IGBT高壓變頻調(diào)速電源

圖4兩功率單元串聯(lián)變頻器的電氣連接

功率單元串聯(lián)而成，不是用傳統(tǒng)的器件串聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)高壓輸出，所以不存在器件均壓?jiǎn)栴}。每個(gè)功率單元承受全部的輸出電流，但僅承受1/5的輸出相電壓和1/15的輸出功率。變頻器采用多重化PWM技術(shù)，圖1變頻器由5對(duì)（每對(duì)含正反相信號(hào)）依次相移12°的三角載波對(duì)基波電壓進(jìn)行調(diào)制。對(duì)A相基波調(diào)制所得的5個(gè)信號(hào)，分別控制A1～A55個(gè)功率單元，經(jīng)疊加即可得圖3所示具有11級(jí)階梯的相電壓波形。它相當(dāng)于30脈波變頻，理論上29次以下的諧波都可以抵消，總的電壓和電流失真可分別低至1.2％和0.8％，堪稱“完美無(wú)諧波”（Harmony）變頻器。它的輸入功率因數(shù)可達(dá)0.95以上，不必設(shè)置輸入濾波器和功率因數(shù)補(bǔ)償裝置。該系列變頻器同一相的功率單元輸出相同的基波電壓，串聯(lián)各單元之間的載波錯(cuò)開一定的相位，每個(gè)功率單元的IGBT開關(guān)頻率若為600Hz，則當(dāng)每相有5個(gè)功率單元串聯(lián)時(shí)，等效的輸出相電壓開關(guān)頻率為6kHz。功率單元采用低的開關(guān)頻率可以降低開關(guān)損耗，而高的等效輸出開關(guān)頻率和多電平可大大改善輸出波形。波形改善除減小輸出諧波外，還可降低噪音、du/dt值和電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。所以這種變頻器用于調(diào)速電源對(duì)電機(jī)無(wú)特殊要求，可用于普通的高壓電機(jī)，且不必降額，對(duì)輸出電纜長(zhǎng)度也沒(méi)有特殊限制。

電壓型功率單元由于有足夠的濾波電容，變頻器可承受－30％電源電壓下降和5個(gè)周期電源喪失。這種主電路拓樸結(jié)構(gòu)雖然使器件數(shù)量增加，但由于IGBT驅(qū)動(dòng)功率很低（峰值為5W左右，平均不到1W），且不必采用均壓電路、吸改電路和輸出濾波器，使變頻器效率高達(dá)96％以上。

由功率單元構(gòu)成高壓變頻器的另一種方案是采用高壓IGBT器件，以減少串聯(lián)功率單元。例如，用3.3kVIGBT器件，由兩個(gè)功率單元串聯(lián)的PWM電壓源變頻器，可輸出4160V中壓；若欲6000V高壓輸出，則只要用三單元串聯(lián)。功率單元和器件數(shù)量減少，損耗和故障率也減少。圖4為由兩功率單元串聯(lián)的變頻器電氣連接圖。由于輸出電壓電平級(jí)數(shù)減少，為獲得優(yōu)良性能，這時(shí)變頻器需帶有輸出濾波器。

上述變頻器的每一功率單元都從一個(gè)由微處理器構(gòu)成的中央控制器接受命令，控制和通訊信號(hào)由光導(dǎo)纖維傳送，能維持5kV的絕緣并保證良好的抗干擾性和可靠性。另外，由于采用模塊化結(jié)構(gòu)，所有功率單元完全相同，可以互換，每個(gè)功率單元與裝置的聯(lián)系僅為3個(gè)交流輸入、2個(gè)交流輸出及三路通信插頭，單元的維修更換十分方便；如采用功率單元旁路技術(shù)，可使變頻器在功率單元損壞的情況下繼續(xù)降額運(yùn)行。

4結(jié)語(yǔ)

工業(yè)中，中、高壓電動(dòng)機(jī)有著大量的應(yīng)用。要實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速，以前多采用所謂“高低高”方案，即中間仍采用低壓變頻器，而在它的輸入和輸出兩邊分別用降壓和升壓變壓器來(lái)適配電壓等級(jí)。這樣可利用價(jià)格相對(duì)較低、使用已很普遍的低壓變頻器。但這種方式，中間環(huán)節(jié)電流大，加上升降壓變壓器的損耗，系統(tǒng)效率低，體積龐大，可靠性下降?，F(xiàn)在，已有了上述兩種結(jié)構(gòu)的高壓變頻器產(chǎn)品，采用直接變頻調(diào)速，特別是1000kW以上的大功率電動(dòng)機(jī)，無(wú)疑是更為合理的選擇。而且可以預(yù)計(jì)，隨著技術(shù)的進(jìn)步，在電力傳動(dòng)領(lǐng)域，二十一世紀(jì)將是高壓變頻器大顯神威的年代。