输 入 变 压 器 ， 可 基 本 实 现 输 入 电 流 无 谐 波 ；
— — 三 个 常 规 两 电 平 的 三 相 DC/AC逆 变 器 ；
— — 三 个 变 化 为 1： 1的 输 出 变 压 器 ；
— — 高 压 电 机 。
下 面 从 几 个 方 面 分 析 其 工 作 原 理 。
1） 电 压 关 系
考 虑 电 机 的 线 电 压 ， 可 得 ：
电 压 间 的 这 种 关 系 体 现 在 图 12中 。 每 个 逆 变 器 都 采 用 SPWM或 空 间 电 压 矢 量 PWM（ SVPWM） 控 制 方 法 ， 每 个 逆 变 器 输 出 线 电 压 的 有 效 值 为 〔 (2 ) 〕aE， 其 中 E为 逆 变 器 输 入 直 流 电 压 ， a为 调 制 深 度 ， 在 谐 波 注 入 SPWM和 SVPWM中 a最 大 可 为 1.15。 由 式 （2） 可 得 电 机 线 电 压 的 有 效 值 为 〔3/2〕 aE。
对 线 电 压 为 2 300 V的 高 压 电 机 ， E=1 090 V， 采 用 额 定 电 压 为 1 700 V的 IGBT就 可 构 成 本 系 统 ； 对 线 电 压 为 4 160 V的 高 压 电 机 ， E=1 970 V， 可 采 用 额 定 电 压 为 3 300 V的 IGBT； 而 当 高 压 电 机 的 线 电 压 为 6 600 V时 ， E=3 130 V， 则 应 采 用 额 定 电 压 为 4 500 V的 IGCT； 因 此 本 方 案 具 有 很 强 的 适 应 性 。
2)电 流 关 系
设 电 机 三 相 电 流 平 衡 ， 电 流 的 有 效 值 为 I， 在 不 考 虑 电 流 谐 波 的 情 况 下
考 虑 到 输 出 变 压 器 原 边 和 副 边 电 流 相 等 ， 可 计 算 得 到 第 一 个 逆 变 器 的 三 个 输 出 电 流 为 ，
ia1= Isin(ω t) id="_x0000_s1040" type="#_x0000_t75" alt="" style=width:17.25pt;height:10.5pt/>
ib1=Isin(ω t－ 120°) （5）
ic1=Isin(ω t＋ 120°)
另 外 两 个 逆 变 器 的 三 个 输 出 电 流 也 满 足 以 上 关 系 ， 即 ：
id="_x0000_s1041" type="#_x0000_t75" alt="" style=width:17.25pt;height:10.5pt/>ia1=ia2=ia3=Isin(ω t)
id="_x0000_s1042" type="#_x0000_t75" alt="" style=width:17.25pt;height:10.5pt/>ib1=ib2=ib3=Isin(ω t－ 120° ) (6)
id="_x0000_s1043" type="#_x0000_t75" alt="" style=width:17.25pt;height:10.5pt/>ic1=ic2=ic3=Isin(ω t＋ 120° )
也 就 是 说 三 个 逆 变 器 输 出 电 流 完 全 平 衡 。
3） 功 率 关 系
在 得 出 电 压 电 流 关 系 式 后 ， 我 们 很 容 易 得 到 该 高 压 变 频 器 各 部 分 间 的 功 率 关 系 。 很 显 然 三 个 逆 变 器 的 视 在 功 率 VA1， VA2， VA3为 VA1=VA2=VA3=〔9/(2) 〕 aEI， 而 整 个 高 压 变 频 器 的 视 在 功 率 VA为 VA=〔3/(2) 〕 aEI， 也 就 是 说 三 个 逆 变 器 均 分 了 整 个 变 频 器 的 输 出 。
4） PWM策 略
由 于 三 个 逆 变 器 电 压 、 电 流 和 功 率 完 全 对 称 ， 因 此 三 个 逆 变 器 可 采 用 完 全 相 同 的 控 制 规 律 ， 这 时 加 在 电 机 的 线 电 压 等 于 一 个 逆 变 器 输 出 线 电 压 的 三 倍 ， 相 当 于 一 个 两 电 平 的 PWM高 压 变 频 器 ， 这 种 方 法 虽 然 简 单 ， 但 由 于 dv/dt太 大 ， 不 宜 采 用 。
一 种 比 较 好 的 方 法 是 将 三 个 逆 变 器 的 PWM信 号 相 互 错 开 1/3个 开 关 周 期 ， 对 SPWM来 说 就 是 三 个 逆 变 器 各 自 采 用 一 个 三 角 波 ， 且 这 三 个 三 角 波 之 间 相 位 互 差 120° 。 图 13是 采 用 这 种 方 法 后 得 到 的 电 机 线 电 压 波 形 ， 其 中 电 压 频 率 为 40 Hz， 注 入 了 15％ 的 三次 谐 波 。 可 以 看 出 这 就 是 一 个 线 电 压 为 7电 平 的 高 压 变 频 器， 相 当 于 四 电 平 变 频 器 的 线 电 压 波 形 。
5） 输 出 变 压 器
输 出 变 压 器 在 本 方 案 中 起 着 十 分 重 要 的 作 用 ， 也 可 能 是 本 方 案 的 薄 弱 环 节 ， 因 为 太 大 容 量 的 变 压 器 会 限 制 它 的 应 用 。 一 般 情 况 下 该 变 压 器 可 采 用 图 14所 示 结 构 。
从 前 面 分 析 知 道 ， 输 出 变 压 器 各 绕 组 间 的 电 压 有 效 值 都 为 aE， 且 流 过 各 绕 组 的 电 流 相 等 ， 有 效 值 都 为 ， 于 是 可 得 到 该 变 压 器 的 容 量 为aE， 也 就 是 说 输 出 变 压 器 的 容 量 为 变 频 器 总 容 量 的 1/3， 比 高 － 低 － 高 方 案 中 的 输 出 变 压 器 的 容 量 要 小 的 多 。
这 种 高 压 变 频 器 方 案 具 有 如 下 突 出 的 优 点 ：
1） 以 三 个 常 规 的 变 频 器 为 核 心 可 构 成 高 压 变 频 器 ；
2） 三 个 常 规 变 频 器 平 衡 对 称 运 行 ， 各 自 分 担 总 输 出 功 率 的 1/3；
3） 整 个 变 频 器 的 输 出 可 等 效 为 7电 平 PWM输 出 波 形 优 于 普 通 三 电 平 变 频 器 ， 与 四 电 平 变 频 器 相 同 。 总 谐 波 畸 变 THD<0.3％ ， dv/dt也 较 低 ；
4） 输 出 变 压 器 的 容 量 只 需 总 容 量 的 1/3， 可 以 内 置 ， 也 可 以 外 装 ；
5） 18脉 波 输 入 二 极 管 整 流 器 ， 网 侧 谐 波 小 ， 功 率 因 数 高 。
8 结 语
功 率 器 件 串 联 二 电 平 电 流 型 变 频 器 由 于 其 本 身 的 缺 点 ， 使 用 越 来 越 受 到 限 制 。
单 元 串 联 多 重 化 变 频 器 是 由 于 当 时 功 率 器 件 耐 压 太 低 的 产 物 ， 系 统 复 杂 ， 器 件 数 量 多 ， 体 积 庞 大 ， 故 障 率 高 ； 但 却 歪 打 正 着 ， 赢 得 了 无 可 比 美 的 输 入 输 出 波 形 ， 堪 称 “ 完 美 无 谐 波 ” ； 改 进 的 方 法 是 用 高 压 IGBT或 IGCT组 成 功 率 单 元 ， 以 减 少 单 元 数 ， 缩 小 体 积 ， 但 却 是 以 牺 牲 波 形 为 代 价 的 ， 要 加 输 出 滤 波 器 ， 使 谐 波 达 标 。
采 用 高 压 IGBT、 IGCT的 三 电 平 变 频 器 具 有 结 构 简 单 ， 可 靠 性 高 ， 器 件 数 量 少 ， 效 率 高 的 优 点 ， 在 高 压 供 电 面 前 ， 能 用 多 电 平 ， 谁 还 会 去 用 多 重 化 呢 ？ 但 波 形 稍 差 ， 需 加 LC输 出 滤 波 器 ， 即 使 如 此 其 成 本 也 比 多 重 化 变 频 器 低 。 目 前 由 于 器 件 耐 压 的 限 制 ， 输 出 电 压 只 能 达 到 4.16 kV， 若 要 输 出 6 kV， 可 采 用 电 机 Y/△ 改 接 的 办 法 ， 看 来 这 是 6 kV电 机 节 能 改 造 最 经 济 合 理 的 方 案 。
变 压 器 耦 合 输 出 高 压 变 频 器 ， 有 望 用 目 前 耐 压 水 平 的 器 件 实 现 6 kV、 10 kV高 压 输 出 ， 是 一 种 很 有 前 途 的 新 型 高 压 变 频 方 案 。
随 着 功 率 器 件 的 不 断 发 展 ， 在 中 等 功 率 高 压 变 频 器 中 ， GTO即 将 退 出 舞 台 ， 而 高 压 IGBT、 IGCT是 很 有 发 展 前 途 的 器 件 ， 是 解 决 中 高 压 变 频 的 希 望 ； IGCT由 于 其 导 通 压 降 低 、 损 耗 小 而 占 有 一 定 的 优 势 ， 将 成 为 高 压 变 频 器 的 主 要 功 率 器 件 。
参 考 文 献
[1] 徐 甫 荣 ,崔 力 .发 电 厂 辅 机 电 动 机 变 频 调 速 节 能 方 案 探 讨 [J].变 频 器 世 界 ,2001,(7).
[2] 冷 增 祥 .IGBT高 压 变 频 调 速 电 源 [J].电 源 技 术 应 用 , 2000,(7).
[3] 刘 虹 ,孙 伟
中高压变频器主电路拓扑结构的分析比较
徐甫荣
国家电力公司热工研究院，陕西 西安 710032
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