非PWM功率單元在完美無諧波高壓變頻器中的應(yīng)用
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功率單元為三相輸入單相輸出的交－直－交pwm電壓源型變頻器，移相變壓器的副邊輸出三相交流電經(jīng)功率單元的三相二極管整流后，經(jīng)濾波電容形成平直的直流電，再經(jīng)過4個igbt構(gòu)成的h型單相逆變橋，實(shí)行pwm控制。逆變器輸出采用多電平移相式pwm技術(shù)，同一相的功率單元，輸出相同幅值和相位的基波電壓，但串聯(lián)各單元的載波之間互相錯開一定電角度，實(shí)現(xiàn)多電平pwm，疊加以后輸出電壓的等效開關(guān)頻率和電平數(shù)大大增加，輸出電壓非常接近正弦波。每個功率單元脈沖控制都是采用spwm控制，逆變器的控制脈沖波形，由參考正弦波和三角波比較產(chǎn)生。
3 非pwm（npwm）功率單元
3.1 非pwm功率單元的電路及特點(diǎn)
如上所述，普通pwm功率單元已經(jīng)很好的完成了接近正弦波的輸出，但是這種pwm方式還是無法避免電網(wǎng)污染和電磁干擾現(xiàn)象。綜合過去知識沉淀，在普通功率單元結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上提出了獨(dú)特的一種功率單元實(shí)現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。
非pwm功率單元由如下兩部分構(gòu)成：輸入單元部分由晶閘管三相可控整流橋所組成，輸出單元部分由igbt構(gòu)成的逆變橋所組成，其輸出電壓狀態(tài)為1，0，-1。如果每相由五個單元疊加而成那么就可以產(chǎn)生11種不同的電壓等級，由此，完美無諧波系統(tǒng)變頻就可以合成更加完美的正弦輸出電壓波形。
該功率單元結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：
（1） 輸出電壓的幅值的調(diào)節(jié)是由反并聯(lián)可逆邏輯無環(huán)流可控整流電路來實(shí)現(xiàn)。（ud=2.34u2cosα）
（2） 輸出電壓的頻率的變化是由逆變單元模塊來實(shí)現(xiàn)的，整個系統(tǒng)將調(diào)壓和調(diào)頻分開來進(jìn)行，但變頻又變壓的原理保持不變。
?。?） 反并聯(lián)可逆邏輯無環(huán)流整流側(cè)可自動實(shí)現(xiàn)能量回饋，達(dá)到節(jié)省能源的目的。
?。?）由于輸出逆變模塊的開關(guān)頻率不會高于輸出頻率，因此避免了傳統(tǒng)的pwm方式所造成的電網(wǎng)污染和電磁干擾現(xiàn)象，這將預(yù)示著一種新型的節(jié)能綠色高壓變頻器的誕生－非pwm（npwm）功率單元高壓變頻器。
采用反并聯(lián)可逆邏輯無環(huán)流整流，不但可以很好的完成整流功能，還能實(shí)現(xiàn)能量回饋，把多余的能量回送到電網(wǎng)，節(jié)省了能源消耗。由于這種無環(huán)流可逆系統(tǒng)采用控制原則是兩組橋在任意時(shí)刻只有一組投入工作，另一組關(guān)斷，所以在兩組橋之間不存在環(huán)流。變流器之間的切換過程是由邏輯單元控制的，因此稱為邏輯無環(huán)流系統(tǒng)。
矩形波調(diào)制原理與原來三角波調(diào)制類似，在正弦波作調(diào)制波的情況下，把原來的三角波換成了矩形波做載波。以一個功率單元為例，用矩形波去截同頻率的正弦波，當(dāng)正弦波的幅值大于矩形波幅值時(shí)，使之有電壓輸出，其余時(shí)間內(nèi)使輸出為零，即可得到一個功率單元的輸出。用9個單元的輸出相疊加，即可得到完美接近正弦波的電壓輸出。
輸入側(cè)隔離變壓器二次繞組經(jīng)過移相降壓，為每個功率單元提供獨(dú)立電源，對6kv而言相當(dāng)于30脈沖不可控整流輸入，消除了大部分由單個功率單元所引起的諧波電流，極大地抑制了網(wǎng)側(cè)諧波的產(chǎn)生；變頻器引起的網(wǎng)側(cè)諧波含量可滿足《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》對諧波含量的最嚴(yán)格要求，無需安裝輸入濾波器，并保護(hù)周邊設(shè)備免受諧波干擾。正常調(diào)速范圍內(nèi)功率因數(shù)大于0.95，無需功率因數(shù)補(bǔ)償電容；采用矩形波做載波，大大削弱了輸出諧波含量，輸出波形接近完美正弦波，無需輸出濾波器裝置，就可使總諧波含量（thd）降低到2%以下。
采用反并聯(lián)電路雖然增加了晶閘管的數(shù)量。看似提高了成本，但是由于逆變部分采用與正弦波同頻率的矩形波做載波，大大降低了管子的頻率，在批量生產(chǎn)的情況下，又可以用低頻開關(guān)管來替代高價(jià)的igbt，因此降低了成本；由于無高頻，省略了高頻保護(hù)電路，除了可以減小電網(wǎng)污染以外，還降低了成本。所以這種設(shè)計(jì)不但可以彌補(bǔ)由增加晶閘管造成的成本增加，還可以進(jìn)一步降低總成本。
3.2 非pwm功率單元的計(jì)算機(jī)仿真
普通高壓變頻器中每個單元輸出的pwm波的調(diào)制機(jī)理是由正弦波作信號波，三角波作載波調(diào)制產(chǎn)生的。而非pwm功率的實(shí)現(xiàn)思想則迥然不同，在每個單元采用頻率不變，幅值變化的矩形波作載波，來調(diào)制輸出所需要的非pwm波。
我們對額定輸出電壓為10kv的變頻器進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真，每相由九個額定電壓為650v的功率單元串聯(lián)而成，輸出相電壓最高可達(dá)5850v，線電壓可達(dá)10kv左右。非pwm功率單元的仿真電路如圖4所示，仿真結(jié)果如圖5所示。
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