關(guān)于中、高壓變頻器的一些知識(shí)

摘要：中、高壓變頻器主電路不像低壓變頻器那樣，至今還沒有統(tǒng)一的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它們從功率開關(guān)器件，到整流器和逆變器都有多種形式，介紹了這些方面的知識(shí)，以供選用時(shí)進(jìn)行分析比較。關(guān)鍵詞：高壓變頻器；集成門極換相晶閘管；三電平；多重化；PWM整流器

在低壓變頻調(diào)速完全成熟、并獲得廣泛應(yīng)用之后，現(xiàn)在不少?gòu)S家對(duì)中、高壓電機(jī)采用變頻調(diào)速正在躍躍欲試，猶如十多年前開始推廣應(yīng)用低壓變頻調(diào)速的情勢(shì)一樣（在電氣傳動(dòng)領(lǐng)域，將2.3～10kV習(xí)慣上稱作高壓，而與電網(wǎng)電壓相比，只能算作中壓）。然而不像是低壓變頻器，無(wú)論哪種產(chǎn)品，它們的主電路形式基本相同，而中、高壓變頻器則到目前為止，還沒有近乎統(tǒng)一的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。為此，本文就目前中、高壓變頻器的有關(guān)知識(shí)作些闡述和介紹，以供選用時(shí)進(jìn)行分析比較。 1功率開關(guān)器件

中、高壓變頻器首先依賴于高電壓、大電流的電力電子器件。目前應(yīng)用于中、高壓變頻器的電力電子器件主要有下列幾種。

11GTO

門極可關(guān)斷（GTO）晶閘管是目前能承受電壓最高和流過(guò)電流最大的全控型（亦稱自關(guān)斷）器件。它能由門極控制導(dǎo)通和關(guān)斷，具有電流密度大、管壓降低、導(dǎo)通損耗小、dv/dt耐量高等突出優(yōu)點(diǎn)，目前已達(dá)6kV/6kA的生產(chǎn)水平，最適合大功率應(yīng)用。但是GTO有不足之處，那就是門極為電流控制，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，驅(qū)動(dòng)功率大（關(guān)斷增益β=3～5）；關(guān)斷過(guò)程中內(nèi)部成百甚至上千個(gè)GTO元胞不均勻性引起陰極電流收縮（擠流）效應(yīng)，必須限制dv/dt。為此需要緩沖電路（亦稱吸收電路），而緩沖電路既增大體積、重量、成本，又徒然增加損耗。另外，“拖尾”電流使關(guān)斷損耗大，因而開關(guān)頻率低。

12IGBT

絕緣柵雙極晶體管（IGBT）是后起之秀，它是一種復(fù)合型全控器件，具有MOSFET（輸入阻抗高、開關(guān)速度快）和GTR（耐壓高、電流密度大）二者的優(yōu)點(diǎn)。柵極為電壓控制，驅(qū)動(dòng)功率??；開關(guān)損耗小，工作頻率高；沒有二次擊穿，不需緩沖電路；是目前中等功率電力電子裝置中的主流器件。除低壓IGBT（1700V/1200A）外，已開發(fā)出高壓IGBT，可達(dá)3.3kV/1.2kA或4.5kV/0.9kA的水平。IGBT的不足之處是，高壓IGBT內(nèi)阻大，因而導(dǎo)通損耗大；低壓IGBT用于高壓需多個(gè)串聯(lián)。

13IGCT和SGCT

在GTO的基礎(chǔ)上，近年開發(fā)出一種門極換流晶閘管（GCT），它采用了一些新技術(shù)，如：穿透型陽(yáng)極，使電荷存儲(chǔ)時(shí)間和拖尾電流減小，制約了二次擊穿，可無(wú)緩沖器運(yùn)行；加N緩沖層，使硅片厚度以及通態(tài)

(d)輸出電流

(a)電壓型

(b)電流型

(c)輸出電壓

圖1交直交單相逆變器主電路及其輸出波形

損耗和開關(guān)損耗減少；特殊的環(huán)狀門極，使器件開通時(shí)間縮短且串、并聯(lián)容易。因此，GCT除有GTO高電壓、大電流、低導(dǎo)通壓降的優(yōu)點(diǎn)，又改善了其開通和關(guān)斷性能，使工作頻率有所提高。

為了盡快（例如1μs內(nèi)）將器件關(guān)斷，要求在門極PN不致?lián)舸┑模?0V下能獲得快于4000A/μs的變化率，以使陽(yáng)極電流全部經(jīng)門極極快泄流（即關(guān)斷增益為1），必須采用低電感觸發(fā)電路（例如門極電路最大電?lt;5nH）。為此，將這種門極電路配以MOSFET強(qiáng)驅(qū)動(dòng)與GCT功率組件集成在一起，構(gòu)成集成門極換流晶閘管（IGCT）。其改進(jìn)形式之一則稱為對(duì)稱門極換流晶閘管（SGCT）。兩者具有相似的特性。IGCT還可將續(xù)流二極管做在同一芯片上集成逆導(dǎo)型，可使裝置中器件數(shù)量減少。

表1為GTO、IGCT、IGBT一些能數(shù)的比較。可以看出，在1kHz以下，IGCT有一定優(yōu)點(diǎn)；在較高工作頻率下，高壓IGBT更具優(yōu)勢(shì)。

表1GTO、IGCT、IGBT參數(shù)比較器件GTOIGCTIGBT
通態(tài)壓降/V3.21.93.4
門極驅(qū)動(dòng)功率/W80151.5
存儲(chǔ)時(shí)間/μs201～3.40.9
尾部電流時(shí)間/μs1500.70.15
工作頻率/kHz0.5120
除上述三種器件外，現(xiàn)在還在開發(fā)一些新器件，例如新型大功率IGBT模塊——“注入增強(qiáng)柵極晶體管”（IEGT），它兼有IGBT和GTO二者優(yōu)點(diǎn)，即開關(guān)特性相當(dāng)于IGBT，工作頻率高，柵極驅(qū)動(dòng)功率小（比GTO小二個(gè)數(shù)量級(jí)）；而由于電子發(fā)射區(qū)注入增強(qiáng)，使器件的飽和壓降進(jìn)一步減??；功率相同時(shí)，緩沖電路的容量為GTO的1/10，安全工作區(qū)寬?，F(xiàn)已有4.5kV/1kA的器件，可望在高頻下獲得應(yīng)用。

2逆變器主電路

21逆變器的兩種型式

交直交變頻器依據(jù)直流電路濾波及緩沖無(wú)功能量所采用的元件不同而分為電壓（源）型（VSI）和電流（源）型（CSI）。前者采用電容濾波〔見圖1（a）〕，直流電路的電壓波形比較平直，輸出阻抗小，電壓不易突變；交流輸出為方波電壓或方波電壓序列，電流經(jīng)過(guò)電動(dòng)機(jī)繞組的濾波后接近于正弦波。后者采用電感濾波〔見圖1(b)〕，直流電路的電流波形比較平直，輸出阻抗大，電流不易突變；交流輸出為方波電流，電壓由輸出電流及負(fù)載決定。

電壓型變頻器直流電路由于存在有極性的大電容，不允許直流電壓反向，整流器因其單向?qū)щ娦?，電流也不能反向，無(wú)法通過(guò)它回饋能量，電動(dòng)機(jī)如欲再生制動(dòng)，必須另外反并聯(lián)一套相控整流器，如圖2(a）和圖2(b）所示，所以適用于風(fēng)機(jī)、水泵等不可逆?zhèn)鲃?dòng)。電流型變頻器直流電路接的是大電感，雖電流方向不變，但允許電壓反向，可以通過(guò)觸發(fā)控制角α和β改變逆變器和可控整流器的電壓極性來(lái)回饋能量，電動(dòng)機(jī)能方便地實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)，如圖2（c)和圖2(d)所示，所以適用于頻繁起制動(dòng)和可逆運(yùn)行的場(chǎng)合。也正因?yàn)閮烧唠妷?、電流方向的特點(diǎn)，電壓型逆變器必須有續(xù)流二極管，將負(fù)載電動(dòng)機(jī)的能量通過(guò)它回饋，而電流型逆變器則不需要續(xù)流二極管。

此外，電壓型逆變器的輸出動(dòng)態(tài)阻抗?。粚?duì)電力電子器件的耐壓要求較低，但當(dāng)負(fù)載出現(xiàn)短路或在變頻器運(yùn)行狀態(tài)下投入負(fù)載，都易出現(xiàn)過(guò)電流，必須在極短的時(shí)間內(nèi)施加保護(hù)措施。電流型逆變器的情況則相反，輸出動(dòng)態(tài)阻抗大；對(duì)器件的耐壓要求較高，但因有大電感，可限制短路電流，易采取過(guò)流保護(hù)措施。不過(guò)，電流型變頻器由于電源側(cè)采用三相橋式晶閘管可

關(guān)于中、高壓變頻器的一些知識(shí)

圖2電壓型和電流型逆變器的電動(dòng)和再生制動(dòng)

(a)電壓型電動(dòng)(b)電壓型再生制動(dòng)

(c)電流型電動(dòng)(d)電流型再生制動(dòng)

(a)單相SPWM

(b)三相SPWM

圖3SPWM波形

控整流電路，輸入功率因數(shù)低，且隨轉(zhuǎn)速降低而降低；輸入電流諧波大；還會(huì)產(chǎn)生較大的共模電壓，施加到電動(dòng)機(jī)定子繞組中心點(diǎn)和地之間，影響電動(dòng)機(jī)絕緣。另外，對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)也較為敏感。

22減少諧波的方法

在交直交變頻器的結(jié)構(gòu)中，由于逆變器輸出的是方波交流，其中必然包含各次諧波，見圖1(c)和圖1(d)。

諧波的存在，會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn)；噪音加大；對(duì)電機(jī)絕緣有附加dv/dt、di/dt應(yīng)力，影響壽命；諧波電流使電機(jī)發(fā)熱，損耗增加，對(duì)一般電機(jī)不得不“降頻”使用”；對(duì)輸出電纜長(zhǎng)度也有限制。如果安裝諧波濾波器來(lái)抑制諧波對(duì)電網(wǎng)的影響，除增加設(shè)備外，還因?yàn)V波器的制造與電網(wǎng)參數(shù)有關(guān)，一旦參數(shù)有變，又得重新調(diào)諧，相當(dāng)麻煩。為此，在中、高壓變頻器中不僅像和低壓變頻器一樣，全采用脈寬調(diào)制（PWM）外，還普遍采用多重化聯(lián)接，即將相同的幾個(gè)逆變器輸出矩形交流的相位錯(cuò)開，然后迭加成梯形波。例如，圖3(a)和圖3(b)為正弦脈寬調(diào)制（SPWM）的單相和三相波形。分別為單極式和雙極式SPWM，圖3(b)中的a）為三相調(diào)制波和三角波b)、c)、d)分別為A、B、C相電壓，e)為線電壓。圖4(a)和圖4(b)則示出一種二重化的電路和輸出電壓波形。它已不含11次以下的諧波。

23中、高壓逆變器結(jié)構(gòu)

除減小諧波外，為了承受高電壓，在中、高壓變頻器中逆變器的主電路目前采用如下一些結(jié)構(gòu)。 231橋臂器件直接串聯(lián)

這種變頻器的主電路如圖5所示。這是電流型變頻器（為了對(duì)接地短路也實(shí)現(xiàn)保護(hù)，把濾波電感分為兩半），虛線框內(nèi)為逆變器部分，功率開關(guān)器件采用GTO。這種電路簡(jiǎn)單、可靠，所用功率器件較少，但因各器件的動(dòng)態(tài)電阻和極電容不同，存在穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)均壓?jiǎn)栴}，采取與器件并聯(lián)R和RC的均壓措施（圖5中只示意一個(gè)器件的均壓電路），會(huì)使電路復(fù)雜，損耗增加；同時(shí)，器件串聯(lián)對(duì)驅(qū)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(dǎo)通和關(guān)斷，否則，由于各器件通、斷時(shí)間不一，承受電壓不均，會(huì)導(dǎo)致器件損壞，甚至整個(gè)裝置崩潰。GTO器件需加緩沖電路（圖中示出一種典型的RCD電路）。

232三電平逆變器

三電平逆變器主電路如圖6(a)所示。直流環(huán)節(jié)由電容C1、C2分成兩個(gè)電壓，屬電壓型逆變器。每相橋臂有四個(gè)功率開關(guān)器件（可采用GTO、IGBT或IGCT），每個(gè)均并有續(xù)流二極管。以A相為例，其中1、4為主管，2、3為輔管。輔管與二極管5、6一道鉗制輸出端電位等于中點(diǎn)0點(diǎn)電位（所以也稱中心點(diǎn)鉗位逆變器），通過(guò)控制功率器件1～4的開通、關(guān)斷，在橋臂輸出點(diǎn)可獲得三種不同電平。例如，在2導(dǎo)通情況下，由1、3的交替通、斷，A相電壓可獲得＋、0兩種電平（或者說(shuō)，2、4保持通、斷不變，1、3由通、斷→斷、通時(shí)，A端電位由＋→0）；在3導(dǎo)通情況下，由2、4的交替通、斷，A相可獲得0、－兩種電平（或者說(shuō)，1、3保

(a)電路圖

(b)輸出電壓波形圖

圖4逆變器電壓疊加

圖5逆變器橋臂器件直接串聯(lián)的變頻器主電路