大功率變頻電源的優(yōu)化設(shè)計(jì)

0 引言

隨著我國(guó)加入WTO，工廠大功率進(jìn)口用電設(shè)備越來(lái)越多，生產(chǎn)線(xiàn)所用供電電源功率越來(lái)越大，對(duì)大功率變頻電源需求也越來(lái)越大，市場(chǎng)前景十分看好。

目前市場(chǎng)上的大功率變頻電源在使用中不同程度地暴露出一些問(wèn)題，例如對(duì)電網(wǎng)污染問(wèn)題和整機(jī)可靠性問(wèn)題，給用戶(hù)造成很大的不便。為滿(mǎn)足市場(chǎng)的需求，迫切需要研制可靠性高且環(huán)保的大功率變頻電源。為此我公司集中力量，完全按照國(guó)家軍標(biāo)要求，針對(duì)大功率變頻電源主電路功率器件上的電流大和電路的耗散功率大，散熱問(wèn)題嚴(yán)重以及對(duì)電網(wǎng)污染大等特點(diǎn)，主要從整流電路，吸收電路，過(guò)流保護(hù)和直流母線(xiàn)等方面對(duì)大功率變頻電源進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，研制出了高可靠性的700KVA的三進(jìn)三出的大功率變頻電源。

1　優(yōu)化方案

1.1 整流電路的改進(jìn)[ 1 ]

對(duì)三相輸入的變頻電源，一般采用三相橋式不可控整流，直流側(cè)采用電容濾波。這種電路輸入電流的基波分量相位與電源電壓相位大體相同，因而基波功率因數(shù)接近1。但其輸入電流的諧波分量卻很大，給電網(wǎng)造成嚴(yán)重污染，也使得總的功率因數(shù)很低。諧波使公用電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生了附加的諧波損耗，降低了發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的效率，大量的諧波流過(guò)中性線(xiàn)時(shí)會(huì)使線(xiàn)路過(guò)熱甚至發(fā)生火災(zāi)。諧波還會(huì)對(duì)鄰近的系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，重者使系統(tǒng)無(wú)法正常工作。

采用如圖1所示的12脈波整流電路，移相30°構(gòu)成串聯(lián)2重結(jié)電路，利用變壓器二次繞組接法的不同，使兩組三相交流電源間相位錯(cuò)開(kāi)30°，從而使整流輸出電壓在每個(gè)交流電源周期中脈動(dòng)12次，故為12脈波整流電路。變壓器二次繞組分別采用星形和三角形接法構(gòu)成相位角相差30°、大小相等的兩組電壓，接到相互連接的整流橋上。

即輸入電流諧波次數(shù)為 12K±1，其幅值與次數(shù)成反比而降低。這樣使得網(wǎng)側(cè)5次和7次諧波電流大大減少。

1.2 直流母線(xiàn)的設(shè)計(jì)[ 2]

目前國(guó)內(nèi)中小功率變頻電源的功率母線(xiàn)主要有以下幾種：

1）印刷電路板母線(xiàn)主要用于小功率的變頻電源，缺點(diǎn)是通過(guò)的電流小。

2）圓銅導(dǎo)線(xiàn)是最常用的功率母線(xiàn)，適用于中功率變頻電源，缺點(diǎn)是寄生電感大。

3）寬度2、3cm，厚度2、3mm的窄銅條，適用于中功率的變頻電源，缺點(diǎn)是寄生電感大。

隨著功率的加大，以上功率母線(xiàn)就不適合了，會(huì)帶來(lái)一些問(wèn)題， 大功率變頻電源的功率器件在開(kāi)關(guān)過(guò)程中，由于從直流儲(chǔ)能電容至IGBT器件之間的直流母線(xiàn)上的寄生電感和IGBT模塊自身電感的影響，會(huì)產(chǎn)生很高的尖峰電壓，這種尖峰電壓，會(huì)使器件過(guò)熱，甚至有時(shí)使IGBT失控并超過(guò)器件的額定安全工作區(qū)而損壞。因而，必須將開(kāi)關(guān)過(guò)程中產(chǎn)生的尖峰電壓限制在允許范圍內(nèi)，降低尖峰電壓一般有兩種方法：一是通過(guò)增加?xùn)艠O驅(qū)動(dòng)電阻來(lái)減小di/dt,但選擇合適的柵極驅(qū)動(dòng)電阻很困難，若驅(qū)動(dòng)電阻太大，導(dǎo)致dv/dt減小，開(kāi)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間延長(zhǎng)，增加了開(kāi)關(guān)損耗；二是減小直流回路功率母線(xiàn)的分布電感。由于上述幾種功率母線(xiàn)都存在著不同的缺點(diǎn)，為此采用迭層功率母線(xiàn)。

迭層功率母線(xiàn)基于電磁場(chǎng)理論，把連線(xiàn)做成扁平截面，在同樣截面下做得越薄越寬，它的寄生電感越小，相鄰導(dǎo)線(xiàn)內(nèi)流過(guò)相反的電流，其磁場(chǎng)抵消，也可使寄生電感減小。所謂迭層功率母線(xiàn)是以又薄又寬的銅排形式迭放在一起，各層之間用高絕緣強(qiáng)度的材料隔離，整個(gè)母線(xiàn)極之間的距離比較一致，以減少互感，各層銅排都在所需要的端子位置處同其他層可靠絕緣地引出，使所具有不同電位的端子表露在同一平面上，以便于把主電路中的所有器件與之相連。使用迭層功率母線(xiàn)將IGBT和整流管等模塊、散熱器、電容器組合在一起，迭層功率母線(xiàn)與器件之間的連接是用不同的端子和插接件等來(lái)完成的，以便相連接時(shí)的接觸表面與母線(xiàn)之間的接觸電阻非常小，也使得寄生電感成數(shù)量級(jí)地減小，從而使Ldi/dt的過(guò)電壓應(yīng)力降至最低，保證裝置工作在最佳狀態(tài)。

根椐電磁理論假設(shè)：

1）迭層功率母線(xiàn)的長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于寬度，同時(shí)寬度遠(yuǎn)大于厚度和兩塊正負(fù)極板之間的距離，則迭層功率母線(xiàn)在長(zhǎng)度方向上的磁感應(yīng)強(qiáng)度相同；

2）迭層功率母線(xiàn)為非鐵質(zhì)物質(zhì)，流過(guò)的電流為I，且均勻分布，則寬度方向的電流密度 d=I / b。則迭層功率母線(xiàn)的電感為：

1.3 增加直流偏磁電路

隨著變頻電源功率的加大，不得不考慮主變壓器的偏磁問(wèn)題，偏磁的后果是十分嚴(yán)重的，輕則會(huì)使變壓器和功率半導(dǎo)體模塊的功耗增加，溫升加劇，變壓器的機(jī)械噪聲增大，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)損壞功率器件，使變頻電源不能正常工作。因此，為了提高大功率變頻電源的可靠性，必須增加抗偏磁電路。

為解決SPWM全橋逆變器中存在的直流偏磁問(wèn)題，首先選擇飽和壓降和存儲(chǔ)時(shí)間特性一致的功率開(kāi)關(guān)管用于SPWM全橋逆變器，減小控制電路的脈寬失真和驅(qū)動(dòng)延時(shí)，其次變壓器鐵心加氣隙，增加鐵心的磁阻，提高變壓器抗直流偏磁的能力，最后采用抗偏磁電路。

由于在輸出變壓器中，勵(lì)磁電流一般僅占原邊電流的2％，因此原邊電流直流分量的檢測(cè)必須首先濾除勵(lì)磁電流中的基波及高頻成分，然后再將剩下的直流分量放大后用于控制。勵(lì)磁電流中直流分量的提取可先由霍爾電流傳感器檢測(cè)變壓器的原邊電流，再經(jīng)有源濾波，最后送到PID調(diào)節(jié)器中，其雙閉環(huán)控制原理框圖為如圖3所示。

實(shí)際上是通過(guò)對(duì)逆變器的輸出電流引入負(fù)反饋，限制主電路中的直流分量，以防止變壓器產(chǎn)生偏磁。這種抗偏磁電路的調(diào)節(jié)方法實(shí)現(xiàn)了直流偏磁的自動(dòng)調(diào)節(jié)，在各個(gè)工作點(diǎn)均能很好的防止直流偏磁的產(chǎn)生。

此方案優(yōu)點(diǎn)在于與過(guò)流保護(hù)共用一個(gè)檢測(cè)器件，節(jié)省費(fèi)用；當(dāng)發(fā)生直流偏磁時(shí)，變壓器勵(lì)磁電流以指數(shù)規(guī)律迅速增大，比檢測(cè)電壓糾偏的方法靈敏。

圖3 雙閉環(huán)控制原理框圖

1.4 吸收電路的改進(jìn)

通常，對(duì)于變頻電源CpE間的過(guò)壓一般采用如圖4所示的電路，安裝緩沖電路抑制集電極、發(fā)射極間過(guò)電壓。小功率用圖4A和圖4B組合，中大功率用圖4A和圖4C組合，但隨著變頻電源功率進(jìn)一步加大，這種組合就不適合了。以下做一下簡(jiǎn)單分析。

圖4 緩沖吸收電路

圖5為采用緩沖吸收電路的典型關(guān)斷電壓波形。

圖5典型關(guān)斷電壓波形

1.5 過(guò)流保護(hù)的改進(jìn)[ 3]

圖6為新的IGBT過(guò)流保護(hù)方法示意圖，新方案和以前的IGBT的過(guò)流方法相同之處是仍然采用分散過(guò)流保護(hù)與集中過(guò)流保護(hù)相結(jié)合的方法，不同之處在于：一是新方案采用霍爾傳感器，而不是用磁電流互感器；二是用霍爾傳感器檢測(cè)變壓器原邊電流，而不是輸出電流；三是在分散過(guò)流檢測(cè)通道串入快速光電耦合器，利用分散過(guò)流保護(hù)通道，響應(yīng)集中過(guò)流信號(hào)的要求，利用驅(qū)動(dòng)模塊內(nèi)部的過(guò)流保護(hù)電路對(duì)IGBT實(shí)施軟關(guān)斷，而不是硬關(guān)斷。

比較器A的第二腳接變壓器原邊電流轉(zhuǎn)換的電壓值，O1為快速光電耦合器HCPL4504，其輸出三極管與快恢復(fù)二極管相串聯(lián)，當(dāng)變壓器原邊電流沒(méi)有超過(guò)設(shè)定的閾值時(shí)，無(wú)集中過(guò)流信號(hào)，此時(shí)光耦的輸入側(cè)二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，在分散過(guò)流檢測(cè)通道中串入的光耦不會(huì)影響分散過(guò)流保護(hù)功能，當(dāng)變壓器原邊電流超過(guò)設(shè)定的閾值時(shí)，產(chǎn)生集中過(guò)流信號(hào)，此時(shí)光耦的輸入側(cè)二極管迅速關(guān)斷，快速光耦的輸出側(cè)三極管迅速關(guān)斷，M57962的1腳將懸空，此時(shí)IGBT如果仍處于導(dǎo)通狀態(tài)，則驅(qū)動(dòng)模塊內(nèi)部的過(guò)流保護(hù)電路就會(huì)動(dòng)作,對(duì)IGBT實(shí)施軟關(guān)斷保護(hù)。這樣，不論分散過(guò)流保護(hù)，還是集中過(guò)流保護(hù)，都能對(duì)IGBT實(shí)施軟關(guān)斷保護(hù)，防止過(guò)大的關(guān)斷電壓對(duì)IGBT造成損壞。

圖6新的IGBT過(guò)流保護(hù)

2，實(shí)物圖

圖7移相變壓器 圖8　外觀圖

3 結(jié)語(yǔ)

利用以上改進(jìn)措施，并嚴(yán)格按照國(guó)家軍標(biāo)要求，我們研制了三臺(tái)700KVA的三進(jìn)三出的大功率變頻電源，目前已安全無(wú)故障的運(yùn)行半年多，受到了用戶(hù)的一致好評(píng)。

參考文獻(xiàn)

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