试论高压变频器过电压保护与控制

梁元龙

摘 要：随着电子技术的发展，中性点箝位三电平的高压变频器的拓扑结构逐渐受到人们关注，对于应用研究也在增多。但由于受到半导体材料的影响，电子器件的承受电压能力十分有效，这样不仅使其过电压承受能力降低，还使过电压保护设计更具难度。因此，文章将研究高压变频器过电压保护与控制，希望能为高压变频器拓扑结构研究带来一定启发。

关键词：高压变频器；过电压保护；控制

前言

要研究高频变频器外部过电压保护最重要的就是全面了解其工况，并细致分析其耐压能力，这样也有助于明确ZnO压敏电阻接入位置，同时也可以方便了解应采取何种接线办法，做好计算分析工作，便于对ZnO压敏电阻的选型。此外还能深入了解高压变频器的调速器，使其在实际工作中应用更加便捷。

1 高压变频器过电压保护

1.1 高压变频器的耐压分析

过电压产生的内部原因在于电力电子装置内部器件的开关过程，主要是换相过电压和关断过电压。在高压变频器中电力电子器件（如IGBT等）属于最重要、最贵重的器件，同时它也很容易损坏，特别容易受到过电压影响。因此，对于高压变频器的过电压保护主要是保护电力电子器件[1]。在保护电力电子器件器件中最有效的办法就是为所有器件设计独立的ZnO（氧化锌）压敏电阻，并量ZnO压敏电阻与电力电子器件器件联系在一起。但这样优势使系统中的ZnO压敏电阻增对，致使系统结构复杂，体积扩大，整体成本也会上升，再加上电力电子器件的耐压能够较为有限，这样一来就使ZnO压敏电阻残压又得以进一步提升，也使计算选型出现很多困难。

对于高压变频器的保护工作应按照一定步骤进行，首先要保证直流母线具有充足电压，以便使电力电子器件能够得到有效控制，并将其投入到高压变频器中使用。在母线充电完成以后，电力电子器件就会接受控制脉冲。为避免出现直通情况，电力电子开关只能处于两个状态之间转换，禁止跳跃[2]。

1.2 ZnO压敏电阻接入位置的确定

ZnO压敏电阻接入位置是高压变频器过电保护工作的要点，不仅要分析在过电压发生以后是否及时发生动作，还要分析ZnO压敏电阻发生相应动作以后是否能够真正限制过电压。为保护高压变频器系统，ZnO压敏电阻应该处于接入24脉波整流前以前以及输出滤波器以后位置（如图1中1、2位置所示）。为限制母线过电压，ZnO压敏电阻应处于直流环节与逆变部分中间（即图1中的3、4位置）；如果要防止逆变部分出现过电压就要将ZnO压敏电阻安置在逆变部分和输出滤波中间（即图1中的4、5位置）。

在ZnO压敏电阻处于1的位置时，就能完成高压变频器的限制工作，防止过电压对其产生不良影响。但如果其中有残压存在，就又会提升直流电容两端的电压。因此，在位置1中安装ZnO压敏电阻整体效果较差。而最好的办法是将ZnO压敏电阻安置在位置4、5中，即便应短路导致电流、电压瞬间增大，也不会使高压变频器受到影响，这样就能实现保护高压变频器的目的，真正达到过电压保护目的。

1.3 ZnO压敏电阻的接线形式

在确定了ZnO压敏电阻的最佳接线位置以后，就要分析其接线形式。最好的接线形式是将ZnO压敏电阻接在位置5中，这样就会保护高压变频器，主要接线方法有三种，分别为三只ZnO压敏电阻实现三相星形连接、四只ZnO压敏电阻实现三相四线连接以及三只ZnO压敏电阻三相实现三角形连接。其中最好的接线方式应为三只ZnO压敏电阻三相实现三角形连接，为进一步强化其过电压保护能力，就要保证它的三只ZnO压敏电阻具有相同的参数，只有这样才能真正实现高压变频器的过电压保护目的。

2 高压变频器的控制方式

2.1 无输入变压器多相电动机与独立定子绕组的应用

如何在不使用移动性相变压器情况下，以耐压较低的电子元件减压为多个输出，即将高压输入整流转变为多个同水平更低电压直流输出是无输入变压器多相电动机设计技术要点、难点。整流部分采用拓扑结构设计是当前最常用的解决该问题的方式，设立N个低压直流便需应用N个单相整流桥，为使整个整流桥与电网连通，还需设立三项级联，为实现三相功率平衡，要求均衡分布串联的单相整流桥个数，据此计算无输入变压器多相电动机高压变频器低压输出应为相数3的倍数，负载多相电动机的相数也为3的倍数。为规避传统接法产生的电子换流，相应对的定子绕组接法也应相互独立[3]。从以上的拓扑结构来看，无输入变压器多相电动机高压变频器、串联多重化高压变频器基本原理基本相同，两者高低压输出与输入端发生了改变，前者采用单相整流、负载独立定子绕组多相电动机，通过高-低-高电压转化实现电子器件耐压降低，后者采用三相整流、负载传统三相电动机，无需移相变压。

2.2 无输入变压器九相电动机高压变频器的设计与仿真

为系统说明无输入变压器多相电动机高压变频器的参数设计，以9相设计为例，其参数为PN=1MW、UN=1kV、IN=131A，功率因数0.85，使用三相交，6kV输入电压，有9个单相整流桥、逆变桥，每相串联的单相整流桥为3，其单相整流桥输入电压有效值为1155V，整流桥直流环节电压1470V，单个电力电子元件耐压峰值1634V，故选择耐压2kV电力元件作为最低要求，则负载通态电流有效值约200A元件，远低于三电平高压变频器中电力电子器件。以RL等效电路模拟电动机定子绕组，计算单相无功功率约为68865Var，单相无功功率和额定电流计算出单相电感为12.8mH，单相电阻为6.5Ω，以二极管不控整流方式模拟单相整流桥，电网电源为6kV三相交流，以恒压频比SPWM控制单相逆变桥的控制脉冲，将逆变桥1的调制波为初始相角为0°正弦波，逆变桥2为40°正弦波，其余逆变桥以此类推，根据逆变桥控制方式，任意选择三个逆变桥将其看作三相电动机等效定子绕组，考虑到三相对称，对比点压、电流波形便可验证整个机器工作效益[4]。仿真实验表明，各相整流桥满足三相变频器输出电流、电压波形要求，2s后，机器稳定在50Hz，直流电容电压波动减小，其峰值基本稳定在1470V，证实仿真正确、可行。

3 结束语

通过以上研究得知，做好高压变频器的过电保护工作可以使中性点箝位三电压处于良好工作状态，促进高压变频器的使用。因此一定要重视高压变频器的过电保护与控制工作，减少不良问题的出现，综合提高其应用能力，以便为国家发展做出贡献。

参考文献

[1]方晶，毛承雄，陆继明，王丹等.ZnO压敏电阻在高压变频器过电压保护中的应用[J].电工技术学报，2012，4：145-152.

[2]张文俊.中性点箝位三电平高压变频器的过电压保护研究[J].西部资源，2012，6：178-183.

[3]何柏岩.IGBT串联均压高压变频器的研究[D].哈尔滨理工大学，2014.

[4]姜茹，解险峰.火电厂高压变频器控制与保护设计分析[J].电气应用，2014，6：59-63.