧波電流等目的。輸入變壓器的二次側(cè)有兩個(gè)繞組，一個(gè)為Y形，另一個(gè)為△形。采用這種變壓器的目的第一是產(chǎn)生12脈沖操作需要的相位差;第二是變壓器阻抗可以抑制對(duì)電網(wǎng)所產(chǎn)生的諧波。同時(shí)，由于輸入變壓器的分布電容遠(yuǎn)大于電動(dòng)機(jī)繞組對(duì)機(jī)殼的電容，因此輸入變壓器承擔(dān)了大量的共模電壓，降低了對(duì)電動(dòng)機(jī)絕緣的要求。同前兩種方案相比，這種方案減小了損耗、提高了效率，而且占地面積較小，變頻器同變壓器可分開(kāi)布置，缺點(diǎn)是投資比較高。該方案特別適用于高壓大容量電動(dòng)機(jī)。

3 兩電平變頻器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在分析比較了高壓變頻器分類(lèi)的基礎(chǔ)上，以下進(jìn)一步討論變頻器主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

兩電平能量回饋?zhàn)冾l器的主電路結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，主要包括網(wǎng)側(cè)濾波器、聯(lián)結(jié)電抗器、網(wǎng)側(cè)逆變器、直流濾波電容器和電機(jī)側(cè)逆變器幾部分。

圖1 兩電平能量回饋?zhàn)冾l器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

該電路的優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，兩電平逆變器技術(shù)成熟；效率高，可達(dá)到98%；動(dòng)態(tài)性能好、過(guò)載能力強(qiáng)；可實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行；體積小、質(zhì)量輕、成本低。

缺點(diǎn)：6脈沖整流網(wǎng)側(cè)諧波大，需采用進(jìn)線(xiàn)電抗器；兩電平逆變輸出諧波大，需采用優(yōu)化的PWM技術(shù)及輸出濾波器加以解決。

4 三電平變頻器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

三電平能量回饋?zhàn)冾l器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。為了直觀起見(jiàn)，圖中略去電機(jī)側(cè)濾波器。

該電路的優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、成本低，使用的功率器件數(shù)最少（12只），避免了器件的串聯(lián)，提高了裝置的可靠性。

5 結(jié)論

圖2 三電平能量回饋?zhàn)冾l器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

二電平控制方式原則上要求配用的電機(jī)應(yīng)為變頻電機(jī)。但實(shí)際上，幾乎所有需要改造的門(mén)機(jī)所采用的電機(jī)都為普通繞線(xiàn)電機(jī)，這種電機(jī)不但啟動(dòng)電流要比同功率的變頻電機(jī)大，而且絕緣等級(jí)也比變頻電機(jī)低。采用二電平控制的缺點(diǎn)是施加在電機(jī)軸的沖擊電壓對(duì)繞線(xiàn)電機(jī)軸承及電機(jī)線(xiàn)圈的損害。而采用三電平控制方式用電解電容將直流電壓一分為二，通過(guò)IGBT的開(kāi)關(guān)動(dòng)作得到3個(gè)電平，使三電平控制時(shí)直流側(cè)電壓的變化是二電平控制方式的1/2。三電平控制變頻器既繼承了二電平控制的優(yōu)點(diǎn)，又解決了原來(lái)二電平控制的缺點(diǎn)和不足。三相二極管鉗位三電平逆變器與二電平逆變器相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）二極管鉗位三電平逆變器能夠很好地解決開(kāi)關(guān)器件耐壓不高的問(wèn)題。于每一相輸出電壓，在P～0或者0～N之間，開(kāi)關(guān)器件承受的關(guān)斷電壓就是直流電源電壓E的1/2，而在兩電平逆變器中，開(kāi)關(guān)管承受的電壓為E?？梢钥闯龆O管鉗位三電平逆變器，可以使相同耐壓水平的開(kāi)關(guān)器件應(yīng)用到中高壓大功率的逆變器中。由于沒(méi)有兩電平逆變器中的兩個(gè)串聯(lián)器件同時(shí)導(dǎo)通和同時(shí)關(guān)斷問(wèn)題，故對(duì)開(kāi)關(guān)器件的動(dòng)態(tài)性能要求低，開(kāi)關(guān)器件承受的電壓應(yīng)力小。

（2）由于輸出電壓的電平數(shù)比兩電平逆變器多，各梯級(jí)電平之間的變化小、du/dt低，因此對(duì)外電路的電磁干擾小，對(duì)負(fù)載電動(dòng)機(jī)的沖擊小，在開(kāi)關(guān)頻率附近的諧波幅值也比較小。

（3）三電平逆變的輸出波形比兩電平逆變器更接近正弦波，諧波含量小，適合于高壓大功率逆變器的開(kāi)關(guān)器件頻率要低、開(kāi)關(guān)損耗要小，要求在高壓大功率條件下，由于兩電平逆變器開(kāi)關(guān)器件承受的耐壓為E，當(dāng)一個(gè)開(kāi)關(guān)器件的耐壓不夠時(shí)必須采用兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件串聯(lián)使用，因此三電平逆變器可以降低開(kāi)關(guān)器件的耐壓值。

故經(jīng)過(guò)分析比較，采用三電平電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)于二電平電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。參考文獻(xiàn)：

[1] 張皓，等.高壓大功率交流變頻調(diào)速技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006

[2] 倚鵬.高壓大功率變頻器技術(shù)原理與應(yīng)用.北京：人民郵電出版社，2008

Discuss the High-voltage Inverter Circuit Topology Structure

Fan Yuxia

Based on the development of the high voltage inverter，discusses the high voltage inverter circuit topology structure of classification.Compared the high-voltage inverter circuit topology structure and two level tri-level sync.With the two topological structures are analyzed and compared.

high-voltage inverter；circuit topology

TM 921.51

A

1000-8136(2010)32-0008-02