一種新型變壓器耦合串聯(lián)中壓大功率變頻器

O 引言
近20年來，工業(yè)發(fā)達國家，尤其是日本、法國、德國都非常重視節(jié)能技術的發(fā)展和研究。他們一方面在高性能大容量交流電機傳動技術的研究和應用方面遠遠走在了前面，另一方面他們還大力開拓調速技術市場，不斷地擴大應用范圍，使電動機調速技術成為一個具有相當實力的產業(yè)部門。中功率級的變頻器已有產品大量投入市場，并應用于電力機車、船舶電力推進、軋鋼、造紙等高性能系統(tǒng)中。此外，其他70％的電動機也采用了各式各樣的調速節(jié)能技術，應用于各個領域，如風機、泵類、壓縮機、提升機、運輸機、破碎機、滾磨機、軋機、紡織機、卷煙機及空調機等設備的傳動中，遍及冶金、化工、發(fā)電、機械、建材、石油、交通、紡織、造紙、煤炭、農業(yè)等生產領域及國防部門，從而大大降低了單產能耗，并在相當程度上獲得了產品質量效益、產量效益和環(huán)保效益。
從20世紀80年代以來，我國在電動機調速技術的開發(fā)和應用方面有了較大的發(fā)展，但與發(fā)達國家相比還相當落后。國內調速裝置主要是晶閘管直流電機調速，大多數(shù)用于冶金、化工、礦井提升及石油鉆機等。這類系統(tǒng)雖然制造技術成熟，但有很多缺點：直流電機造價高，維護工作量大，對電網污染嚴重，正處于被淘汰狀態(tài)。在大功率交流調速方面國內也做了一些研究工作，并生產了一些國產交流凋速裝置，但大多數(shù)是晶閘管交一交變頻調速，成本高，性能差，對電網污染嚴重．功率因數(shù)低，無功損耗大。本文介紹一種新型變壓器耦合的串聯(lián)中壓大功率變頻器，其主要思路是用變壓器將3個三相半橋式常規(guī)逆變器單元的輸出電壓疊加起來，實現(xiàn)中壓輸出。并且3個常規(guī)逆變器可以采用同一種控制方式，使電路結構和控制方法大大簡化，很適合我國研制生產。
這種變頻器構思巧妙，性能優(yōu)越。

l 電路組成與工作原理
2000年E．Cengelci在文獻中提出了一種新型的變壓器耦合式三相半橋逆變器單元串聯(lián)疊加的中壓大功率變頻器電路，其主要原理是：用一個變比為1：l的三相變壓器，將3個相同的三相半橋式逆變器相同相位的線電壓，同極性地串聯(lián)在一起進行疊加，以實現(xiàn)中電壓輸出。3個常規(guī)的三相半橋式逆變器可以采用相同的SPWM控制方式，使變頻電路大大簡化。圖1為這種新型變頻器的主電路結構與電壓電流關系圖，其中圖l(a)為主電路結構圖，圖l(b)為變壓器繞組圖，圖1(c)為電壓電流關系圖。這種新型的變頻器由以下3部分組成。

(1)輸入電路 是18脈波整流器，其作用是分別向3個三相逆變器提供直流電源，并提高變頻器的市電輸入功率因數(shù)，減少對市電電源的污染，實現(xiàn)輸入電流無諧波。
(2)逆變電路 由3個相同的三相半橋式逆變器組成，其作用是將3個獨立的直流電源，逆變成3組相同的三相交流電。
(3)三相變壓器 由三柑鐵芯構成，其作用是將3個半橋式逆變器相同相位的線電壓，同極性地串聯(lián)在一起進行疊加，以實現(xiàn)中電壓輸出一變壓器的變比是1：l，其結構型式如圖l(b)所示。

3個三相半橋式逆變器串聯(lián)疊加式變頻器的電壓電流關系如圖l(c)所示。由圖1(c)可知，考慮到交流電動機的線電壓，變頻器的電壓關系為

由于三相變壓器的變比為1：1，所以有

假設交流電動機的三相電流是平衡的，電流的有效值為I，在不考慮諧波電流的情況下，則

考慮到變壓器的變比為l：1，原邊和副邊電流相等，可以汁算出N0．1逆變器的三相輸出電流為

此外，N0．2、N03兩個逆變器的三相輸出電流也滿足式(5)所不的關系，即

式(6)說明3個三相半橋式逆變器的輸出電流，都是完全平衡的。
由以上得到的電壓、電流關系式，很容易得到這種變頻器各組成部分之間的功率關系。很顯然3個逆變器的視在功率是相等的，整個變頻器的視在功率為3個逆變器視在功率之和 。

2 變頻器輸出電壓的表示式及其諧波分析
由于3個逆變器的電壓、電流和功率是完全對稱的，因此3個逆變器可以采用完全相同的控制方式，這時加在電機卜的線電壓等于一個逆變器輸出線電壓的3倍。假定3個逆變器都采用兩電半SPWM控制，以逆變器N0．1為例，其SPWM工作波形如圖2所示，其中圖2(a)為NO.1逆變器的電路圖，圖2(b)為其SPWM工作波形。由于變頻器工作在變頻狀態(tài)，SPWM工作在非同步方式，因此采用以載波三角波角頻率為基準的雙重傅里葉級數(shù)分析法。為了方便，把載波三角波用兩個“分段線性函數(shù)”來表示，它們的斜率為初始值為+Uc和-Uc，這樣三角波的數(shù)學方程式就可以寫成式(7)的形式。

在圖2(b)中，由上面的調制波形得到下面的二階SPWM波形時，以載波三角波幅值點為界分成N個區(qū)間，例如在x=ωct的

用相同的方法可以求出電壓ub的表示式為

用同樣的方法也可以求出ubc，ucn的表示式。在這些表示式中載波與載波諧波被消除掉了。式中是消除m和n同時為偶數(shù)或奇數(shù)的項。
3個逆變器的控制方法有兩種：一種是3個逆變器采用完全相同的SPWM控制方式：另一種是3個逆變器的載波三角波依次滯后120的SPWM控制方式。對第一種控制方式，由式(13)可知

相當于一個高壓SPWM逆變器，du／dt太大，不宜采用。
對于第二種SPWM控制方式，由式(13)可得

串聯(lián)疊加出來的輸出電壓uAB的波形如圖3所示，這是一種七電平電壓波形。為了有效地提高逆變器的開關頻率，減少開關損耗和提高直流電壓的利用率，可以在正弦調制波中加入15％的3次諧波，使調制度M提高到1．15。

3 變幅值18脈波三重疊加整流電路
這種變頻器，采用了△/YYY接法輸入變壓器耦合的變幅值18脈波三重疊加的整流電路如圖4所示。圖4(a)為電路圖，圖4(b)為波形圖。對于輸入電流ia的波形，利用Biringer公式可以計算輸入電流ia的基波與各次諧波幅值的表示式：

對上述三式聯(lián)立求解即可得到參數(shù)a=O.575，b=O．881，c=O.2。由a、b、c就可以確定出w1～w5的匝數(shù)。
這樣，在變壓器初級輸入電流ia中，就可以消除5、7、11、13次諧波。方程式(16)中的諧波次數(shù)n=18kl，k=0，1，2，3，……。

4 結語
從前面分析可知，這種變頻器具有如下優(yōu)點。
(1)耦合變壓器的容量為變頻器總容量的比通常采用的高一低一高電路中的輸出變壓器的容量小
(2)3個常規(guī)的三相半橋式逆變器為核心構成的高壓變頻器，可以采用常規(guī)的SPWM控制法，簡化了電路；采用耦合變壓器進行線電壓串聯(lián)疊加提高輸出電壓，消除3mN1次以下的諧波，構思巧妙，性能優(yōu)良，減少了直流電源個數(shù)。
(3)3個常規(guī)的三相半橋式逆變器甲衡運行，各分擔的變頻器總功率。
(4)變頻器的輸出電壓為等效的七電平PWM波，諧波含量小，du／dt低。
(5)18脈波輸入整流電路，輸入功率因數(shù)高，對市電電源污染小。
(6)在正弦凋制波中加入15％的三次諧波后，可以使凋制度增大到1．15，提高了直流電壓利用率。

這種變頻器，如果應用于線電壓為2300V的中壓電機，Ud=1090V，可以采用額定電壓為l700V的開關器件構成逆變器；對于線電壓為4160V的電壓電機，Ud=1970V，可以采用額定電壓為3300V的開關器件構成逆變器；對于線電壓為6600V的電壓電機，Ud=3130V，可以采用額定電壓為4500V的開關器件構成逆變器。所以，這種變頻器具有很強的適應性。此外從技術難度較低來看，這種變頻器方案也很適合當前我國的生產水平。