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高压变频技术的发展动向
 
慧聪网   2005年9月22日14时17分   信息来源:高压开关网    

    摘要: 文中对国内外最新提出的高压变频技术的发展状况、主电路拓扑结构、控制策略等进行综述研究,在此基础上,对高压变频技术的发展方向加以探讨。

1、 引言

    随着变频调速技术的发展,作为大容量传动的高压变频调速技术得到了广泛的应用,使用范围基本上覆盖了我国各主要行业,如:电力、冶金、石油、化工、造纸等。产品电压等级包括3kV、6kV和10kV以及油田专用潜油电泵使用的1,600V-2,400V产品,基本可拖动风机、水泵、压缩机等各类负载[ 1]。高压电动机利用高压变频器可以实现无级调速,既可满足生产工艺过程对电动机调速控制的要求,又可大幅度的节约能源,降低生产成本。

    随着以 GTO、IGBT、IGCT等为代表的自关断器件的发展 ,人们对各种适合高压变频的主电路拓扑结构的研究得到进一步深入 ,以DSP为代表的智能控制芯片的迅速普及 ,为高压变频调速技术应用研究也打下了坚实的基础。高压变频器作为一个节约资源型的产品,随着电力电子技术的不断发展,产品的不断改进,概念的深入,市场的拓展,将会显示出巨大的技术发展前景和市场需求量。

2、大功率器件的发展

    高压变频技术发展至今 ,其主回路拓扑结构是随着电力电子器件的创新开发而不断发展的 ,早期产品的SCR器件也随着电力电子器件的不断创新在中压变频领域已处于逐步淘汰的趋势。而GTO具有高电压、大电流的发展潜力 ,但驱动 (关门 )电路复杂 ,影响可靠性 。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 ,在多电平级联式变频装置中有其广阔的发展前景。其作为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。IEGT是最为崭新的电力电子器件 ,其吸取了IGBT和GTO两者的优点 ,它是在沟槽型IGBT基础上 ,把部分沟道同P区相联使发射极区注入增强 ,使得IEGT具有高电压大电流和高的工作频率 ,使其更适合于高电压大功率 ,高频率的变频装置。目前 ,应用在中压大功率变频领域的电力电子器件 ,已形成GTO、IGCT、IGBT、IEGT相互竞争不断创新的技术市场 ,在大功率 (1000kW ),低频率(1 000Hz)的传动领域 ,如电力牵引机车领域GTO、IGCT有着独特的优势 ,而在高载波频率、高斩波频率下IGBT、IEGT有着广阔的发展前景 ,在现阶段高压大功率变频领域将由这四种电力电子器件构成其主流器件。

3、 功率逆变器主回路结构的发展

    80年代以来 ,伴随着电力电子器件的飞速发展 ,大功率逆变器的发展日趋高性能化,正向着高可靠性、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du/dt等方向发展,但高压变频器到目前为止还没有像低压变频器那样形成近乎统一的拓扑结构。

3.1 传统的高压变频器逆变电路

3.1.1 普通三相逆变器 (见图 1)

    通常也称为双电平逆变器 ,这种拓扑结构比较简单 ,为了获得大功率只能依靠器件的串并联来实现。而串并联将会带来开关器件的静态均压、动态均压、均流等一系列问题。技术上的不确定因素影响大 ,可靠性不高 ;且由于输出只有 2个电平 ,电压波动大 ,产生较大谐波。

3.1.2 降压—普通变频—升压电路

     普通双电平逆变器

     这种结构两侧均需要大型变压器 ,体积大、成本高,变频部分一般采用交 -直 -交结构 ,在输出频率较低的情况下 ,输出变压器的体积会很大 ,虽然控制较为简单 ,但性能仍不理想。

3.1.3 交交变频电路

     交交直接变频电路省去中间直流环节 ,装置体积小、重量轻 ,一次功率变换控制效率高。但是输出频率低 ,最高输出频率一般为输入频率的1/3~ 1/2,而且控制复杂 ,通常仅用于低频场合。

3.2 新型多电平电压型逆变器

    日本长冈科技大学的 A.Nabae等人于 19 80年首次提出的三电平逆变器为高压大容量电压型逆变器的研制开辟了一条新思路。在此基础上 ,经过多年的研究发展出3种主要的拓扑结构 :1二极管钳位式 ( Diode-Clamped) ; 2电容钳位式 ( Flying-Capacitors) ;3单元串联多电平PWM电压源型。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。

3.2.1三电平PWM电压源型变频器

    在PWM电压源型变频器中,当输出电压较高时,为了避免器件串联引起的动态均压问题,同时降低输出谐波du/dt,逆变器部分可以采用三电平方式。与普通的二电平PWM变频器相比,由于输出相电压电平数由2个增加到3个,线电压电平数由3个增加到5个,每个电平幅值相对降低,由整个直流母线电压变为一半的直流母线电压,在同等开关频率的前提下,可使输出波形质量有较大改善,输出du/dt也相应下降。在同等输出电压的条件下,这种结构还可以使功率器件所需耐压降低一半。三电平变频器的整流电路常采用12脉冲或24脉冲二极管整流结构。逆变部分功率器件可以采用IGCT,反并联续流二极管集成在IGCT中。由于受到器件开关损耗,尤其是关断损耗的限制,IGCT的开关频率为600HZ左右。直流环节还有di/dt限制电路、共模电抗器、保护用IGCT等,di/dt限制电路主要是由di/dt限制电抗器、与之反并联的续流二极管和电阻组成,因为IGCT器件本身不能控制di/dt,所以必须通过外加di/dt限制电路,使逆变器IGCT反并联续流二极管的反向恢复控制在安全运行范围内,同时该电路也用于限制短路时的电流上升率。共模电抗器一般在变压器与变频器分开安置、且变压器二次绕组和整流桥输入之间电缆较长时采用,当变压器和变频器一起放置时,可以省去。保护用IGCT的作用是当逆变器发生短路等故障时,切断短路电流,起到快速熔断器的作用。由于逆变电路采用IGCT作为功率器件,而IGCT本身不象IGBT那样存在电流退饱和效应,可以通过检测集电极电压上升来进行短路检测,并通过门极关断进行保护,所以必须通过霍尔电流传感器检测电流,然后通过串联在上下直流母线上的两个保护用IGCT进行关断。由于直流环节存在共模电抗器,导致整流桥输出和滤波电容之间存在较大阻抗,这样电网的浪涌电压要通过整流桥实现浪涌电流,在通过滤波电容,吸收的效果大大降低,为了保护整流二极管,在整流桥输出端上并联了阻容吸收电路。钳位二极管保证了桥臂中最外侧的两个IGCT承受的电压不会超过一半的直流母线电压。所以,最外侧的两个IGCT不存在过电压问题。内侧的两个器件仍要并联电阻,以防止产生过电压,因为在同侧两个器件同时处于阻断状态时,内侧的器件承受的电压可能超过一半的直流母线电压,具体电压取决于同侧两个器件的漏电流匹配关系。

    若不加输出滤波器,三电平变频器输出时电动机电流总谐波失真可以达到17%左右,会引起电动机谐波发热、转矩脉动。输出电压跳变台阶为一半直流母线电压,du/dt也较大,会影响电动机绝缘,所以一般需配特殊电动机。若要使用普通电动机,必须附加输出滤波器。

3.2.2单元串联多电平PWM电压源型

    在高-高变频器的主回路结构中 ,采用若干个低压PWM变频单元串联的方式实现直接高压 ,电网电压经过二次绕组多重化的隔离变压器降压后给功率单元供电 ,单相变频功率单元输出端串联起来 ,实现变压变频的高压输出 ,直供高压电动机。单元串联的数量决定输出电压的等级 ,不存在着器件的均压问题 ,逆变器部分采用多电平移相式PWM技术 ,同一相的功率单元输出相同的基波电压 ,但串联各单元的 5对载波 (每对含正反向信号 )之间互相错开72°,实现多电平PWM ,每个功率单元的IGBT开关频率为 600Hz ,若每相 5个功率单元串联时 ,等效的输出相电压开关频率为 6KHz,且有 11个不同的电平,功率单元采用低的开关频率 ,可以降低开关的损耗 ,提高变频器效率 ,此种结构的变频器可适用于任何普通的高压电动机 ,且不必降额使用。虽然采用这种主电路拓扑结构会使器件的数量增加 ,但由于驱动功率下降 ,开关频率较低且不必采用均压电路 ,使系统在效率方面仍有较大的优势 ,一般可达9 7%。由于采用模块化结构 ,所有功率单元可以互换 ,维修也比较方便。但是,由于采用二极管整流电路 ,所以能量不能回馈电网 ,不能实现四象限运行 ,使其应用领域受到一定的限制。

4、 结论与展望

    综上所述 ,传统大功率逆变电路由于体积大 ,性能差 ,并对电网产生较多谐波 ,因此应用领域越来越多地受到限制。而新型多电平逆变器由于具有动态性能好 ,对电网和电机产生的谐波较少 ,可以上高压等优点 ,受到越来越多的重视。在 3种新型多电平逆变器中 ,二极管钳位式和电容钳位式由于存在均压问题 ,在无功调节中应用较好 ,而串联型结构由于其独特的结构和显著的优点 ,较适合于调速驱动系统 ,应用前景乐观。当 PWM技术应用于多电平逆变器时 ,产生了一些改进方案 ,对高性能大电容逆变器的应用起了重要作用。

 
 
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