基于集成門極換流晶閘管器件實現(xiàn)兩電平變頻器的設計

在國際能源短缺和全球變暖的嚴峻形勢下，降低能源消耗和溫室氣體排放迫在眉睫。實踐證明，在一定的工作條件下，工業(yè)電機節(jié)能是一種有效的途徑。據(jù)統(tǒng)計，我國有4000多萬只需調(diào)速節(jié)能的風機，年耗電量約1500億kWh，節(jié)能潛力450億kWh/年。
節(jié)能效果顯著的高壓變頻器之所以在前期推廣緩慢，一方面是一次性投資大，部分產(chǎn)品可靠性不高，另一方面變頻器的應用會帶來一些新的問題，比如電網(wǎng)諧波污染、電機諧波損耗發(fā)熱、電機絕緣老化等。隨著國家對節(jié)能減排的重視和變頻器技術(shù)的發(fā)展，高性價比高壓變頻器的應用越來越多。普通變頻器往往有較高的DI/DT和DU/DT的電應力，電路輸出含有較高的諧波。采用合理的電路拓撲可以有效降低DI/DT和DU/DT，采用合理的控制算法可以降低諧波輸出，從而大大提高變頻器的可靠性，減少諧波對電網(wǎng)的污染。然而，基于IGGT器件的平高逆變器產(chǎn)品的輸出諧波含量小于2%，效率高達98%。
1變頻器技術(shù)介紹
與兩臺平高電壓(6kv)逆變器串聯(lián)的單個功率管額定電壓為6000232800(V)，最大工作電壓達到2800  1.15  1.08  3500 (V)(考慮15%過壓和8%變壓器阻抗)，對單管吸收回路及其控制提出了很好的建議，從圖1和圖2可以看出，級聯(lián)產(chǎn)品每個功率管的額定電壓為6000因此，實現(xiàn)兩電平拓撲高壓逆變器比級聯(lián)逆變器困難得多。雙功率平高電壓(6kV)變頻器具有以下特性：
(1)級聯(lián)逆變器需要150個功率管，而兩電平逆變器只需要36個功率管，因此兩電平逆變器的故障概率可以大大降低，可靠性可以大大提高；
(2)級聯(lián)逆變器變壓器出口45個，而兩電平逆變器只有9個，明顯降低了故障概率；
(3)級聯(lián)逆變器不允許將電機放在離逆變器太遠的地方，以免因機端反激而導致逆變器保護異常甚至逆變器和電機損壞，而兩電平逆變器有Lc濾波環(huán)節(jié)，因此輸出電纜沒有大的DU/DT，機端也沒有反激現(xiàn)象，所以沒有這種限制；
(4)能量流方面，兩電平變頻器只需對整流電路稍加改造就能實現(xiàn)4象限運行，這是目前級聯(lián)變頻器技術(shù)無法實現(xiàn)的。
(5)兩電平變頻器用高壓金屬薄膜電容代替電解電容，可使整機壽命超過10年，這也是級聯(lián)變頻器難以實現(xiàn)的。
基于IGCT器件的兩電平技術(shù)介紹
圖3是雙功率平高電壓變頻器的主電路拓撲。逆變部分采用高耐壓大電流功率開關(guān)器件IGCT，內(nèi)部集成反并聯(lián)續(xù)流二極管；為了減少對電網(wǎng)的影響，整流電路采用18脈波二極管整流結(jié)構(gòu)。其核心技術(shù)是特定諧波消除技術(shù)、Lc濾波技術(shù)和多IGCT系列均壓技術(shù)。
在設計中，具體的消諧技術(shù)和LC濾波技術(shù)完美結(jié)合，取得了理想的效果。實驗測得的兩臺平高電壓逆變器的輸出電壓和電流波形如圖如圖4所示，其中幾乎沒有諧波，du/dt大，對電機絕緣無損傷；同時，將濾波電容中點接地可以消除共模電壓(即消除電機軸向電壓)，從而不影響電機的使用壽命。
基于IGCT器件的雙功率平高電壓變頻器的設計難點在于多個串聯(lián)功率管的動態(tài)均壓。經(jīng)過嚴格的計算、精確的仿真和反復的試驗改進，得到了額定電流條件下功率管關(guān)斷均壓的實測波形，如圖如圖5所示。在圖5中，第二峰值電壓分別為3525伏、3360伏和3240伏，三個功率管的電壓與平均電壓的偏差小于5%，達到了良好的均壓效果。如動態(tài)均壓電路的如圖6所示，該電路不僅帶來了良好的均壓效果，而且在IGCT導通的瞬間造成了過大的DI/DT，這是IGCT器件所不允許的。從抑制DI/DT的角度來說，需要增加電阻值，但是大的電阻必然會降低動態(tài)均壓的效果。因此，圖5所示的電壓均衡不是最佳結(jié)果，而是考慮di/dt后的綜合結(jié)果。
4結(jié)論
從以上分析可以看出，平高電壓變頻器性能優(yōu)異，在降低輸出諧波含量、提高變頻器效率、延長電機使用壽命、提高系統(tǒng)工作穩(wěn)定性方面具有很大優(yōu)勢。在電力系統(tǒng)、煤礦、城市供水等對設備可靠性和安全性要求較高的應用中，采用輸出諧波含量低、對負載損害小的雙功率平高電壓變頻器是一種很好的選擇。