6KV╱1250KVA电厂高压变频器的研究与设计

1、南华大学毕业电气工程学院毕业论文引言随着电机制造技术的不断进步，电动机作为风机、水泵、压缩机、机床等各种设备的动力，已广泛应用于工业、商业、公用设施和家用电器等各个领域，其中异步电动机是各类电动机中应用最广、需要量最大的一种。在我国，异步电动机的用电量约占总负荷的60%以上，其中风机、泵类、压缩机和空调制冷机的用电量分别占全国用电量的10.4%、20.9%、9.4%和6%。从全球范围看，电动机的用电量平均占世界各国社会总用电量的一半以上，占工业用电量的70%左右。因此，提高电机系统的效率，对节约电能意义十分重大 1 绪论1.1课题研究的目的和意义 在工业电气应用领域，电网一般供给固定频率的交流

2、电压，同时为了满足电机的启动负荷和其他峰值负荷的冲击等情况，电机的额定功率通常选用高于实际运行的功率。电机通常在供给的能量多于实际负载所需要的能量状况下运行，这势必造成大量的能源浪费，据测算在风机及泵类的系统中这样的功率损耗占到总损耗的40%。如果电机能按照变化的负载的需要来提供相应的能量，这将大大降低能源的浪费。基于这一思想变频调速被提出来以实现按负载需求来调整电机转速，从而实现电机按负载需求供给能量。在低压电气应用领域，电力电子器件的发展已经能很好的满足变频调速的要求。但在中高压领域，由于电力电子器件的电压耐量及开关频率的限制，目前单一的电力电子器件还难于实现对中高压的幅值和频率的调整。1

3、.2中高压变频器的发展及特点1.2.1 交流变速技术的发展历史 直流电力拖动和交流电力拖动在19世纪先后诞生。20世纪上半叶，鉴于直流拖动具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，高性能调速拖动都采用直流电动机，而约占电力拖动总容量80%以上的不变速拖动系统则采用交流电动机，这种分工在一段时期内己成为一种举世公认的格局。交流调速系统的多种方案虽然早己问世，并已获得实际应用，但其性能却始终无法与直流调速系统相匹敌。20世纪60-70年代，随着电力电子技术的发展和现代控制理论的应用，特别是大规模集成电路和计算机控制技术的出现，使得交流电力拖动系统逐步具备了调速范围大、稳速范围广、稳速精度高、

4、动态响应快以及可实现四象限可逆运行等良好的技术性能，在调速性能方面可以与直流电力拖动媲美，交直流拖动按调速性能分工的格局终于被打破了。而且，以前被掩盖的直流电动机的缺点也日益暴露出来，例如，具有电刷和换向器，因而必须经常检查维修；换向时有电磁干扰，产生噪声;换向火花使它的应用环境受到限制;换向能力限制了直流电动机的容量和速度(极限容量与转速之积约为106kW/rmni)等等。而交流电动机比直流电动机结构简单、成本低廉、工作可靠、维护方便、惯量小、效率高等优点，如果能够用交流拖动系统代替直流拖动系统，显然可靠性较高，维修更方便，能够带来不少的效益，于是，交流调速己经成为当前电力拖动控制的主要发展

5、方向。 世界上第一台交流电动机于1855年问世，交流电动机，特别是笼型异步电机，因具有结构简单、坚固耐用、价格便宜等特点而得到广泛应用。异步电动机是工业生产中应用最有广泛的一种交流电机，它的调速控制具有重要的工程实际意义，经过一个世纪的发展其调速方法日趋成熟。 异步电机的调速方法有很多，有变极调速、调压调速、斩波调速、转子串电阻调速、串级调速、滑差离合器调速、变频调速等等。但从本质上讲，由异步电极的转速公式可见，它的调速方法实际上只有两大类：一类是在电机中旋转磁场的同步速度恒定的情况下调节转差率S，而另一种是调节电机旋转的同步速度。异步电机的这两种调速方法，一种是属于耗能的低效调速方法，另一种

6、是属于高效率的调速方法无论大功率变频器对异步电动机的控制，还是小功率变频器对异步电动机的控制，它们的控制原理是一样的，都是根据电动机的特性参数及运行要求提供电压、电流、频率，对电动机进行控制，满足负载的要求。因此，变频器的控制方式是很重要的。目前变频器常用的控制方式有:开环V/f控制、转差频率控制、矢量控制和直接转矩控制等。下面分别进行简单的介绍。 开环V/f控制是异步电动机最基本的变频调速控制方式。它通过同时改变电动机的输入电压V和电动机的输入频率，f使V/f保持恒定值，从而维持电动极磁通量不变，严格的讲，应该使定子的感应电动势与频率之比保持恒定才能够达到每极磁通量不变的效果，由于感应电动势

7、难以直接测量，一般用定子相电压来代替感应电动势，这就需要补偿低频电压的控制方案。如果对调速范围和起制动性能要求高一些，可以采用转速闭环转差频率控制的方案，但这两种方案都是在电动机稳态性能的基础上得到的，虽然能够在一定范围内实现平滑调速，但不能够完全适应高动态性能的系统，也不能够完全达到直流双闭环系统的水平。异步电动机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强藕合的多变量系统，虽然通过坐标变换进行降阶并且化简，但并没有改变其非线性、多变量的本质，要使异步电动机系统具有优良的动态性能，必须面向动态模型。经过多年的潜心研究和实践，目前应用最多的方案有按转子磁链定向的矢量控制系统和按定子磁链控制的直接转矩控

8、制系统。20世纪70年代初，德国西门子公司.FBlaschke等提出“异步电动机磁场定向的控制原理”，奠定了矢量控制的基础。矢量控制技术以3/2坐标变换后的电动机动态模型为基础，利用坐标旋转变换技术实现了定子电流励磁分量与转矩分量的解祸，使得交流电动机在理论上能像直流电动机一样分别对励磁分量与转矩分量进行独立控制，获得像直流电机一样良好的动态性能。但是，由于转子磁链难以准确观测，以及矢量变换的复杂性，使得实际控制效果往往难以达到理论分析的效果，这是矢量控制技术在实践上的不足。尽管如此，由于矢量控制技术的自身优势，仍然被积极地融入了变频器中。1985年德国鲁尔大学的M.DPenebrock教授首

9、先提出了异步电动机直接转矩控制方法，直接转矩控制与矢量控制不同，直接转矩控制不需要对电动机的模型进行解藕，转矩直接作为被控量来控制，控制定子磁链而不是转子磁链，不受转子磁链的影响，可以实现很快的转矩响应速度和很高的速度、转矩控制精度。可以说直接转矩控制是一种很有发展前途的新型控制方法。早期的交-直-交变频器所输出的交流波形都是矩形波，这是因为当时逆变器只能采用半控型晶闸管，其关断的不可控性和较低的开关频率导致逆变器的输出波形不可能近似按正弦波变化，从而产生较大的低次谐波，使电动机输出转矩存在脉动分量，影响其稳态性能，这在低速时更为明显。随着全控型电力电子开关器件的产生和发展，20世纪80年代，

10、科技工作者将应用在通信领域中的PWM(脉宽调制)技术引用到电力电子领域，由于其良好的性能，迅速成为研究的热点，随着PWM技术的应用实践，也发现了一些缺点，因此，研究新的PWM技术一直是科技工作人员的热门课题，目前，已经出现了多种PWM调制方法，例如低次谐波消去法、矢量控制法、PWM跟踪控制法、随机PWM技术等，这些方法各有千秋，被广泛应用在各种场合。当今国内外生产的中高压变频器都己采用了PWM技术，中高压变频器也不例外。 纵观变频技术的发展，其中主要是以电力电子器件的发展为基础的。第一代以晶闸管为代表的电力电子器件出现于20世纪50年代。1956年贝尔实验室发明了晶闸管，1958年通用电气公司

11、推出商品化产品。它主要是电流控制型开关器件。以小电流控制大功率的变换，但其开关频率低，只能导通不能自关断。第二代电力电子器件以电力晶体管(GTR)和门极关断(GTO)晶闸管为代表，是20世纪60年代发展起来的。它是一种电流型自关断的电力电子器件，可以方便的实现变频、逆变和斩波，其开关频率只有1-5KHz。第三代电力电子器件是以双极性绝缘栅晶体管(GIBT)和电力场效应管(MosFET)为代表，在20世纪70年代开始应用。它是一种电压(场控)型自关断的电力电子器件，具有在任意时刻用基极(栅极、门极)信号控制导通或关断的功能。其开关频率可达20kHz甚至200kHz以上，为电气设各的高额化、高效化

12、、小型化创造了条件。第四代电力电子器件，如出现于20世纪80年代末的智能化功率集成电路(PIC)和20世纪90年代的智能功率模块(PIM)、集成门极换流晶闸管(GICT)。它们实现了开关频率的高速化、低导通电压的高性能及功率集成电路的大规模化，包括了逻辑控制、功率、保护、传感及测量的电路功能。经过40多年的发展，电力电子技术己成为一门多学科的边缘技术，他包括交流电路、电力电子器件、计算机辅助机设计、模拟电子学和数字电子学、微型计算机、控制理论、超小规模集成电路、高频技术和电磁兼容等。电力电子技术发展方向是：高电压大容量化、高频化、组件模块化、小型化、智能化和低成本化、应用的技术有:脉宽调制（P

13、WM)、滑模控制、非线性变换、功能控制及交流电动机矢量控制、直接转矩控制、模糊控制和自适应控制等。变频技术应用最广的是变频器产品，通用变频器发展趋势是：1）数控化。采用新型计算机控制，例如日本富士公司的大于或等于30kw变频器，采用两个16位CPU，一个用于转矩计算，另一个用于数据处理，实现了转矩限定、转差补偿控制、瞬时停电的平稳恢复、自动加减速控制及故障自诊断等。对于小于或等于22kw变频器采用了一个32位数字信号处理器(OSP)，提高了计算、检测和响应的速度，扩充和加强了其处理功能。2）高频化。为了适应纺织和精密机械等更多领域的高速需求，变频器的频率已由过去的。050120Hz，发展到了4

14、00Hz，目前已提高到600l000Hz，甚至3kHz以上。3）数显化。由过去的指示灯、发光二极管、LED数码管，发展到目前的液晶显示(LcD)，显示行有1、2、3、4行等。4）高集成化。提高集成片技术及采用表面贴片技术，使装置的容量比得到进一步的提高。5）强化适应性。允许环境温度由过去普遍的。0c扩展为.10十c(c时需卸下顶盖板)。允许相对湿度也由过去的80%提高到90%以上。有些户外场合，特别是军事部门提出了全天候要求。总之，变频技术的发展趋势时朝着高度集成化、采用表面安装技术、转矩控制高性能化、保护功能健全、操作简便化、驱动低噪声化、高可靠性、低成本和小型化的方向发展。可以说，变频技术

15、是未来最有发展的科学技术之一。 电力电子器件混合型：IGBTMCT单极型：肖特基势垒二极管功率SIT功率MOSFET双极型：PN结整流管晶闸管双极晶体管达林顿管 表1.1电力电子器件分类1.2.2中高压变频器的特点和发展状况： 中高压变频器主要指输出电压为3000V10KV的频器。在中高压领域，由于电力电子器件的耐压值和开关频率的限制以及价格因素的影响，目前单一的电力电子器件还难于实现对中高压的幅值和频率的调整。为实现中高压领域的变频调压，通常采取升降压，器件串并联的方式实现电源变换。中高压变频器的拓扑结构一直随着电力电子器件的创新开发而不断发展变化。随着电力电子器件从早期的SCR到GTO、I

16、GCT、IGBT的过渡，陆续出现了普通三相变频器、降压一普通变频器一升压电路、交交变频电路直到当前采用的多电平电路。 多电平变频器之所以成为中高压变频器发展的热点，是因为它具有以下突出特点:1)每个开关器件承受的电压值仅为母线电压的1/(n-1)(n为输出电压的电平数)，使低压器件可在高压场合下应用。2)随着输出电压电平数的增加，输出电压波形得到了很大改善。3)每个开关器件的开关频率较低，但变频器整体的等效开关频率高。因而开关损耗小，频率高。4)与两电平变频器相比由于输出电压电平数的增加所以当输出电压值相同时，电压的对电机绝缘的冲击小。5)无需输出变压器，减小系统体积和损耗。目前，多电平变频器

17、的3种主要电路拓扑结构为: 1二极管钳位式(Diode.Clamped)；2电容钳位式(Flying.Capacitors)；3带独立直流源的级联的多电平逆变器。这3种结构与普通双电平逆变器相比具有以下优点：更适合大容量、高电压的场合；可产生M层阶梯形输出电压，理论上提高电平数可接近纯正弦波形、谐波含量很小；电磁干扰(EMI)问题大大减轻，效率高。中高压变频技术的发展，其逆变主回路拓扑结构一直是随着电力电子器件的创新开发而不断发展的。早期的电力电子器件晶闸管(SCR)随着功率半导体技术的不断创新在中压变频领域已逐步被淘汰。而GTO具有高电压、大电流的发展潜力，但驱动电路复杂，影响整个系统的可靠

18、性。把MOS结构置于GTO外面来协助关断的IGCT，适用于大电流(1000A以上)、低频率(1000Hz以下) 的应用，由于其从研制生产到应用的一系列技术受到专利的保护。在推广应用和器件竞争中未能完全取代GTO。IGBT作为第三代电力电子器件，因其工作电压较低，其作为逆变主回路器件的高压变频装置具有改善输出电流波形，减少谐波对电网的污染及减少系统和电动机的电应力等的良好性能，在多电平级联式变频装置中有着广阔的发展前景。目前国外各公司的产品和技术相对成熟，但尚未形成统一的拓扑电路。常见的拓扑有:一是采用器件串联的方法，以晶闸管或GTO或SGCT为功率器件的电流型中压变频器，如美国AB公司的旧产品

19、GTO电流型和新产品SGCT电流型中压变频器;二是采用多电平结构，以高压IGBT或IGCT为功率器件的三电平电压型中压变频器，如德国SiemenS公司的SIMOVERTMV系列(功率器件为高压IGBT)和瑞典ABB公司的ACS1000系列(功率器件为IGCT);三是以低压IGBT为功率器件的单元串联多电平中压变频器，如美国Robic公司的完美无谐波系列中压变频器。国外的中压变频器产品一般最高输出电压为4160v。 近几年，国内少数科研单位陆续开始研制中压大功率变频器。国内研究现状主要是以低压IGBT为功率器件的单元串联多电平PWM电压源型变频器。采用单片机控制，实现简单V/F控制，无高性能控制

20、方式、瞬时停电再起动和挂网通信等功能。变频器的整机技术落后，装置的可靠性低，制造工艺水平不高。变频器产品所用功率器件的制造几乎是空白，还需依赖于进口，质量无法保证。产品仅处于试产试销，远未形成规模效应。从总体上看，我国中压变频调速技术远落后于国际先进水平。中压变频器正处于产品的发展完善过程之中，向着高可靠、低成本、高输入功率因数、高效率、低输入输出谐波、低共模电压以及低dy/dt等方向发展.除多电平电压型逆变器，目前研究较多的大功率逆变电路有:变压器祸合的多脉冲逆变器、交交变频器、双馈交流变频调速系统等。其发展趋势可归纳如下:1)采用标推低压变频器组成的“高一低一高”方案在对传动系统要求不高的

21、中压小功率场合仍占有一定的市场。2)由于中压时器件串联的均压问题，输入谐波对电网的影响和输出谐波对电机的影响，器件串联方案局限于某些特殊场合，如电流源型变频器适用于要求频繁快速起制动和动态性能要求较高的生产机械。3)多电平结构是今后一个时期中压变频器主电路的首选结构。4)对风机和水泵等一般不要求四象限运行的设备以及电机容量为3000KW及以下时，单元串联多电平中压变频器目前更具竞争力。5)对于需要四象限可逆运行的负载，只需将两组相同的二极管箱位三电平变频器按照“背靠背(back.to.back)”方式连接就可实现。目前，低压变频器已经比较成熟，由于其强大的功能而广泛应用于多种电机拖动领域。受管

22、子耐压水平和高压开关管开关频率的限制，传统的两电平逆变电路不能够直接应用在中高压变频器中，通过简单的将开关管串、并联来承受高压的方法是人们最直接的想法，但是开关管的串并联均压、均流问题比较难以实现，因此，研究人员将目光转向开发其它拓扑结构，经过多年努力，出现了多种中高压变频器的拓扑结构，如二极管嵌位式、电容嵌位式、级联型、电压自平衡式等等，拓扑结构种类多且比较复杂是中高压变频器的第一个特点。拓扑结构的多样化势必引起控制方法的多样化，于是在PWM技术的基础上产生了多电平消谐法、开关频率优化的PWM、多电平空间矢量法等等，这些方法在中高压变频器中都有着广泛的应用，可见，多种调制方法是中高压变频器的

23、第二个特点。拓扑结构和控制方法的多样化为电力电子理论和实践注入了新的活力。另外，中高压变频器要想适用于各种拖动场合，即使是拖动风机、水泵这种调速要求不高的大电机，也需要功能齐全、操作安全方便的变频器，因此，完善的功能自然是中高压变频器的重要特点。这些功能包括开放式的人机界面、外部端子控制功能、多种启停变频器方式选择、频率设定、点动频率设定、禁止频率设定、加减速时间设定、转矩提升、V用控制、矢量控制和瞬时掉电保护、速度搜索功能等。中高压变频器除了拖动风机、水泵来代替风门和阀门外，还广泛的应用在其它领域。在冶金行业，大型轧钢机需要很快的动态响应和相当高的过载能力，以前一直是用直流电动机，由于直流电

24、动机的换向器及电刷在大容量方面的问题较多，维修量较大，目前已经逐步被交流电动机调速代替，取得了良好的效果;在发电厂中使用着大量的中高压大电机，因此，中高压变频器在发电厂中的广泛应用是理所当然的；另外，在电动车辆、船舶、石化、石油等行业也有着广泛的应用。总之，中高压变频器的应用将大大提高我国工业的生产效率和节能效率，达到经济和节能双赢的效果。1.2.3 研究方向 本课题准备以单元级联型变频器作为研究内容，单元级联型变频器具有如下的优点:1)变频器的基本组成单元为技术成熟的低压模块价格较低。并且通过调整串联单元的个数可满足输出电压的不同要求。2)各个单元中器件的开关频率不高但变频器整体的等效开关频

25、率很高。输出电压波形接近正弦波，谐波含量少，无需输出滤波器，对电机冲击小。3)由于各个基本单元具有相同的结构和参数，利于将基本单元模块化实现冗余设计。即使个别单元发生故障时也可通过旁路功能将该单元短路，系统仍能降额运行。因此，单元级联型变频器具有高度的稳定性和可靠性。适于运行在对传动系统稳定型要求较高的场合下。如锅炉引风机调速系统，输油管道泵站调速系统等。因此，本课题以单元级联型变频器作为研究对象。本文针对高压异步电动机变频调速系统设计了6KV/1250KVA级联型高压变频器。2 变频器设计理论2.1变频调速的理论基础由于计算机的出现，以及电力电子器件的快速发展，使得交流异步电机调速成为可能，

26、并且变频调速具有节约能源、提高自动化、提高产品的质量和产量之功效；再加之交流电机诸多优点，从而被广泛运用于工农业生产的许多领域。尽管交流异步电动机变频调速的方法很多，目前比较实用的异步电机变频调速系统主要有四种控制类型：恒压频比（U/F）控制的调速系统、转差频率控制的调速系统、矢量控制的调速系统、以及直接转矩控制的调速系统。根据电机学原理可得，交流异步电机转速是由供电电源频率和电机的极对数决定的，从而转速n可以表示为： （2.1）式中：为电机定子供电电源频率；为电机磁极对数； =2f为定子供电角频率；为转差率，为同步转速。由上式可知，影响电机转速的因素主要有：电机的磁极对数p'、转差率

27、s和供电电源的频率fs。在这三个因素中，通过改变电源供电频率fs来实现交流异步电机的调速方法效果最为直接有效，这也就是我们所称的变频调速。在通过改变异步电机的电源供电频率fs进行电机的转速调节时，电机的供电电压也会发生改变，出现电机的磁饱和或欠磁；电机的同步转速也会相应的改变，当有负载时，电机转速低于同步转速，转差率也有变化，所以单纯地改变供电电源的频率来实现异步电机变频调速并不能满足人们的需求，这就需要寻求一种更为有效的调节方法。在调速过程中，若磁通下降，异步电机的电磁转矩就会减小，在额定转速以下时将失去调速系统的恒转矩机械特性，并可能造成电机的堵转；若磁通上升，则又会造成电机的磁路饱和，励

28、磁电流迅速上升，从而导致电机铁损加大，电机铁芯严重过热，其输出效率下降，甚至有烧毁电机的可能。由此可见，为了获得较优良机械特性的变频调速系统，在调速时需保持磁通恒定，目前常用的恒磁通变频调速系统，主要有恒压频比控制法和转差频率控制法。本章主要介绍恒压频比控制法。我们知道，三相交流异步电机定子每相电动势的有效值是： （2.2）式中:Ej:气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值；Kj:与绕组结构有关的常数；:定子频率;Nj:定子每相绕组串联匝数；:每极气隙磁通量。由此式可知，只要控制好电动势Eg和频率f1,便可达到控制磁通m的目的。 2.2 中高压变频器的分类和几种基本拓扑结构高压大功率交流变频调

29、速调速系统所使用的电力电子器件可以分为晶闸管型、GTO晶闸管型、IGBT型、IGCT型、SGCT型等依据其控制策略可分为标量控制型和矢量控制型。依据其输出波形可分为方波输出和PWM输出两类。依据其变换方式可分为直接变换式(交一交)和间接变换式(交一直一交)两类。其中交直交电压源型高压变频器按其拓扑结构分为高一低一高式、器件串联两电平、三电平式、功率单元串联多电平式等几种。目前为止，高压变频器还没有像低压变频器那样近乎统一的拓扑结构。但近年来，各种高压变频器的不断出现推动着高压变频器向着高可靠性、低成本、高输入功率因数、高效率、低输入输出谐波、低共模电压、低dy/dt等方向发展。下面就以上几种常

30、用的拓扑结构进行分析。2.2.1 高-低-高式电压源型调速系统高-低-高式变频调速系统前后两端各设一台变压器，中间使用一台或几台低压变频器，前端的降压变压器将输入的高压交流电变成低压交流电送到变频器输入端，变频器输出的低压交流电经升压变压器升为高压后供给高压电动机。其缺点是需要使用两台变压器造成其体积过于庞大，成本过高。 图2.1 高低高变频器结构2.2.2 两电平电压源型高压变频器两电平电压源型高压变频调速系统产品的拓扑结构与低压变频器中常用的交直交两电平变频其结构基本相同。在高压变频中，由于输入交流电压幅值较高，以现有的电力电子器件耐压不足，因此这种方法需要采取多个电力电子器件串联方式，但

31、是因为IGBT开关时间短(微秒级)，很难保证所有串联的功率管同时开关，否则所有的电压都会加在晚开通的IGBT上并将IGBT烧毁，而且一烧一串。因此采用这种拓扑结构解决器件的动、静态均压是这种方式的关键，目前国内成都佳灵公司生产的高压变频器采用这种拓扑结构。2.2.3 三电平电压型中压变频器三电平电压源型高压变频技术通过独特的二极管钳位(或电容钳位)方法，可以使系统输出电压增加一个电平，与两电平相比较，这种方式的相电压可以有三个电平输出，故称为三电平，其具体拓扑结构见图2.2。采用这种拓扑结构每个电力电子器件所承受的耐压只有直流母线电压的一半，因此可以使电力电子器件的耐压要求降低一半，当采用一些

32、高压全控器件，如高压IGBT、IGCT、IGET、GTO晶闸管等时，可直接实现高压输出。但由于器件耐压水平有限，采用这种方式直接输出6000V以上电压时，器件仍需串联。这种拓扑结构的缺点是输出波形中会不可避免地产生比较大的谐波分量，因此在变频器的输出侧必须配置输出LC滤波器才能用于普通的鼠笼型电机。同样由于谐波的原因，电动机的功率因数和效率、甚至寿命都会受到一定的影响，只有在额定工况点才能达到最佳的工作状态，但随着转速的下降，功率因数和效率都会相应降低。图2.2 二极管钳位式三电平逆变器2.2.4 级联型电压型中压变频器这种结构首先由美国国罗宾康公司发明，单元级联型多电平变频器采用若干个独立的

33、低压功率单元串联的方式来实现高压输出。其原理如图2.3所示。功率单元级联型多电平变频器在输入端设置一台输入隔离变压器，将输入高压交流电变换成多组低压交流电后，再将每组低压交流电分别输入到每个功率单元，经二极管整流滤波为直流电，通过逆变装置将其逆变成为交流电，各功率单元输出交流信号在逆变侧串联成为高压多电平交流信号提供给高压电机。为减小输入谐波，变压器每个二次绕组的相位一次错开一个电角度，形成多脉波、多重化整流方式。其逆变输出采用多重花PWM方式，输出谐波很小，可直接连接高压电机，是一种优秀的高压变频方案。因此国内高压变频器厂家也大都采用这种方案。但同样有缺点需要克服如:如功率单元和所使用功率器

34、件数量太多，6KV系统要使用150只功率器件(9O只二极管，60只IGBT)，装置的体积太大，重量大;所需高压电缆太多，系统的内阻无形中增大，接线太多，故障点相应的增多；当一个单元损坏时，单元必须旁路，但此时输出电压不平衡中心点的电压是浮动的，造成电压、电流不平衡，从而谐波也相应的增大，勉强运行时终究会导致电动机的损坏。图2.3 单元串联式基本拓扑结构图2.4 单元串联主电路3 级联型高压变频器的硬件设计3.1 级联型高压变频器系统结构及主要组成本系统设计采用的级联型多电平高压变频器方案，可直接实现6KV输入，直接6KV输出无需输出变压器，变频器设计容量为1250KVA，额定输出电流4OA，输

35、出频率45-55HZ，输入功率因素0.95，输出频率范围0.5-12OHZ，过载能力120%一分钟，150%立即保护。图3.1所示为总体方案原理框图，该系统主要由输入部分、功率变换部分、检测保护部分以及控制部分组成。图3.1总体方案原理框图输入部分主要由输入开关、控制柜、输入变压器三部分组成。输入开关一般有两个，三相高压交流电先经过一个隔离开关后接到一个高压真空接触器，之后送入隔离变压器，输入高压隔离开关主要用来对输入信号进行彻底隔离，以便方便设备检修。输入隔离变压器用来将输入高压交流电变成24组低压交流电送给相应得24个单元，一次、二次绕组以及二次绕组之间保持一定相位差，从而构成45脉波整流

36、。功率变换部分主要由24个功率单元组成，每个功率单元采用三相桥式不控整流方式，将输入交流电整流成为脉动直流电，再经电容滤波变成中间直流电。中间直流电直接送入逆变单元，逆变单元由四个IGBT组成，通过对IGBT通断控制，实现PWM变换输出。检测保护部分主要由检测电路以及旁路机构组成，主要检测以下几种信号:1）输入电压幅值，用于判断输入过压、欠压、缺相。2）输出电流幅值，用于判断是否输出过电流、负载是否有断相等。3）变压器温度检测，用于保护变压器不出现过载。4）功率单元温度检测，用于保护电力电子器件。旁路机构主要包括功率单元旁路与控制、整机旁路与控制等，当功率单元出现故障或整机出现故障时，保护系统

37、不受损伤或不影响用户现场连续运行。3.2 级联型高压变频器主电路设计图3.2级联型多电平高压变频器主电路图主电路中各元件的功能如下：3.2.1整流电路整流管D1D6组成三相整流桥，对三相交流电进行全波整流。整流后的直流电压滤波电容滤除整流后的电压波纹，并在负载变化时保持电压平稳。当变频器通电时，瞬时冲击电流较大，为了保护电路元件，加限流电阻Ra。延时一段时间后，通过控制电路使开关JK闭合，将限流电阻短路。3.2.2 逆变电路逆变开关管T1T6组成三相逆变桥，将直流电逆变成频率可调的矩形波交流电。逆变管可以选择绝缘栅双极晶体管IGBT、功率场效应管MOSFET。续流二极管D7D12的作用是：当逆

38、变开关管有导通状态变为截止时，虽然电压突变降为0，但由于电动机线圈的电感作用，储存在线圈中的电能开始释放，续流二极管提供通道，维持电流继续在线圈中流动。另外，当电动机制动时，续流二极管为再生电流提供通道，使其回流到直流电源。电阻R1R6、电容C1C6、二极管D13D18组成缓冲电路，来保护逆变开关管。由于开关管在开通和关断时，要受集电极电流Ic和集电极与发射极间电压的冲击，因此要通过缓冲电路进行缓解。当逆变开关管关断时，迅速升高，Ic迅速降低，过高增长率的电压对逆变开关管造成危害，所以通过在逆变开关管两端并联电容（C1C6）来减少电压增长率；当逆变开关管开通时，迅速降低，而Ic则迅速升高，并联

39、在逆变开关管两端的电容（C1C6）由于电压降低，将通过逆边开关管放电，这将加速电流Ic的增长率，造成逆边开关管关断时，该电阻又会阻止电容充电。为了解决这个矛盾，在电阻两端并联二极管（D13D18），使电容在充电时，避开电阻，通过二极管充电，在放电时，通过电阻放电，实现缓速功能。缓冲电路还有其他形式，图3.3给出了3种形式，其中图3.3(a)是交叉式缓冲电路，适用于中大功率变频器;图3.3（b）是为了吸收高于直流电压的电压尖峰而没计的.适用于小功率变频器;图3.3（c）是在逆变开关管前面串联一个抑制电路，使缓冲效果更好。（a）(b) (c) 图3.3 缓冲电路下面，我介绍一下三相逆变桥的工作原理

40、：三相逆变桥的电路简图如图3.4（a）所示，图中R, Y, B为逆变桥的输出。3.4（b）是各逆变管导通的时序，其中深色部分表示逆变管导通。从图3.4（b）可以看出，每一时 刻总有3只逆变管导通，另3只逆变管关断；且T1与T4，T2与T5,T3与T6每对逆变管不能同时导通。（a）电路简图（b） 逆变管通断时序图3.4 三相逆变桥工作工作原理在t1间段，T1、T3、T5这3只逆变管导通，电机线圈电流的方向是从R到Y和从B到Y(设从R到Y、从Y到B、从B到R为正方向，下同)，得到线电压为和。 在t2时间段，T1,T5,T6这3只逆变管导通，电机线圈电流的方向是从R到Y和从R到B，得到的线电压为和。

41、 在t3时间段T1、T2、T6这3只逆变管导通.电机线圈电流的方向是从R到B和从Y到B，得到的线电压为和。在t4时间段，T2、T4、T6这三只逆变管导通，电机线圈电流的方向是从Y到R和从Y到B.得到的线电压为和。 在t5时间段，T2 、T3、T4这3只逆变管导通，电机线圈电流的方向是从Y到R和从B到R，得到的线电压为和。在t6时间段,T3、T4、T5这3只逆变管导通，电机线圈电流的方向是从B到R和从B到Y，得到的线电压为和。线电压、的波形如图3.5所示。从图中可以看出，三者间互差120°，它们的幅值是U。因此，只要按如图的规律控制6只逆变管的导通和关断，就可以把直流电逆变成矩形波三相

42、交流电；而矩形波三相交流电的频率可在逆变时受到控制。然而，矩形波不是正弦波，含有许多高次谐波成分，将使交流异步电动机产生发热、力矩下降、振动躁声等不利结果。为了使输出的矩形波接近正弦波，采用正弦脉宽调制波。 图3.5 逆变输出线电压波形3.2.3功率单元设计图3.6基本功率单元结构本系统中整流部分采用二极管不可控整流电路，能量不能回馈电网，不能实现四象限运行。由于采用了二极管整流的电压源型结构，电动机所需的无功功率可由滤波电容提供，输入功率因数较高，基本可保持在0.95以上，不必采用功率因数补偿装置。同时，变频器对浪涌电压的承受能力较强，雷击或开关操作引起的浪涌电压可以经过变压器产生浪涌电流，

43、经过功率单元的整流二极管，给滤波电容充电，滤波电容足以吸收进入到单元内的浪涌能量。在这里由于选用两电平结构功率单元，选用6KV变频器，每相8个单元，隔离变压器二次输出线电压U为430V。整流器输入电压为三相工频交流电，当没加滤波电容时，三相桥式整流电路输出的平均直流电压为 （3.1）加上滤波电容后，的最大交流线电压峰值，即 （3.2）当采用SVPWM时，最大输出线电压有效值可达到 （3.3）功率单元流过电流为变频器输出线电流 （3.4） 三相交流电整流后经滤波电容滤波形成直流母线电压，当功率单元输入额定电压为430V时，直流母线电压为600V左右，逆变器由4个IGBT模块组成H桥式单相逆变电路

44、，通过SPWM控制，在T1和T2两端得到变压变频的交流输出，输出电压为单相交流0430V,频率为050Hz。（一） 整流二极管模块计算：1） 额定电压的计算反向重复峰值电压指对二极管所能重复施加的反向最高峰值电压，通常是其雪崩击穿电压的2/3。使用时，往往按照电路中电力二极管可能承受的反向最高峰值电压的两倍来选定此项参数，因此，计算公式为 （3.5）式中:一二极管重复峰值电压;一整流桥输入线压; K一安全裕量。取K=2，功率单元额定输出电压为430V，取 （3.6）又整流桥三相输入线电压的峰值大于等于直流电容电压的值，即 （3.7）因此，取 （3.8）2)额定电流的计算 每个功率单元的额定率为

45、 （3.9）直流母线电压为轻载时 （3.10）重载时 （3.11）当变频器效率= 0.95时，直流母线上的电流 （3.12）流过二极管的额定电流为 （3.13）二极管的额定正向平均电流为 （3.14）因此，二极管的额定电流为 （3.16）根据以上计算结果，选择额定电压为1600V，额定电流70A的二极管。此设计选择DD70F160 70A/1600V/2U 型号（二） IGBT的选择：1)额定电压的计算 IGBT的额定电压即是最大集射极间电压，考虑电压波动及开关电流引起的电压尖峰等因素，一般取IGBT所需承受最大电压的2倍，即 （3.17）2)额定电流的计算主电路额定线电流

46、为: （3.18）考虑过载1.5倍裕量，则IGBT的额定电流Ice为: （3.19）依据以上计算，选用额定电压是1500V，额定电流是600A的IGBT 。（三）滤波电容的选择：三相输入线电压430V时，最大整流输出电压608V，考虑电压10%的波动，则最大输出电压可达670V，滤波电容耐压应在此电压之上，并留有一定安全裕度，因此选取2个耐压值为450V的滤波电容串联。理论上，滤波电容的电容量越大越好，但考虑到体积成本因素，不可能选取太大，中间直流滤波电容主要是从限制电压波动的角度来选择。其具体容量(F)的计算可采用下面经验公式： （3.20）式中，为电机空载时定子电流基波分量有效值；为逆变器

47、输出电压基波角频率；为整流输出直流电压平均值；K为允许直流电压波动系数，取值为0.010.1。通常=20%，频率最小值可取5Hz，即。实际装置采用并联两组两个450V6800uF串联电容。3.2.4 IGBT驱动电路的设计目前，对IGBT都有现成的驱动模块可供选用，如三菱公司专门为IGBT设计的专用集成驱动电路M579系列。日本富士电机公司的EXB驱动电路和西安的HL402等驱动电路也有广泛的应用。市场上还有一种专用的驱动器，可以驱动一个桥臂上的两个IGBT，如美国IR公司的IR2100。本文采用富士电机公司的EXB841作为IGBT的驱动电路，EXB841与IGBT的实际接线图如图3.7所示

48、，驱动电路由信号隔离器、驱动放大器、低速过流切断电路、栅极关断电源等五部分组成，下面简单介绍一下其原理。 图3.7 EXB841接线图1）正常开通过程当控制电路使EXB841输入端脚14和脚15有10mA的电流流过时，图中光藕器ISOl就会导通，A点电位迅速下降到0V，使V1和V2截止，V2截止使D点电位上升到接近20V,V4导通，V5截止，EXB841通过V4及栅极电阻RG向IGBT提供电压及极间电容的充电电流，使之迅速导通。下降。与此同时，V1截止使+20V电源通过R3向电容C2充电，时间常数为 (3.21)又使B点电位上升，它由零升到13V的时间可用下式求得 (3.22),然而由于IGB

49、T约l 后已导通，下降至3V，从而将EXB841号脚电位钳制6V在左右，因此B点和C点电位不会充到13V，而是充到8V左右，这个过程时间为1.24 s；稳压管VZ1的稳压值为13V，正常开通时不会被击穿，V3不通，E点电位仍为20V左右，二极管VD6截止，不影响V4和V5的正常工作。2）正常关断过程控制电路使EXB841输入端脚14和脚15无电流流过，光藕合器ISOl不通，A点电位上升使V1和V2导通；2导通使V4截止，V5导通，IGBT栅极电荷通过V5迅速放电，使EXB41的脚3电位迅速下降至0V(相对于EXB841脚1低5V)，使IGBT可靠关断，迅速上升，使EXB841的脚6“悬空”。与

50、此同时，V1导通，C2通过V1更快放电，将B点和C点电位钳在0V左右，使VZ1仍不通，后继电路不会动作，IGBT正常关断。3.3输入整流变压器设计及多重化整流技术功率单元串联式多电平高压变频器最大优势之一就是其输入输出谐波小，其输入变压器二次测接整流部分因此可称为整流型变压器，对于整流型变压器一般采用Yd联接，即一次侧为星形(Y)联结，二次侧为三角形(d)联结，这样做的好处是二次侧的三次及三的倍数次谐波电压相互抵消，不会在二次绕组中形成电流，这样也就不会祸合到一次侧。整流变压器在设备中主要有三个功能:一是将输入高压变成低压，从而可以由低压电力电子器件直接逆变;二是起到高压低压及低压各绕组间相互

51、隔离;三是通过将低压移相，达到移相多重化整流的目的，从而使得输入谐波急剧减小，变频器对电网基本没有干扰，基本结构见图3.8。图3.8 级联型多电平高压变频器多重化整流输入变压器结构假定电网电压为6KV士10%，频率为5OHZ，变频器的输出功率是1250KWl)变压器容量计算公式为 (3.23)式中：:变压器的容量；:变频器的输出功率；：变频器的输入功率因数；：变频器效率。其中，变频器功率因数在有输入交流电抗器时取0.8-0.85，无输入电抗器时取0.6-0.8。故取 =0.85， =0.95， =1250KW，则 (3.24)又变频器生产厂家所推荐的变压器容量的参考值，常按经验取变频器容量的1

52、30%左右即 (3.25)因此，取移相变压器的容量 此设计选择KBSGZY.1600/10R型号的变压器。2)移相角计算相邻两个绕组移相角计算公式为=60/N (3.26)式中：相邻两个绕组移相角；N：功率单元串联个数。对于6KV中压变频器，采用8个单元串联的方案，变压器相邻两个绕组的移相角为: (3.27)因此，取输入变压器的移相角为+30°，+22.5°，+15°，+3.75°，-3.75°，-15°，-22.5°，-30°由于二次侧各绕组之间相差一定角度，因此需要采用延边三角形方法来实现。图3.9为采用延边三

53、角形移相的Yd联结及向量图。如图所示各组二次侧基本绕组(al、bl、cl)采用三角形联结，其移相绕组(a2、b2、c2)在各三角形顶点延伸出来，故称为延边三角形方式，图中移相绕组在各组基本绕组反向延伸出来，可将其称为逆延联结。图3.9 采用延边三角形移相的Yd联结原理及向量图设变压器一次、二次绕组匝数分别为Nl、N2，则二次侧基本绕组和移相绕组匝数分别为(1-k)N2和kN2，其中，k为绕组系数0<k<1，则 （3.28） （3.29）由图3.9所示的二次线电压合成的小三角形中，可得如下数量关系: （3.30）将式3.28和式3.29代入式3.30可得 （3.31）式3.31中，为

54、二次线电压超前于一次相电压的相位角;为二次线电压超前于一次线电压的相位角。 由图3.9的向量图可得 （3.32）则变压器的匝数比为 （3.33）在实际计算中，可先根据需要滞后的角度值由式3.31计算出k值，再根据一次输入电压以及设计所需二次电压值由式3.33计算出二次侧基本绕组和移相绕组与一次绕组的匝数比。 根据设计要求，变压器一次侧为Y联结，输入线电压为6000V，二次侧24个绕组分为8大组，每组相位差为60°/8=7.5°，采用延边三角形联结，输出线电压为430V时，构成48脉波整流。其相关参数见表3.1 表3.1延边三角形8组移相相关参数计算3.4故障检测保护电路3.4.1 系统保护电路在变频调速系统的主电路中，由于电力电子器件频繁工作在开通和关断中，逆变器工作在一个电流电压脉动比较大的环境下，为了保护这些电力电子器件，同时也为了调试上的