高电压变频器的研制

高电压变频器的研制
一、 引言

　　低压变频器已经取得企业界的认可，正在走向大面积普及之路。高压变频器市场正在启动，前景十分好，以前这一产品完全依赖进口，近几年，随着人们对高压变频器的认识越来越深入，市场需求迅速增加。国内变频器生产商奋起直追，已涌现出几个品牌。我公司是开始研制高压变频器较早的单位之一， 6000V级的高压变频器已有多台正在正常运转，通过了天津发配电及电控设备检测所和国家电控配电设备质量监督检验中心的检验，通过了由院士和国内有名专家组成的鉴定委员会的鉴定，鉴定证书中高度评价了设备的先进性和**性。在2002年年底我公司接到万伏变频器的订单，该变频器已于是2003年3月交付使用，现在运行良好。现把研制中的一些关键技术问题和解决办法奉献给读者，以期得到专家、用户和朋友的指教。

　　二 方案选择

　　客户要求的主要技术指标是：

　　10000V,355KW,额定电流为25.5A,负载为水泵。

　　高压变频器的制造远远落后于社会的需求，全世界都是这样。瓶颈在于功率器件耐压不够，这是制约高压变频器发展的主要因素。为此，科学家们提出了很多解决方案，例如，高-低-高方案、功率器件直接串联方案、三电平-多电平方案、功率单元串联方案等等。我公司生产的6000V变频器用的是功率单元串联方案，效果很好，10000V变频器仍然选这种方案，其理由是：

　　a、输出电平数多，因此输出波形特别好，能适合普通异步电动机，且不必降额使用。

　　三 系统原理

　　功率单元串联结构，如图1所示，以每相9单元为例。

　　功率单元为三相50Hz输入，通过交—直—交变换，得到SPWM单相输出的变频器，多个单元相串联后组成Y型结构。单元的三相输入由副边多重化隔离变压器供给，如图2所示。

　　1、单元数和功率器件的选择

　　线电压10000V，相电压5773V，若每相由9个单元串联，每个单元的的输出为641.5V(有效值)。用户要求的额定容量小，*终选用了西门子双单元IGBT模块为功率器件。

　　2、输入隔离变压器的设计

　　为绕制方便，采用18相整流，输入电流谐波已能满足电磁兼容要求。变压器输入侧采用星形接法。输入变压器与功率单元的连接示意图如图2所示。

　　这种整流结构能够保证输入电流的谐波成份满足企业标准和IEEE519的规定和要求。当然相位组还可以更多一些，例如采用30或36脉冲整流电路结构，不过那样就大大增加了变压器绕制工艺的难度。

　　3.功率单元主电路

　　功率单元主电路结构是典型的三相输入单相输出电路，如图3所示。

　　(1)由于电解电容上的交流成分和高频成分比较大，实际并有无感电容(图中未画)，可以减少交流成分和高频成分，从而减少电解电容的负担，以提高电解电容的寿命。

　　(2) 单相输出有晶闸管旁路电路，正常工作时晶闸管不导通，当该单元发生故障时，晶闸管导通，该单元退出运行，其它单元还可继续工作，因而整机可以避免紧急停机。

　　(二)控制系统及其优化

　　87C196MC是变频器中常用的，在本设计中仍然选它为主控器件，每个单元配有51单片机作为辅机。单片机资源有限，设计中必须精打细算、注意优化。

　　控制系统有一套独立的电源子系统，　　220V市电经过整流、滤波、稳压得到一个稳定的直流电压，再由一个高频振荡器得到幅度稳定的高频信号，由一系列高频变压器及相应的整流、滤波送到各单元的控制及驱动电路。

　　控制系统电源独立的好处是：

　　三次谐波在三相平衡输出中会自动相互抵消，不会增加输出的失真度。

　　3、载波相移技术

　　采用功率单元串联实现高压变频器，控制方式一般有两种：

　　(1)堆波方式 (2)载波移相技术

　　堆波方法控制，实现较简单，波形质量也比较好，功率器件开关次数少，开关损耗小，但它存在两个缺点：

　　(1) 串联的各单元承担的功率不一致。

　　(2) 变压器各付边绕组承担的功率不一致。

　　载波移相技术可以得到良好的输出波形，它克服了堆波方法的两个缺点，虽然功率器件开关次数较堆波方法多，但在整机中开关损耗并非突出矛盾，因此我们采用了这种控制方式。

　　将调制信号和载波信号的频率固定不变，调制信号的相位也固定，把单元1的载波相位取为基准，单元2、3、～8、9的载波相位依次后延1/9载波周期。载波频率等效提高了9倍，而在同一时刻只有一个单元有开关动作，9单元串联后dv/dt仍然同于一个单元的dv/dt，串联后总输出的基波成份相叠加，而各单元的谐波成分却相互抵消而变得很小，这是该项技术的*大优点所在。

　　9个单元的载波应该分别与同一调制信号相比较，那么9个PWM脉冲的宽度变化就更精细的反映了调制信号的幅度变化，但这样就使采样数据量比一个单元的采样数据量扩大了9倍，使CPU(87C196MC)难于承受，更重要的是输出端口不够用，这是必须解决的难题。在本设计中解决的办法是只让1个单元负责采样，而其它单元都使用这个采样值，这实际上是假设：当**个单元采样之后，第2、3、～8、9单元应该采样的这段时间里，调制信号没有变化，正弦调制信号被模型化成了阶梯波信号，见图8。采用这种近似方法使载波移相控制方便地实现了全数字化。