電源設(shè)計指南:拓撲結(jié)構(gòu)(二)
7變壓器耦合輸出高壓變頻器
中高壓變頻器的主電路拓撲結(jié)構(gòu),除了前面提到的二電平、多電平和單元串聯(lián)多重化方案外,1999年,有人提出了一種新型的變壓器耦合式單元串聯(lián)高壓變頻器主電路拓撲結(jié)構(gòu)。其主要思想是用變壓器將三個由高壓IGBT或IGCT構(gòu)成的常規(guī)二電平三相逆變器單元的輸出疊加起來,實現(xiàn)更高電壓輸出,并且這三個常規(guī)逆變器可采用普通低壓變頻器的控制方法,使得變頻器的電路結(jié)構(gòu)及控制方法都大大簡化。
圖11是這種新型高壓變頻器的拓撲結(jié)構(gòu)圖,該
圖11變壓器耦合輸出變頻器主電路拓撲結(jié)構(gòu)圖
(a)3相AC6600V主電路
(b)富士完美無諧波功率單元
圖10富士FRENIC4600FM4變頻器電路結(jié)構(gòu)圖
方案由下列部分組成:
——一個18脈波的輸入變壓器,可基本實現(xiàn)輸入電流無諧波;
——三個常規(guī)兩電平的三相DC/AC逆變器;
——三個變化為1:1的輸出變壓器;
——高壓電機。
下面從幾個方面分析其工作原理。
1)電壓關(guān)系
考慮電機的線電壓,可得:
UKL=Ua1b1+Ub1a2+Ua2b2
ULM=Ub2c2+Uc2b3+Ub3c3(1)
UMK=Uc3a3+Ua3c1+Uc1a1
由于輸出變壓器的變比為1:1,也就是
Ub1a2=Ua3b3,Uc2b3=Uc1b1,
Uc1a3=Ua2b2,于是可得到,
UKL=Ua1b1+Ua2b2+Ua3b3
ULM=Ub1c1+Ub2c2+Ub3c3(2)
UMK=Uc1a1+Uc2a2+Uc3a3電壓間的這種關(guān)系體現(xiàn)在圖12中。每個逆變器都采用SPWM或空間電壓矢量PWM(SVPWM)控制方法,每個逆變器輸出線電壓的有效值為〔〕aE,其中E為逆變器輸入直流電壓,a為調(diào)制深度,在諧波注入SPWM和SVPWM中a最大可為1.15。由式(2)可得電機線電壓的有效值為〔〕aE。
對線電壓為2300V的高壓電機,E=1090V,采用額定電壓為1700V的IGBT就可構(gòu)成本系統(tǒng);對線電壓為4160V的高壓電機,E=1970V,可采用額定電壓為3300V的IGBT;而當(dāng)高壓電機的線電壓為6600V時,E=3130V,則應(yīng)采用額定電壓為4500V的IGCT;因此本方案具有很強的適應(yīng)性。
2)電流關(guān)系
設(shè)電機三相電流平衡,電流的有效值為I,在不考慮電流諧波的情況下ia1=Isin(ωt)ib2=Isin(ωt-120°)(3)ic3=Isin(ωt+120°)
在圖12中,ia1=i4-i6,ib2=i6-i2,i2+i4+i6=0,從而有ia1=Isin(ωt+90°)ib2=Isin(ωt-30°)(4)ic3=Isin(ωt-150°)
考慮到輸出變壓器原邊和副邊電流相等,可計算得到第一個逆變器的三個輸出電流為,ia1=Isin(ωt)ib1=Isin(ωt-120°)(5)ic1=Isin(ωt+120°)
另外兩個逆變器的三個輸出電流也滿足以上關(guān)系,即:ia1=ia2=ia3=Isin(ωt)ib1=ib2=ib3=Isin(ωt-120°)(6)ic1=ic2=ic3=Isin(ωt+120°)
也就是說三個逆變器輸出電流完全平衡。
3)功率關(guān)系在得出電壓電流關(guān)系式后,我們很容易得到該高壓變頻器各部分間的功率關(guān)系。很顯然三個逆變器的視在功率VA1,VA2,VA3為VA1=VA2=VA3=〔〕aEI,而整個高壓變頻器的視在功率VA為VA=〔〕aEI,也就是說三個逆變器均分了整個變頻器的輸出。
4)PWM策略
由于三個逆變器電壓、電流和功率完全對稱,因此三個逆變器可采用完全相同的控制規(guī)律,這時加在電機的線電壓等于一個逆變器輸出線電壓的三倍,相當(dāng)于一個兩電平的PWM高壓變頻器,這種方法雖然簡單,但由于dv/dt太大,不宜采用。
一種比較好的方法是將三個逆變器的PWM信號相互錯開1/3個開關(guān)周期,對SPWM來說就是三個逆變器各自采用一個三角波,且這三個三角波之間相位互差120°。圖13是采用這種方法后得到的電機線電壓波形,其中電壓頻率為40Hz,注入了15%的三
中高壓變頻器主電路拓撲結(jié)構(gòu)的分析比較
次諧波??梢钥闯鲞@就是一個線電壓為7電平的高壓變頻器,相當(dāng)于四電平變頻器的線電壓波形。
5)輸出變壓器輸出變壓器在本方案中起著十分重要的作用,也可能是本方案的薄弱環(huán)節(jié),因為太大容量的變壓器會限制它的應(yīng)用。一般情況下該變壓器可采用圖14所示結(jié)構(gòu)。從前面分析知道,輸出變壓器各繞組間的電壓有效值都為〔〕aE,且流過各繞組的電流相等,有效值都為,于是可得到該變壓器的容量為〔〕aE,也就是說輸出變壓器的容量為變頻器總?cè)萘康?/3,比高-低-高方案中的輸出變壓器的容量要小的多。
這種高壓變頻器方案具有如下突出的優(yōu)點:
1)以三個常規(guī)的變頻器為核心可構(gòu)成高壓變頻器;
2)三個常規(guī)變頻器平衡對稱運行,各自分擔(dān)總輸出功率的1/3;
3)整個變頻器的輸出可等效為7電平PWM輸出波形優(yōu)于普通三電平變頻器,與四電平變頻器相同??傊C波畸變THD0.3%,dv/dt也較低;
4)輸出變壓器的容量只需總?cè)萘康?/3,可以內(nèi)置,也可以外裝;
5)18脈波輸入二極管整流器,網(wǎng)側(cè)諧波小,功率因數(shù)高。8結(jié)語
功率器件串聯(lián)二電平電流型變頻器由于其本身的缺點,使用越來越受到限制。
單元串聯(lián)多重化變頻器是由于當(dāng)時功率器件耐壓太低的產(chǎn)物,系統(tǒng)復(fù)雜,器件數(shù)量多,體積龐大,故障率高;但卻歪打正著,贏得了無可比美的輸入輸出波形,堪稱“完美無諧波”;改進的方法是用高壓IGBT或IGCT組成功率單元,以減少單元數(shù),縮小體積,但卻是以犧牲波形為代價的,要加輸出濾波器,使諧波達標。
采用高壓IGBT、IGCT的三電平變頻器具有結(jié)構(gòu)簡單,可靠性高,器件數(shù)量少,效率高的優(yōu)點,在高壓供電面前,能用多電平,誰還會去用多重化呢?但波形稍差,需加LC輸出濾波器,即使如此其成本也比多重化變頻器低。目前由于器件耐壓的限制,輸出電壓只能達到4.16kV,若要輸出6kV,可采用電機Y/△改接的辦法,看來這是6kV電機節(jié)能改造最經(jīng)濟合理的方案。
變壓器耦合輸出高壓變頻器,有望用目前耐壓水平的器件實現(xiàn)6kV、10kV高壓輸出,是一種很有前途的新型高壓變頻方案。
隨著功率器件的不斷發(fā)展,在中等功率高壓變頻器中,GTO即將退出舞臺,而高壓IGBT、IGCT是很有發(fā)展前途的器件,是解決中高壓變頻的希望;IGCT由于其導(dǎo)通壓降低、損耗小而占有一定的優(yōu)勢,將成為高壓變頻器的主要功率器件。
評論