IGBT高壓變頻調速電源

摘要：提出用于高壓電動(dòng)機變頻調速電源需考慮的串聯(lián)、諧波和效率等幾個(gè)問(wèn)題；介紹由全控型電力電子器件IGBT按多重化PWM控制技術(shù)構成、目前已商品化的高壓變頻器，可用于中、高壓交流電動(dòng)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(guān)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(dòng)中，交流電動(dòng)機較直流電動(dòng)機結構簡(jiǎn)單、制造容易、價(jià)格便宜、維修方便，因而被大量使用。然而在起動(dòng)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?？梢?jiàn)，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(dòng)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(shù)的發(fā)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(dòng)機的變壓變頻（VVVF）調速已日益普及，其優(yōu)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(yè)部門(mén)和水廠(chǎng)、電廠(chǎng)，使用著(zhù)大量的中、高壓風(fēng)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(wàn)千瓦，它們消耗的電能是非?？捎^(guān)的。

此前，這類(lèi)機械大多采用恒速交流傳動(dòng)，而以擋板、閥門(mén)或空放回流的辦法進(jìn)行輸出量的調節，白白損失大量的電能。因此，在這類(lèi)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(zhù)巨大意義。

2高壓變頻調速電源的幾個(gè)問(wèn)題

　?。?）串聯(lián)

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(lián)的辦法來(lái)滿(mǎn)足。但是器件的串聯(lián)使用，因各器件的動(dòng)態(tài)電阻和極電容不同，而存在穩態(tài)和動(dòng)態(tài)均壓?jiǎn)?wèn)題。如采取與器件并R和RC的均壓措施，會(huì )使電路復雜，損耗增加；同時(shí)，器件串聯(lián)對驅動(dòng)電路的要求也大大提高，要盡量做到串聯(lián)器件同時(shí)導通和關(guān)斷。否則，由于各器件開(kāi)、斷時(shí)間不一，承受電壓不均，會(huì )導致器件損壞甚至整個(gè)裝置崩潰。

（2）諧波

這是所有交直交變頻器的共同問(wèn)題，但是在大功率變頻調速中更為突出。諧波污染電網(wǎng)，將殃及同一電網(wǎng)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(fā)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(wèn)題也愈益重要。為提高效率，必須設法盡量減少功率開(kāi)關(guān)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(dòng)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(gè)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(gè)問(wèn)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(gè)額定電壓為690V的功率單元

串聯(lián)，因此相電壓為5×690V=3450V，所對應的線(xiàn)電壓為6000V（如果每相用4個(gè)480V的功率單元串接時(shí)，輸出線(xiàn)電壓則為3300V）。每個(gè)功率單元由輸入隔離變壓器的15個(gè)二次繞組分別供電，15個(gè)二次繞組分成5組，每組之間存在一個(gè)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(guò)變壓器的不同聯(lián)接組別來(lái)實(shí)現。

圖1中的每個(gè)功率單元都是由絕緣門(mén)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(jiàn)圖2。每個(gè)功率單元輸出電壓為1,0,－1三種狀態(tài)電平，每相5個(gè)單元疊加，就可產(chǎn)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(chēng)為單元串聯(lián)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(gè)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