完美無(wú)諧波高壓IGBT變頻器

1前言

國(guó)外某公司利用一種新的高壓變頻技術(shù)，生產(chǎn)出功率為315kW～10000kW的完美無(wú)諧波高壓變頻器（PERFECTHARMONY），無(wú)需附加輸出變壓器實(shí)現(xiàn)了直接3kV或6kV高壓輸出；首家在高壓變頻器中采用了先進(jìn)的IGBT開(kāi)關(guān)器件；達(dá)到了完美的輸入輸出波形，無(wú)需附加任何濾波器就可以滿足各國(guó)供電部門對(duì)諧波的嚴(yán)格要求；輸入功率因數(shù)達(dá)到095以上；總體效率（包括輸入隔離變壓在內(nèi)）高達(dá)97％。達(dá)到這樣高指標(biāo)的原因是因?yàn)椴捎昧巳?xiàng)新的高壓變頻技術(shù)：一是在輸出逆變器部分采用了具有獨(dú)立電源單相橋式SPWM逆變器的直接串聯(lián)疊加；二是在輸入整流部分采用了多相多重疊加整流技術(shù)；三是在結(jié)構(gòu)上采用了功率單元模塊化技術(shù)。

2單相橋式SPWM逆變器的直接串聯(lián)疊加

單相橋式SPWM逆變器的直接串聯(lián)疊加法，是通過(guò)N個(gè)具有獨(dú)立直流電源的單相橋式SPWM逆變器直接串聯(lián)的方式級(jí)聯(lián)而成的，這是專為高壓大功率逆變器使用的一種串聯(lián)疊加法。此法是用N個(gè)依次移開(kāi)2π/N相位角的載波三角波，與同一個(gè)正弦調(diào)制波進(jìn)行比較產(chǎn)生出N組控制信號(hào)，用這N組控制信號(hào)（N組信號(hào)依次相差2π/N相位角）去依次控制N個(gè)具有獨(dú)立直流電源的單相橋式SPWM逆變器，使每一個(gè)單相橋式逆變器輸出相同的基波電壓，然后將N個(gè)單相橋式逆變器的輸出電壓串聯(lián)起來(lái)，就可以得到多電平SPWM無(wú)諧波電壓輸出，這種串聯(lián)不存在均壓?jiǎn)栴}。

21兩個(gè)單相橋式SPWM逆變器的串聯(lián)疊加

現(xiàn)個(gè)具有獨(dú)立直流電源單相橋式SPWM逆變器的直接串聯(lián)疊加電路如圖1所示。由于N=2，所以載波三角波的移相角α==π(=180°)。對(duì)于三相輸出逆變器來(lái)說(shuō)，其A相電路由兩個(gè)單相橋式SPWM逆變器A1和A2串聯(lián)組成。A1的載波三角波的移相角α=0；A2的載波三角波的移相角α=(=180°)。A1和A2的載波三角波用同一個(gè)A相的正弦波進(jìn)行調(diào)制。這樣就可以得到A1的輸出電壓up1、A2的輸出電壓up2。up1和up2具有相同的基波電壓。A1和A2串聯(lián)后的輸出電壓uA=up1＋up2就是輸出為正弦波的無(wú)諧波電壓、其波形如圖2所示。

圖1兩個(gè)單相橋式SPWM逆變器的串聯(lián)疊加

圖2A1及A2串聯(lián)疊加后的波形

為了求出單相橋式SPWM逆變器A1、A2的輸出電壓up1、up2的SPWM波形，必須先求出SPWM波形中各脈沖前、后沿a、b點(diǎn)的座標(biāo)，為此先列出載波三角波的方程式：

對(duì)于單相逆變器A1α=0

（1）

對(duì)于單相逆變器A2α=180°（2）

K=0，±1，±2…

調(diào)制波的方程式為：us(t)=Ussinωst（3）假定載波比，調(diào)制比。

對(duì)于單相逆變器A2的輸出電壓up2的波形，

在采樣點(diǎn)a：Ussinωst=－

令ωst=Y；ωct=X，

則X=2πK＋π－α－πMsinY

在采樣點(diǎn)b：X=2πK＋π－α＋πMsinY

從圖2中A2的up2波形可知：X=ωct在2πK＋α到2π(K＋1)＋α區(qū)間內(nèi)，在a、b點(diǎn)之間得到up2的正脈沖，故可以得到up2的SPWM波的時(shí)間函數(shù)式為：up2(X，Y)=(4)Y=X

函數(shù)up2(X，Y)可以用雙重付里葉級(jí)數(shù)表示：up2(X，Y)=Aoo＋(AoncosnY＋BonsinnY)＋(AmocosmX＋BmosinmY)＋{Amncos(mX＋nY)＋Bmnsin(mX＋nY)}

式中：Amn＋jBmn=up2(X，Y)

將式（4）代入上式得：Amn＋jBmn==

由貝塞爾函數(shù)得：所以：Amn＋jBmn=

·〔〕=j(5)

當(dāng)n為零或偶數(shù)時(shí)，=0，Amn＋jBmn=0，

當(dāng)n為奇數(shù)時(shí)，=2所以：Amn＋jBmn=jJn(mMπ)

·〔cosm(π－α)＋jsinm(π－α)〕Amn=－Jn(mMπ)sinm(π－α)；Bmn=Jn(mMπ)cosm(π－α)當(dāng)m=0時(shí)=1Aon＋Bon=up2(X，Y)

因?yàn)閡p2(X，Y)是奇函數(shù)，故得：

Aon=0Bon=up2(X，Y)=

當(dāng)n=1時(shí)，Bo1=ME；當(dāng)n≠1時(shí)，Bon=0

故得up2的SPWM波形的雙重付里葉級(jí)數(shù)式為：up2(t)=MEsinωst＋cosm(π－α)·sin〔(mF＋n)ωst〕－sinm(π－α)