万伏高压变频器的研制(一)

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山东风光电子有限公司 李瑞来 尹鹏飞 山东大学 韩文昭

摘要：本文介绍了万伏高压变频器研制过程中的一些关键技术问题.
关键词：高压变频器 功率单元串联

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著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创新性。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。
b、所需IGBT数量大，但对耐压要求不高，功率器件不存在均压问题。
c、输入整流电路的脉冲数大，对电网污染小，功率因数高。
d、功率单元数量大，这是个大缺点，但结构完全一样，可以互换，这对生产、调试、留备用件等都来了很大方便。
e、技术已经掌握，已有成功经验，可靠性有保证。
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。

　　　　　　　
图1 27个功率单元串联图
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。
(一) 电路结构
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，最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。
　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　
图2 输入变压器与功率单元联接示意图

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。
　　　　　　　　　　　　　

图3 功率单元主电路
(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。
　　　　　　　　　　
　　　　
　　　　　　　　　　
图4功率单元主电路工作之波形

在工作方式上，采用单臂（IGBT1、IGBT2）PWM调制，另一臂（IGBT3、IGBT4）上下管轮流导通，波形见图4，整体原理方案如图2所示，总体结构如图5所示。


图5 总体结构图
（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。
1、 控制系统的电源
控制系统有一套独立的电源子系统，其构成如图6所示：


图6 控制系统电源
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：
1）电源通过高频变压器给各单元供电，容易实现高压隔离。