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(lái)，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，尤其是日本、法國(guó)、德國(guó)都非常重視節(jié)能技術(shù)的發(fā)展和研究。他們一方面在高性能大容量交流電機(jī)傳動(dòng)技術(shù)的研究和應(yīng)用方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)走在了前面，另一方面他們還大力開(kāi)拓調(diào)速技術(shù)市場(chǎng)，不斷地?cái)U(kuò)大應(yīng)用范圍，使電動(dòng)機(jī)調(diào)速技術(shù)成為一個(gè)具有相當(dāng)實(shí)力的產(chǎn)業(yè)部門(mén)。中功率級(jí)的變頻器已有產(chǎn)品大量投入市場(chǎng)，并應(yīng)用于電力機(jī)車(chē)、船舶電力推進(jìn)、軋鋼、造紙等高性能系統(tǒng)中。此外，其他70％的電動(dòng)機(jī)也采用了各式各樣的調(diào)速節(jié)能技術(shù)，應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，如風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)、壓縮機(jī)、提升機(jī)、運(yùn)輸機(jī)、破碎機(jī)、滾磨機(jī)、軋機(jī)、紡織機(jī)、卷煙機(jī)及空調(diào)機(jī)等設(shè)備的傳動(dòng)中，遍及冶金、化工、發(fā)電、機(jī)械、建材、石油、交通、紡織、造紙、煤炭、農(nóng)業(yè)等生產(chǎn)領(lǐng)域及國(guó)防部門(mén)，從而大大降低了單產(chǎn)能耗，并在相當(dāng)程度上獲得了產(chǎn)品質(zhì)量效益、產(chǎn)量效益和環(huán)保效益。
從20世紀(jì)80年代以來(lái)，我國(guó)在電動(dòng)機(jī)調(diào)速技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用方面有了較大的發(fā)展，但與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還相當(dāng)落后。國(guó)內(nèi)調(diào)速裝置主要是晶閘管直流電機(jī)調(diào)速，大多數(shù)用于冶金、化工、礦井提升及石油鉆機(jī)等。這類(lèi)系統(tǒng)雖然制造技術(shù)成熟，但有很多缺點(diǎn)：直流電機(jī)造價(jià)高，維護(hù)工作量大，對(duì)電網(wǎng)污染嚴(yán)重，正處于被淘汰狀態(tài)。在大功率交流調(diào)速方面國(guó)內(nèi)也做了一些研究工作，并生產(chǎn)了一些國(guó)產(chǎn)交流凋速裝置，但大多數(shù)是晶閘管交一交變頻調(diào)速，成本高，性能差，對(duì)電網(wǎng)污染嚴(yán)重．功率因數(shù)低，無(wú)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(gè)三相半橋式常規(guī)逆變器單元的輸出電壓疊加起來(lái)，實(shí)現(xiàn)中壓輸出。并且3個(gè)常規(guī)逆變器可以采用同一種控制方式，使電路結(jié)構(gòu)和控制方法大大簡(jiǎn)化，很適合我國(guó)研制生產(chǎn)。
這種變頻器構(gòu)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(xiàn)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(gè)變比為1：l的三相變壓器，將3個(gè)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(jìn)行疊加，以實(shí)現(xiàn)中電壓輸出。3個(gè)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(jiǎn)化。圖1為這種新型變頻器的主電路結(jié)構(gòu)與電壓電流關(guān)系圖，其中圖l(a)為主電路結(jié)構(gòu)圖，圖l(b)為變壓器繞組圖，圖1(c)為電壓電流關(guān)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(gè)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(duì)市電電源的污染，實(shí)現(xiàn)輸入電流無(wú)諧波。
(2)逆變電路 由3個(gè)相同的三相半橋式逆變器組成，其作用是將3個(gè)獨(dú)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(gòu)成，其作用是將3個(gè)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(jìn)行疊加，以實(shí)現(xiàn)中電壓輸出一變壓器的變比是1：l，其結(jié)構(gòu)型式如圖l(b)所示。

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

由于三相變壓器的變比為1：1，所以有

假設(shè)交流電動(dòng)機(jī)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(gè)逆變器的三相輸出電流也滿(mǎn)足式(5)所不的關(guān)系，即

式(6)說(shuō)明3個(gè)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(guān)系式，很容易得到這種變頻器各組成部分之間的功率關(guān)系。很顯然3個(gè)逆變器的視在功率是相等的，整個(gè)變頻器的視在功率為3個(gè)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(gè)逆變器的電壓、電流和功率是完全對(duì)稱(chēng)的，因此3個(gè)逆變器可以采用完全相同的控制方式，這時(shí)加在電機(jī)卜的線電壓等于一個(gè)逆變器輸出線電壓的3倍。假定3個(gè)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(zhǔn)的雙重傅里葉級(jí)數(shù)分析法。為了方便，把載波三角波用兩個(gè)“分段線性函數(shù)”來(lái)表示，它們的斜率為初始值為+Uc和-Uc，這樣三角波的數(shù)學(xué)方程式就可以寫(xiě)成式(7)的形式。

在圖2(b)中，由上面的調(diào)制波形得到下面的二階SPWM波形時(shí)，以載波三角波幅值點(diǎn)為界分成N個(gè)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(shí)為偶數(shù)或奇數(shù)的項(xiàng)。
3個(gè)逆變器的控制方法有兩種：一種是3個(gè)逆變器采用完全相同的SPWM控制方式：另一種是3個(gè)逆變器的載波三角波依次滯后120的SPWM控制方式。對(duì)第一種控制方式，由式(13)可知

相當(dāng)于一個(gè)高壓SPWM逆變器，du／dt太大，不宜采用。
對(duì)于第二種SPWM控制方式，由式(13)可得

串聯(lián)疊加出來(lái)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(kāi)關(guān)頻率，減少開(kāi)關(guān)損耗和提高直流電壓的利用率，可以在正弦調(diào)制波中加入15％的3次諧波，使調(diào)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(duì)于輸入電流ia的波形，利用Biringer公式可以計(jì)算輸入電流ia的基波與各次諧波幅值的表示式：

對(duì)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(jí)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(jié)語(yǔ)
從前面分析可知，這種變頻器具有如下優(yōu)點(diǎn)。
(1)耦合變壓器的容量為變頻器總?cè)萘康谋韧ǔ２捎玫母咭坏鸵桓唠娐分械妮敵鲎儔浩鞯娜萘啃?BR> (2)3個(gè)常規(guī)的三相半橋式逆變器為核心構(gòu)成的高壓變頻器，可以采用常規(guī)的SPWM控制法，簡(jiǎn)化了電路；采用耦合變壓器進(jìn)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(gòu)思巧妙，性能優(yōu)良，減少了直流電源個(gè)數(shù)。
(3)3個(gè)常規(guī)的三相半橋式逆變器甲衡運(yùn)行，各分擔(dān)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(duì)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(yīng)用于線電壓為2300V的中壓電機(jī)，Ud=1090V，可以采用額定電壓為l700V的開(kāi)關(guān)器件構(gòu)成逆變器；對(duì)于線電壓為4160V的電壓電機(jī)，Ud=1970V，可以采用額定電壓為3300V的開(kāi)關(guān)器件構(gòu)成逆變器；對(duì)于線電壓為6600V的電壓電機(jī)，Ud=3130V，可以采用額定電壓為4500V的開(kāi)關(guān)器件構(gòu)成逆變器。所以，這種變頻器具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。此外從技術(shù)難度較低來(lái)看，這種變頻器方案也很適合當(dāng)前我國(guó)的生產(chǎn)水平。