IGBT高壓變頻調(diào)速電源

摘要：提出用于高壓電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速電源需考慮的串聯(lián)、諧波和效率等幾個(gè)問(wèn)題；介紹由全控型電力電子器件IGBT按多重化PWM控制技術(shù)構(gòu)成、目前已商品化的高壓變頻器，可用于中、高壓交流電動(dòng)機(jī)的直接變頻調(diào)速。

Abstract:This paper pointed out a few problems of series,harmonic and efficiency etc.,to be needed considering,it introduced constructed by all－ controlling power electronics device IGBT by means of multi－ PWM control technology,and this kind of convertor can be the used for direct frequency conversion governor of midolle/high－ voltage A.C mo tors.

關(guān)鍵詞：交流調(diào)速電源高壓變頻IGBT多重化

PWM Keywords:A.C.governor's PS， High－ voltage frequency conversion， IGBT,Multi－ PWM

1引言

眾所周知，電力傳動(dòng)中，交流電動(dòng)機(jī)較直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、價(jià)格便宜、維修方便，因而被大量使用。然而在起動(dòng)和調(diào)速性能方面，交流機(jī)較直流機(jī)麻煩或困難。

　　交流電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n0=60f/p?？梢?jiàn)，只要能連續(xù)地改變供電電源的頻率f，便能平滑地調(diào)節(jié)交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速（式中p為電機(jī)的極對(duì)數(shù)，只能有級(jí)且有限地改變）。

　　由于電力電子技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在由電力半導(dǎo)體器件構(gòu)成的靜止式變頻器已很成熟，因而交流電動(dòng)機(jī)的變壓變頻（VVVF）調(diào)速已日益普及，其優(yōu)越性亦廣為人們所熟知。

　　但是變頻調(diào)速至今主要還是應(yīng)用在中、小容量和低壓電機(jī)上，而在礦山、冶金、化工、石油、建材等工業(yè)部門(mén)和水廠、電廠，使用著大量的中、高壓風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)和攪拌機(jī)等，這些機(jī)械功率都在幾百千瓦以上，有的高達(dá)數(shù)千甚至上萬(wàn)千瓦，它們消耗的電能是非常可觀的。

此前，這類機(jī)械大多采用恒速交流傳動(dòng)，而以擋板、閥門(mén)或空放回流的辦法進(jìn)行輸出量的調(diào)節(jié)，白白損失大量的電能。因此，在這類機(jī)械上采用變頻調(diào)速，根據(jù)輸出量的要求用電氣手段改變輸出功率，對(duì)節(jié)能有著巨大意義。

2高壓變頻調(diào)速電源的幾個(gè)問(wèn)題

　　（1）串聯(lián)

按理，在裝置要求高壓而器件耐壓能力有限的情況下，可采用器件串聯(lián)的辦法來(lái)滿足。但是器件的串聯(lián)使用，因各器件的動(dòng)態(tài)電阻和極電容不同，而存在穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)均壓?jiǎn)栴}。如采取與器件并R和RC的均壓措施，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，由于各器件開(kāi)、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。

（2）諧波

這是所有交直交變頻器的共同問(wèn)題，但是在大功率變頻調(diào)速中更為突出。諧波污染電網(wǎng)，將殃及同一電網(wǎng)上的其它設(shè)備，甚至影響電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行，諧波電流也使電機(jī)發(fā)熱，損耗增加，功率因數(shù)下降，不得不“降額”使用。

（3）效率

裝置功率愈大，效率問(wèn)題也愈益重要。為提高效率，必須設(shè)法盡量減少功率開(kāi)關(guān)器件和變頻電源中的損耗。

基于上述幾方面的考慮，用全控型電力電子器件IGBT組成的、用于交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的高壓變頻器，采用“功率單元”串接的新型結(jié)構(gòu)，即用多個(gè)低壓的脈寬調(diào)制（PWM）逆變器作功率單元，將它們按多重化格式組成高壓變頻器，能較好地解決這幾個(gè)問(wèn)題。

3IGBT高壓變頻器

圖1（a）,(b)是一臺(tái)6000V變頻器的主電路拓樸和連接圖。每相由5個(gè)額定電壓為690V的功率單元

串聯(lián)，因此相電壓為5×690V=3450V，所對(duì)應(yīng)的線電壓為6000V（如果每相用4個(gè)480V的功率單元串接時(shí)，輸出線電壓則為3300V）。每個(gè)功率單元由輸入隔離變壓器的15個(gè)二次繞組分別供電，15個(gè)二次繞組分成5組，每組之間存在一個(gè)相位差。圖1(b)中以中間△接法為參考（0°），上下方各有兩套分別超前（＋）和滯后（－）12°,24°的4組繞組。所需相差角度可通過(guò)變壓器的不同聯(lián)接組別來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖1中的每個(gè)功率單元都是由絕緣門(mén)雙極晶體管（IGBT）構(gòu)成的三相輸入、單相輸出的低壓PWM電壓型逆變器，主電路見(jiàn)圖2。每個(gè)功率單元輸出電壓為1,0,－1三種狀態(tài)電平，每相5個(gè)單元疊加，就可產(chǎn)生11種不同的電平等級(jí)，分別為±5,±4,±3,±2,±1和0。圖3為一相合成的正弦輸出電壓波形。用這種多重化方法構(gòu)成的高壓變頻器，也稱為單元串聯(lián)多電平PWM電壓型變頻器。

圖1所示高壓變頻器，由于每相由5個(gè)690V的

圖16000V變頻器的主電路

圖2功率單元

圖3輸出電壓波形