基于三电平变流器的1140V变频器的主回路设计与仿真

杨弘喆

（华中科技大学文华学院，湖北武汉 430074）

0 引言

变频器是由交流变直流、滤波、直流变交流、制动单元、驱动单元以及检测单元微处理单元等组成。通过改变电源的频率来达到改变电源电压的目的，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等。随着计算机技术快速发展，再加上一些配套软件的使用，不仅增强了电器元件设计以及动画模拟等一些实用性功能，而且还能更加精确仿真的分析结果，使其在电器元件设计当中尤其是在变频器中的得到了更为广泛的应用前景。

1 变频器主回路的构成

1.1 变频器的基本概念

变频器VFD（Variable Frequency Drive）是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力传动设备。变频器的主要结构包括整流、滤波、逆变、制动单元、驱动单元、检测单元以及微处理单元组成。变频器的主电路可以分为电压型和电流型两大部分，其中电压型是指将电压源的直流转换成交流的变频器，此时的直流回路的滤波是电容；而电流型则是将电流源的直流直接传换成交流的变频器，此时的直流回路滤波是电感。电流型变频器的主要结构是由整流器、平波回路以及逆变器三大部分构成，其中整流器是将工频电源变换为直流功率，平波回路是吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动，而逆变器则是将直流功率变换为交流功率。

1.2 变频器主回路结构

变频器主回路结构多为单元化结构或者模块化结构，其主要组成部分包括三相或者单相整流桥、平滑电容器、滤波电容器、IPM逆变桥、限流电阻以及接触器件等。三电平变频器主回路拓扑结构。

从图中可以看出整个三电平变频器主回路拓扑结构的整流环节和逆变环节左右对称的形式，每一相桥臂都是由四个绝缘栅双极型晶体管 IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）开关和两个钳位二极管构成，而且在每一个绝缘栅双极型晶体管的内部都并联着续流二极管，图1中给出的三电平变频器主回路一共使用了二十四个绝缘栅双极型晶体管，每一个绝缘栅双极型晶体管都具有相同的耐压和电流强度，承受电压值的大小为直流侧母线电压的1/2。图中的Q11、Q14和Q12、Q13分别代表主开关管和辅助开关管，依次开通（Q11，Q12）、（Q12，Q13）、（Q13，Q14），此时每一相桥臂的输出相电压的大小为＋Vdc/2、0、－Vdc/2三个电平，整流部分总共有27个开关状态，线电压有＋Vdc、＋Vdc/2、0、－Vdc/2、－ Vdc 五个电平。其中（Q11，Q13）互锁、（Q12，Q14）互锁，直流环节则是由两个相同的电容串联而成。其中O代表直流侧的中点，与整流器、逆变器各相钳位二极管的中点连接。

2 变频器主回路的设计与仿真

基于三电平变流器1140V变频器的主回路结构设计其优点是在三电平变流器中，主电路中的每一个开关器件仅承受整个电路一般的直流侧电压，因此可以很轻易地实现高电压、大容量的电力输出。而且三电平变流器的主回路结构环节相对简单，虽然为电压源型结构，但是能够实现能量反馈。此外，三电平变流器在1140V变频器上的应用不仅能够提高变频器电压输出的稳定性，而且还能有效地节约能耗，为企业带来更大的经济效益以及社会效益。

本文研究的1140V变频器的主回路采用的是三电平型变流器的结构形式，即使用钳位电路，解决两只功率期间的串联问题，使相电压输出具有三个电平。以下就对基于三电平变流器的1140V变频器主回路结构设计与仿真进行深入分析：

2.1 绝缘栅双极型晶体管的设计

基于三电平变流器的1140V变频器主回路设计包括绝缘栅双极型晶体管IGBT、钳位二极管以及直流电容的设计。其中常见绝缘栅双极型晶体管的电压等级有1200 V、1700 V以及2500 V，因此在选取的过程中需要根据变频器的实际使用情况而定，其输入线的电压大小为（1140±0.1）V。绝缘栅双极型晶体管承受电压值的大小为直流侧母线电压的1/2，其门极管断电电压值（VCES）的计算公式为：

公式中α表示安全系数，Vdc表示直流母线电压，ΔVmax表示三相整流器直流侧电压的最大动态压降。

2.2 电容器设计

1140V变频器主回路的电容器设计需要着重考虑电容器的容量以及耐压值的大小。在基于三电平变流器的1140V变频器的电容容量（CP）的计算公式为：CP≥4／3π3·INTS／ΔVP

公式中IN表示三电平变频器在额定负载的情况下相电流的有效值，表示TS相电流的采用周期，ΔVP表示电容在采样周期内的最大波动值。三相电平变频器的耐压值大小为UC＞Vdc（1＋10%）×1.2=2340V。

2.3 输入整流电抗器的设计

基于三电平变流器的1140V变频器的输入整流电抗器在设计时需要考虑电流响应的动态和静态性能。根据1140V变频器整流器工作环境的需要，在计算出直流侧母线的电压值后，可以根据以下公式计算出输入整流电抗器的电抗值大小：

公式中em表示电网相电压峰值，Im表示交流侧相电流峰值，Vm表示交流侧相电压矢量，M表示相电压的利用率，ω表示电源电压角频率。值得注意的是，在设计输入整流电抗器的过程中，还应该注意瞬态，即不用考虑各种参数随时间的变化的情况下对电流跟踪以及抑制电流谐波的具体要求。基于三电平变流器的1140V变频器的电阻设计必须要能够限制直流侧电容的充电电流，最大允许范围的计算公式为：

公式中的R表示充电电阻，通常情况下选择电阻值为200Ω的铝壳电阻。

2.4 采样传感器的设计

基于三电平变流器的1140V变频器要想获得稳定的输出，就必须拥有反馈控制系统，在设计中主要是通过采样传感器对变频器系统的运行状态进行采样分析并且进行信息反馈。采样传感器的设计需要综合考虑系统内的各个采样数据，主要包括输入三相交流电压和电流、直流侧的两个电容器电压以及输出三相交流电流等数据。通过三相隔离变压器以及交流电压和电流通用互感器对输入三相交流电压的数据进行采样，三相隔离变压器的电压值为4500V，功率为200W，交流电压和电流通用互感器的抗电强度为3000V/min，绝缘电阻常态要大于1000MΩ，额定电流为6mA，输出电压小于1.2V。使用霍尔电流传感器对1140V变频器的输入端的三相交流电流进行采样，霍尔电流传感器的电流转换率为1∶1000，额定电流的有效值为50A，测量电流值的区间为0～±70A，传感器的供电电压取值范围应该控制在±12～±15V，线性度小于0.2%。然后可以通过霍尔电压传感器对三电平1140V变频器的直流侧电压进行采样分析，霍尔电压传感器的电流转换率为2500∶1000，额定电流的有效值为25mA，传感器的供电电压值大小为±5V，电流有效值为10mA，检测范围在0～±14mA区间之内。

此外，控制电路设计是三电平1140V变频器主回路设计的关键环节。变频器具有过电流、过电压、欠电压、接地、过热、过载以及缺相等自我保护功能对电机能够起到很好的保护作用。但是在变频器与电网的接入端需要进行合理的电路设计，以防止高电压对变频器造成的损伤。

3 变频器主回路设计的仿真结果分析

计算机软件技术在图形设计以及仿真计算中所发挥出的作用越来越大，在基于三电平变流器的1140V变频器主回路设计的过程中，运用图像建模的形式可以更加直观。简明的反应出设计模型的信息。本文主要使用的是MATLAB专业软件，作为一种专业的机械设计类软件，它具有元件设计、结构选择、设计库的运用、色彩渲染和动画模拟以及有限元分析等更加全面的基础模块，不仅在功能是能够表现出强大的优越性，而且在图像处理方面还具有一般二维软件所无法比拟的优势。仿真分析的三电平1140V变频器输出相电压、输出线电压以及输出相电流的波形。

图4 三电平1140V变频器输出相电流波形图

基于三电平变流器的1140V变频器输出相电压波形的周期为20ms，频率为50Hz。三电平变频器输出线电压波形为五阶梯波形，图4中三电平变频器输出相电流波形更加接近于正弦波相。而输出相电压波形与输出相电流波形在结构上存在一定的角度差，主要是由于感性负载造成的（由于感性负载在接通电源或者断开电源的一瞬间，会产生反电动势电压，这种电压的峰值远远大于车载交流供电器所能承受的电压值，容易引发逆变器的瞬时超载）。根据图像分析，总体上基于三电平变流器的1140V变频器的主回路设计实现了耐高压、谐波小以及功率大的特点。

4 结束语

综上所述，随着电气工程以及电子技术的快速发展以及变频器技术的日趋成熟，使得变频器的研究进入了一个新的高度。本文着重研究了基于三电平变流器的1140V变频器主回路设计与仿真分析。首先介绍了变频器的结构特定以及工作原理，并且对三电平变流器变频器主回路的结构特点以及设计进行相信说明。然后通过MATLAB进行仿真分析，对变频器的主回路设计进行试验，实现了三电平变频器耐高压、谐波小以及功率大的优点为日后关于变频器主回路的设计与研究提供可靠的理论依据。

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