基于三相半橋式逆變器實現高壓變頻器的設計辦法

近20年來，工業發達國家，尤其是日本、法國、德國都非常重視節能技術的發展和研究。他們一方面在高性能大容量交流電機傳動技術的研究和使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，不斷地張大使用范圍，使電動機調速技術成為一個具有相當實力的產業部門。中功率級的變頻器已有產品大量投入市場，并使用于電力機車、船舶電力推進、軋鋼、造紙等高性能系統中。此外，其他70％的電動機也采用了各式各樣的調速節能技術，使用于各個范疇，如風機、泵類、壓縮機、提升機、運輸機、破裂機、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、發電、機械、建材、石油、交通、紡織、造紙、煤炭、農業等加工范疇及國防部門，從而大大降低了單產量耗，并在相當程度上獲得了產品質量效益、產量效益和環保效益。

從20世紀80年代以來，我國在電動機調速技術的開發和使用方面有了較大的發展，但與發達國家相比還相當落后。國內調速裝置緊要是晶閘管直流電機調速，大多數用于冶金、化工、礦井提升及石油鉆機等。這類系統雖然制造技術成熟，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。在大功率交流調速方面國內也做了一些研究工作，并加工了一些國產交流凋速裝置，但大多數是晶閘管交一交變頻調速，成本高，性能差，對電網污染嚴重．功率因數低，無功損耗大。本文解析一種新型變壓器耦合的串聯中壓大功率變頻器，其緊要思路是用變壓器將3個三相半橋式常規逆變器單元的輸出電壓重疊起來，實現中壓輸出。并且3個常規逆變器可以采用同一種控制方式，使電路結構和控制辦法大大簡化，很適合我國研制加工。

這種變頻器構思巧妙，性能優越。

1、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重疊的中壓大功率變頻器電路，其緊要原理是：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，同極性地串聯在一起進行重疊，以實現中電壓輸出。3個常規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，其用途是分別向3個三相逆變器供應直流電源，并提高變頻器的市電輸入功率因數，減少對市電電源的污染，實現輸入電流無諧波。

（2）逆變電路由3個相同的三相半橋式逆變器組成，其用途是將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，其用途是將3個半橋式逆變器相同相位的線電壓，同極性地串聯在一起進行重疊，以實現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重疊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解

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，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分解法。為了方便，把載波三角波用兩個“分段線性函數”來表示，它們的斜率為

初始值為+Uc和-Uc，這樣三角波的數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個區間，例如在x=ωct的

用相同的辦法可以求出電壓ub的表示式為

用同樣的辦法也可以求出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同時為偶數或奇數的項。

3個逆變器的控制辦法有兩種：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。

關于第二種SpWM控制方式，由式（13）可得

串聯重疊出來的輸出電壓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脈波三疊加加整流電路

這種變頻器，采用了△/YYY接法輸入變壓器耦合的變幅值18脈波三疊加加的整流電路如圖4所示。圖4（a）為電路圖，圖4（b）為波形圖。關于輸入電流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：

對上述三式聯立求解即可得到參數a=O.575，b=O．881，c=O.2。由a、b、c就可以確定出w1～w5的匝數。

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n=18k±l，k=0，1，2，3，……。

4、結語

從前面分解可知，這種變頻器具有如下優勢。

（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，可以采用常規的SpWM控制法，簡化了電路；采用耦合變壓器進行線電壓串聯重疊提高輸出電壓，消除3mN±1次以下的諧波，構思巧妙，性能優良，減少了直流電源個數。

（3）3個常規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，倘若使用于線電壓為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；關于線電壓為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；關于線電壓為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，這種變頻器辦法也很適合當前我國的加工水平。

聲明： 本站所發布文章部分圖片和內容自于互聯網，如有侵權請聯系刪除