王克勇

（合肥職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽巢湖　238000）

高壓變頻節(jié)能系統(tǒng)主電路系統(tǒng)設(shè)計

王克勇

（合肥職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽巢湖238000）

文章設(shè)計的高壓變頻裝置采用隔離多繞組移相變壓器的設(shè)計和繞組匝數(shù)的計算方法，移相形成的脈動整流使得輸入側(cè)具有良好的功率因數(shù)和諧波性能；基于IGBT的H橋逆變電路構(gòu)成的功率單元，是高壓變頻裝置的功率逆變回路，是實現(xiàn)功率傳送變換的關(guān)鍵。由該主電路系統(tǒng)組成的高壓變頻裝置可以實現(xiàn)調(diào)速節(jié)能和改善工藝。

高壓變頻；H橋級聯(lián)多電平逆變器；多繞組移相變壓器；多電平PWM方法

由于一次性非再生能源如煤炭、原油、天然氣等的有限性，為了解決電力資源的約束，在電源建設(shè)時，需要將提高電力能源的使用效率作為設(shè)計門檻，使用節(jié)約能源的技術(shù)措施，最大限度的降低能耗。因此，作為節(jié)能產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)之一的高壓變頻調(diào)速技術(shù)，憑借其在節(jié)能效果、功率因數(shù)、調(diào)速性能及適用性方面的突出表現(xiàn)，已成為節(jié)能產(chǎn)業(yè)的主要發(fā)展方向［1］。

1.概述

高壓變頻裝置是一種集智能控制、電力、電子等知識于一體的智能設(shè)備。系統(tǒng)主電路的總體方案采用H橋級聯(lián)多電平逆變器為主回路拓?fù)?，采用移向隔離變壓器將三相6kV高壓交流電，變換成3×5組錯相的三相690V低壓交流電，分別經(jīng)功率單元整流、逆變、串聯(lián)疊加形成0-6kV、0-50Hz、0-120Hz的變頻高壓交流電壓輸出至異步電動機(jī)。由于移相對電網(wǎng)側(cè)形成了30脈動整流，即產(chǎn)生的諧波主要為29次和31次，輸入電壓、電流諧波的含量僅有1.2%左右，遠(yuǎn)低于GB/T14549-93規(guī)定小于4%的要求；在20%以上負(fù)載情況下功率因數(shù)均能達(dá)到0.95，效率高達(dá)96%；5個PWM方波的疊加使輸出電壓的諧波僅為10%，電流波形近似為正弦波，幾乎沒有脈動轉(zhuǎn)矩（小于0.1%）。

2.多繞組移相變壓器

2.1多繞組移相變壓器基本模型

多繞組移相變壓器將輸入的三相6kV交流電變成3×5組互差120電角度的690V低壓三相交流電分別供給功率柜的15個整流逆變功率單元。

圖1所示為多繞組移相變壓器單相電路的基本模型。

圖中，變壓器原邊和副邊繞組之間的匝數(shù)關(guān)系為表1所示：

2.2變壓器繞組的匝數(shù)計算

相位關(guān)系示意圖如圖2所示，變壓器原副邊繞組匝數(shù)計算可分為兩個部分，分別是:

（1）副邊相位超前時，

圖1　多繞組移相變壓器單相電路的基本模型

表1　　變壓器原邊和副邊繞組之間的匝數(shù)關(guān)系

圖2　相位關(guān)系示意圖

如120和240

如圖所示，由原副邊電壓的幅值與相位關(guān)系可以得到以下兩個方程式：

2）副邊相位滯后時，如-120°和-240°

將上述（1）式中的1500換成300計算后，可以得到電壓的關(guān)系。

其中ua2為副邊“△”聯(lián)接的輸出相電壓，ua3為副邊“Y”接輸出相電壓，uas為需要的二次側(cè)繞組輸出線電壓。

3.功率單元

功率單元是變頻器主回路的核心部分，由15個功率單元組成，按A、B、C三相分成三組，其中每組5個功率單元輸出串聯(lián)在一起疊加成一相輸出，最終形成0～6kV，0～50Hz可調(diào)的三相近似正弦的交流電輸出。三組串聯(lián)功率單元的另一端連在一起，作為輸出三相交流電的中性點?？刂葡到y(tǒng)的PWM調(diào)制信號和功率單元的狀態(tài)信號均通過光纖傳遞，保證高低壓系統(tǒng)的絕緣隔離和避免強(qiáng)電磁干擾。

如圖3所示，每個功率單元為獨立的一個單相H橋逆變電路，輸入為三相交流電壓，輸出為單相變壓變頻的交流電壓。

功率模塊由二極管整流電路、直流濾波電路、逆變電路、旁路電路和二次電路等幾個主要部分組成。

3.1二極管整流電路

三相整流橋?qū)⒔涣鬏斎腚妷恨D(zhuǎn)換為直流電壓，經(jīng)過充電電路后給直流濾波電容供電，如圖4所示。

圖3　功率單元原理圖

圖4　三相整流電路圖

整流二極管參數(shù)計算

額定電壓按下式計算，即

根據(jù)電網(wǎng)電壓，考慮到其峰值、波動、閃電雷擊等因素，式中：α0為安全系數(shù)，取1.2；Ka為常數(shù)，取；Kb為電源電壓波動系數(shù)，取1.1；U21為交流輸入線電壓有效值（V）［2］；

額定電流按下式計算，即

式中：α1為電流安全系統(tǒng)，取常數(shù)2；P為變頻裝置容量（VA）；Ki為電流變換系數(shù)，取2.45；N為每相串聯(lián)的功率單元數(shù)；IF為二極管額定電流；P按總功率進(jìn)行分配［1］。

功率單元的輸入電壓為交流690V，整流后最大直流電壓約為975V（690V×）考慮到系統(tǒng)側(cè)的電壓波動，最大的可能直流電壓約為1170V（975V× 1.2），因此，選擇耐壓為1800V（975V×1.2×1.1×）的整流二極管。

3.2直流濾波電路

直流濾波電路包括晶閘管充電電路、電解電容串聯(lián)電路和均壓電阻電路。

晶閘管充電電路由充電電阻和充電晶閘管并聯(lián)組成。在電解電容電壓低于欠電壓保護(hù)閾值時，充電晶閘管關(guān)斷，交流電壓經(jīng)過整流后通過充電電阻給電解電容充電。充電電阻阻值的選擇需要與晶閘管的耐壓等級、晶閘管兩端的吸收電路參數(shù)等結(jié)合起來考慮。

3.3逆變電路

逆變電路為基于IGBT的H橋逆變電路，如圖，5所示。選用兩個1700V/300A的對管IGBT。

圖5　基于IGBT的H橋逆變器電路圖

3.4旁路電路

一旦功率單元的整流或逆變環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障，并聯(lián)的旁路回路將通過觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通使得該功率單元被短接旁通，此時，系統(tǒng)將自動把另外兩相相同位置的兩個單元同時也短路旁通，這樣整個系統(tǒng)仍可以在降額4/5或3/5的情況下保持較長時間的運(yùn)行。旁路回路為可選件，一般在不允許停機(jī)的特殊場合選用。旁路電路如圖6所示。

當(dāng)單元發(fā)生故障時，控制系統(tǒng)首先關(guān)閉主回路上的四只IGBT，然后同時開通上面或下面兩只IGBT，從圖中可以看出，不管是正向電流，還是負(fù)向電流都能形成回路，達(dá)到讓單元輸出短路的目的。該電路的優(yōu)勢還在于，由于IGBT的接通和關(guān)斷方便，當(dāng)在旁路運(yùn)行時如果故障消除，在系統(tǒng)控制下可以很容易退出旁路運(yùn)行而恢復(fù)到正常運(yùn)行狀態(tài)［3］。

圖6　旁路電路

4.結(jié)束語

隨著智能控制技術(shù)的發(fā)展，大量的自動控制設(shè)備在各個領(lǐng)域的成功應(yīng)用，大大提高了產(chǎn)品性能和智能化，不僅在改進(jìn)生產(chǎn)工藝、提高產(chǎn)品質(zhì)量方面，而且在簡化生產(chǎn)控制方面發(fā)揮了重大作用。傳統(tǒng)的高壓交流電動機(jī)均由工頻直接驅(qū)動，因電流畸變所產(chǎn)生的電磁干擾和諧波污染已成為日益嚴(yán)重的問題。改用本文設(shè)計的主電路系統(tǒng)組成的高壓變頻裝置驅(qū)動后，不但能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)速節(jié)能，還能改善現(xiàn)場工藝，可帶來豐厚的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

［1］朱云山.基于變頻調(diào)速技術(shù)的節(jié)能改造研究［D］.保定：華北電力大學(xué)，2011：1-6.

［2］吳濤.基于DSP SVPWM矢量控制系統(tǒng)［J］.機(jī)械與電子，2008，（7）：26-27.

［3］鄭成陽，崔楊.具有旁通功能和故障恢復(fù)功能的變頻器［P］.中國專利：CN200959575，2007-10-10.研究，2011，（1）。

（責(zé)任編輯：劉偉）

⑧陳建憲.走向田野回歸文本——中國神話學(xué)理論建設(shè)反思之一［J］.民俗研究，2003（4）；此處，吊銷戶口指 1997年，國家學(xué)位設(shè)置中取消了民間文學(xué)的二級學(xué)科設(shè)置。

⑨同⑧。

⑩同⑦。

?周福巖.表演理論與民間故事研究［J］.鞍山師范學(xué)院學(xué)報，2001年，第1期。

?同⑧。

王克勇（1978－），男，山東臨清人，合肥職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車系團(tuán)委副書記，助理講師，碩士，研究方向：電子與通信工程。

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