電源：高壓變頻器原理

21ic電源：1 高壓變頻器中，什么是高高方式?什么是高-低-高方式?

答：高高方式高壓變頻器是指變頻器直接使用高壓電源作為輸入，且直接輸出高壓供高壓電機(jī)使用(輸入輸出不需要升降壓變壓器)。高高方式主要用在大功率高壓電機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能場(chǎng)合。

高低高方式變頻器是高壓電源經(jīng)降壓變壓器降壓后，用低壓變頻器進(jìn)行變頻控制，再用升壓變壓器把電壓升到所需電壓，供高壓電機(jī)使用，高低高方式主要用在小功率高壓電機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能場(chǎng)合。

2 高壓變頻器中，什么是交-直-交方式?什么是交-交方式?

答： 無(wú)論是電流源型還是電壓源型變頻器，其原理都是將電網(wǎng)交流電經(jīng)全波整流電路整流成直流電。然后又經(jīng)逆變電路“逆變”成頻率和電壓均可調(diào)的三相交流電作為三 相異步電動(dòng)機(jī)的變頻電源。可見(jiàn)，在變頻器的輸入和輸出之間，經(jīng)歷了“交流原直流原交流”的過(guò)程，故稱為“交原直原交”變頻。

如圖1 所示，交原交方式變頻器主要分為晶閘管交原交變頻器和矩陣式變換器兩種，其特征是將交流電源不經(jīng)過(guò)整流環(huán)節(jié)，而是直接通過(guò)控制開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷來(lái)獲取頻率可變的交流電壓，中間沒(méi)有直流環(huán)節(jié)，所以成為交原交方式。

3 什么是電壓源型變頻器?什么是電流源型變頻器?各有哪些優(yōu)缺點(diǎn)?

答：根據(jù)直流電路中濾波方式的不同，變頻器被分為電壓源型和電流源型兩種，如圖2 所示。

1)電壓源型變頻器直流電路采用電容器濾波。在波峰(電壓較高)時(shí)，由電容器儲(chǔ)存電能場(chǎng)，在波谷(電壓較低)時(shí)，電容器將釋放電場(chǎng)能來(lái)進(jìn)行補(bǔ)充，從而使直流電壓保持平穩(wěn)。直流電路是一個(gè)電壓源，故稱為電壓源型。其特點(diǎn)是：

(1)直流側(cè)并聯(lián)大電容，相當(dāng)于電壓源。直流電壓基本無(wú)脈動(dòng)，直流回路呈現(xiàn)低阻抗。

(2)由于直流電壓源的箝位作用，交流側(cè)輸出的電壓波形為矩形波，并且與阻抗角無(wú)關(guān)。而交流側(cè)輸出的電流波形和相位因負(fù)載阻抗情況的不同而不同。

(3)當(dāng)交流側(cè)為阻抗負(fù)載時(shí)需要提供無(wú)功功率，直流側(cè)電容起緩沖無(wú)功能量的作用。因?yàn)榉答仧o(wú)功能量時(shí)電流要反相，所以開(kāi)關(guān)器件兩端需要反并聯(lián)二極管。

2)電流源型變頻器直流電路采用電抗器濾波。在波峰(電流較大)時(shí)，由電

抗器儲(chǔ)存磁場(chǎng)能，在波谷(電流較小)時(shí)，電抗器將釋放磁場(chǎng)能來(lái)進(jìn)行補(bǔ)充，從而使直流電流保持平穩(wěn)。直流電路是一個(gè)電流源，故稱為電流源型。其特點(diǎn)是：

(1)直流側(cè)串聯(lián)大電感，相當(dāng)于電流源。直流電流基本無(wú)脈沖，直流回路呈現(xiàn)高阻抗。

(2)由于開(kāi)關(guān)器件僅改變直流電流的流通路徑，因此交流側(cè)輸出電流波形為矩形波，并且與阻抗角無(wú)關(guān)。而交流側(cè)輸出電壓波形和相位因負(fù)載阻抗情況的不同而不同。

(3)當(dāng)交流側(cè)為阻抗負(fù)載時(shí)需要提供無(wú)功功率，直流側(cè)電感起到緩沖無(wú)功能量的作用。因?yàn)榉答仧o(wú)功能量時(shí)直流電流并不反相，因此不必像電壓源逆變電路那樣要給開(kāi)關(guān)器件反并聯(lián)二極管。

4 什么是單元串聯(lián)型高壓變頻器?什么是器件串聯(lián)型高壓變頻器?

答：?jiǎn)卧?lián)型高壓變頻器是利用低壓?jiǎn)蜗嘧冾l器串聯(lián)來(lái)彌補(bǔ)功率器件IGBT 的耐壓能力不足。每個(gè)功率單元本身即是一個(gè)低壓變頻器，結(jié)構(gòu)和性能完全一樣，具有可互換性和批量生產(chǎn)性。

器 件串聯(lián)型高壓變頻器如圖猿所示，可以看出，系統(tǒng)由電網(wǎng)高壓直接經(jīng)高壓斷路器進(jìn)入變頻器，經(jīng)過(guò)高壓二極管全橋整流，直流平波電抗器和電容濾波，再經(jīng)逆變器逆 變，加上正弦波濾波器，簡(jiǎn)單易行地實(shí)現(xiàn)高壓變頻輸出，直接供給高壓電動(dòng)機(jī)。其主要特點(diǎn)是將IGBT直接串聯(lián)來(lái)解決器件耐壓不足的問(wèn)題，采用二電平電壓源型 高壓變頻器已有的成熟技術(shù)，如結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，效率高，成本低等。

5 什么是三電平變頻方式?

答：三電平變頻器原理如圖源所示。在PWM電壓源型變頻器中，當(dāng)輸出電壓較高時(shí)，為了避免器件串聯(lián)引起的靜態(tài) 和動(dòng)態(tài)均壓?jiǎn)栴}，同時(shí)降低輸出諧波及dv/dt的影響，逆變器部分可以采用中性點(diǎn)箝位的三電平方式(Neutral Point Clamped，NPC)。逆變器的功率器件可采用高壓絕緣柵雙極型晶體管IGBT或集成門(mén)極換流晶閘管IGCT。三電平變頻器采用的箝位電路，解決了兩 只功率器件串聯(lián)的問(wèn)題，并使相電壓輸出具有三個(gè)電平。三電平逆變器的主回路結(jié)構(gòu)環(huán)節(jié)少，雖然為電壓源型結(jié)構(gòu)，但易于實(shí)現(xiàn)能量回饋。三電平變頻器在國(guó)內(nèi)市場(chǎng) 遇到的最大難題是輸出電壓?jiǎn)栴}，其最大輸出電壓達(dá)不到6 kV，所以往往需要采用變通的方法，要么改變電動(dòng)機(jī)的電壓(或進(jìn)行星/三角改接)，要么在輸出側(cè)加升壓變壓器。這一弱點(diǎn)限制了它的廣泛應(yīng)用。目前也有器件 串聯(lián)三電平變頻器，或裂相三電平(每相用一個(gè)單相三電平變頻器)變頻器，如ABB公司的ACS5000系列。

6 為什么單元串聯(lián)型高壓變頻器要采用移相變壓器輸入?

答：這是因?yàn)?/p>

1)單元串聯(lián)多重化電壓源型高壓變頻器是利用功率單元串聯(lián)來(lái)彌補(bǔ)功率器件IGBT 的耐壓能力不足。隔離變壓器為功率單元提供690 V的電壓輸入。

2)功率單元串聯(lián)之后，每個(gè)功率單元電壓大小不會(huì)時(shí)刻相同，隔離變壓器為功率單元提供足夠的隔離電壓。

3)功率單元輸入端諧波電流很大，采用移相變壓器可以消除諧波，使得諧波電流不流入電網(wǎng)。