IGBT高壓變頻調速電源

Power Supply(PS) of IGBT High－ voltage Frequency Conversion Governor

摘要：提出用于高壓電動機變頻調速電源需考慮的串聯、諧波和效率等幾個問題；介紹由全控型電力電子器件IGBT按多重化PWM控制技術構成、目前已商品化的高壓變頻器，可用于中、高壓交流電動機的直接變頻調速。

Abstract:This paper pointed out a few problems of series,harmonic and efficiency etc.,to be needed considering,it introduced constructed by all－ controlling power electronics device IGBT by means of multi－ PWM control technology,and this kind of convertor can be the used for direct frequency conversion governor of midolle/high－ voltage A.C mo tors.

關鍵詞：交流調速電源高壓變頻IGBT多重化

PWM Keywords:A.C.governor's PS， High－ voltage frequency conversion， IGBT,Multi－ PWM

1引言

眾所周知，電力傳動中，交流電動機較直流電動機結構簡單、制造容易、價格便宜、維修方便，因而被大量使用。然而在起動和調速性能方面，交流機較直流機麻煩或困難。

　　交流電機的同步轉速n0=60f/p。可見，只要能連續地改變供電電源的頻率f，便能平滑地調節交流電動機的轉速（式中p為電機的極對數，只能有級且有限地改變）。

　　由于電力電子技術的發展，現在由電力半導體器件構成的靜止式變頻器已很成熟，因而交流電動機的變壓變頻（VVVF）調速已日益普及，其優越性亦廣為人們所熟知。

　　但是變頻調速至今主要還是應用在中、小容量和低壓電機上，而在礦山、冶金、化工、石油、建材等工業部門和水廠、電廠，使用著大量的中、高壓風機、水泵、壓縮機和攪拌機等，這些機械功率都在幾百千瓦以上，有的高達數千甚至上萬千瓦，它們消耗的電能是非常可觀的。

此前，這類機械大多采用恒速交流傳動，而以擋板、閥門或空放回流的辦法進行輸出量的調節，白白損失大量的電能。因此，在這類機械上采用變頻調速，根據輸出量的要求用電氣手段改變輸出功率，對節能有著巨大意義。

2高壓變頻調速電源的幾個問題

　　（1）串聯

按理，在裝置要求高壓而器件耐壓能力有限的情況下，可采用器件串聯的辦法來滿足。但是器件的串聯使用，因各器件的動態電阻和極電容不同，而存在穩態和動態均壓問題。如采取與器件并R和RC的均壓措施，會使電路復雜，損耗增加；同時，器件串聯對驅動電路的要求也大大提高，要盡量做到串聯器件同時導通和關斷。否則，由于各器件開、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。

（2）諧波

這是所有交直交變頻器的共同問題，但是在大功率變頻調速中更為突出。諧波污染電網，將殃及同一電網上的其它設備，甚至影響電力系統的正常運行，諧波電流也使電機發熱，損耗增加，功率因數下降，不得不“降額”使用。

（3）效率

裝置功率愈大，效率問題也愈益重要。為提高效率，必須設法盡量減少功率開關器件和變頻電源中的損耗。

基于上述幾方面的考慮，用全控型電力電子器件IGBT組成的、用于交流電動機變頻調速的高壓變頻器，采用“功率單元”串接的新型結構，即用多個低壓的脈寬調制（PWM）逆變器作功率單元，將它們按多重化格式組成高壓變頻器，能較好地解決這幾個問題。

3IGBT高壓變頻器

圖1（a）,(b)是一臺6000V變頻器的主電路拓樸和連接圖。每相由5個額定電壓為690V的功率單元

串聯，因此相電壓為5×690V=3450V，所對應的線電壓為6000V（如果每相用4個480V的功率單元串接時，輸出線電壓則為3300V）。每個功率單元由輸入隔離變壓器的15個二次繞組分別供電，15個二次繞組分成5組，每組之間存在一個相位差。圖1(b)中以中間△接法為參考（0°），上下方各有兩套分別超前（＋）和滯后（－）12°,24°的4組繞組。所需相差角度可通過變壓器的不同聯接組別來實現。

圖1中的每個功率單元都是由絕緣門雙極晶體管（IGBT）構成的三相輸入、單相輸出的低壓PWM電壓型逆變器，主電路見圖2。每個功率單元輸出電壓為1,0,－1三種狀態電平，每相5個單元疊加，就可產生11種不同的電平等級，分別為±5,±4,±3,±2,±1和0。圖3為一相合成的正弦輸出電壓波形。用這種多重化方法構成的高壓變頻器，也稱為單元串聯多電平PWM電壓型變頻器。

圖1所示高壓變頻器，由于每相由5個690V的

圖16000V變頻器的主電路

圖2功率單元

圖3輸出電壓波形

圖4兩功率單元串聯變頻器的電氣連接

功率單元串聯而成，不是用傳統的器件串聯來實現高壓輸出，所以不存在器件均壓問題。每個功率單元承受全部的輸出電流，但僅承受1/5的輸出相電壓和1/15的輸出功率。變頻器采用多重化PWM技術，圖1變頻器由5對（每對含正反相信號）依次相移12°的三角載波對基波電壓進行調制。對A相基波調制所得的5個信號，分別控制A1～A55個功率單元，經疊加即可得圖3所示具有11級階梯的相電壓波形。它相當于30脈波變頻，理論上29次以下的諧波都可以抵消，總的電壓和電流失真可分別低至1.2％和0.8％，堪稱“完美無諧波”（Harmony）變頻器。它的輸入功率因數可達0.95以上，不必設置輸入濾波器和功率因數補償裝置。該系列變頻器同一相的功率單元輸出相同的基波電壓，串聯各單元之間的載波錯開一定的相位，每個功率單元的IGBT開關頻率若為600Hz，則當每相有5個功率單元串聯時，等效的輸出相電壓開關頻率為6kHz。功率單元采用低的開關頻率可以降低開關損耗，而高的等效輸出開關頻率和多電平可大大改善輸出波形。波形改善除減小輸出諧波外，還可降低噪音、du/dt值和電機的轉矩脈動。所以這種變頻器用于調速電源對電機無特殊要求，可用于普通的高壓電機，且不必降額，對輸出電纜長度也沒有特殊限制。

電壓型功率單元由于有足夠的濾波電容，變頻器可承受－30％電源電壓下降和5個周期電源喪失。這種主電路拓樸結構雖然使器件數量增加，但由于IGBT驅動功率很低（峰值為5W左右，平均不到1W），且不必采用均壓電路、吸改電路和輸出濾波器，使變頻器效率高達96％以上。

由功率單元構成高壓變頻器的另一種方案是采用高壓IGBT器件，以減少串聯功率單元。例如，用3.3kVIGBT器件，由兩個功率單元串聯的PWM電壓源變頻器，可輸出4160V中壓；若欲6000V高壓輸出，則只要用三單元串聯。功率單元和器件數量減少，損耗和故障率也減少。圖4為由兩功率單元串聯的變頻器電氣連接圖。由于輸出電壓電平級數減少，為獲得優良性能，這時變頻器需帶有輸出濾波器。

上述變頻器的每一功率單元都從一個由微處理器構成的中央控制器接受命令，控制和通訊信號由光導纖維傳送，能維持5kV的絕緣并保證良好的抗干擾性和可靠性。另外，由于采用模塊化結構，所有功率單元完全相同，可以互換，每個功率單元與裝置的聯系僅為3個交流輸入、2個交流輸出及三路通信插頭，單元的維修更換十分方便；如采用功率單元旁路技術，可使變頻器在功率單元損壞的情況下繼續降額運行。

4結語

工業中，中、高壓電動機有著大量的應用。要實現變頻調速，以前多采用所謂“高低高”方案，即中間仍采用低壓變頻器，而在它的輸入和輸出兩邊分別用降壓和升壓變壓器來適配電壓等級。這樣可利用價格相對較低、使用已很普遍的低壓變頻器。但這種方式，中間環節電流大，加上升降壓變壓器的損耗，系統效率低，體積龐大，可靠性下降。現在，已有了上述兩種結構的高壓變頻器產品，采用直接變頻調速，特別是1000kW以上的大功率電動機，無疑是更為合理的選擇。而且可以預計，隨著技術的進步，在電力傳動領域，二十一世紀將是高壓變頻器大顯神威的年代。

參考文獻

1冷增祥,徐以榮編.電力電子學基礎.南京:東南大學出版社，1993

2陳伯時等.高壓變頻調速技術.EACS'98，1998

3冷增祥.高壓電機變頻調速.江蘇電機工程，1999，No.3