高压变频节能系统主电路系统设计

王克勇

（合肥职业技术学院，安徽巢湖　238000）

高压变频节能系统主电路系统设计

王克勇

（合肥职业技术学院，安徽巢湖238000）

文章设计的高压变频装置采用隔离多绕组移相变压器的设计和绕组匝数的计算方法，移相形成的脉动整流使得输入侧具有良好的功率因数和谐波性能；基于IGBT的H桥逆变电路构成的功率单元，是高压变频装置的功率逆变回路，是实现功率传送变换的关键。由该主电路系统组成的高压变频装置可以实现调速节能和改善工艺。

高压变频；H桥级联多电平逆变器；多绕组移相变压器；多电平PWM方法

由于一次性非再生能源如煤炭、原油、天然气等的有限性，为了解决电力资源的约束，在电源建设时，需要将提高电力能源的使用效率作为设计门槛，使用节约能源的技术措施，最大限度的降低能耗。因此，作为节能产业关键技术之一的高压变频调速技术，凭借其在节能效果、功率因数、调速性能及适用性方面的突出表现，已成为节能产业的主要发展方向［1］。

1.概述

高压变频装置是一种集智能控制、电力、电子等知识于一体的智能设备。系统主电路的总体方案采用H桥级联多电平逆变器为主回路拓扑，采用移向隔离变压器将三相6kV高压交流电，变换成3×5组错相的三相690V低压交流电，分别经功率单元整流、逆变、串联叠加形成0-6kV、0-50Hz、0-120Hz的变频高压交流电压输出至异步电动机。由于移相对电网侧形成了30脉动整流，即产生的谐波主要为29次和31次，输入电压、电流谐波的含量仅有1.2%左右，远低于GB/T14549-93规定小于4%的要求；在20%以上负载情况下功率因数均能达到0.95，效率高达96%；5个PWM方波的叠加使输出电压的谐波仅为10%，电流波形近似为正弦波，几乎没有脉动转矩（小于0.1%）。

2.多绕组移相变压器

2.1多绕组移相变压器基本模型

多绕组移相变压器将输入的三相6kV交流电变成3×5组互差120电角度的690V低压三相交流电分别供给功率柜的15个整流逆变功率单元。

图1所示为多绕组移相变压器单相电路的基本模型。

图中，变压器原边和副边绕组之间的匝数关系为表1所示：

2.2变压器绕组的匝数计算

相位关系示意图如图2所示，变压器原副边绕组匝数计算可分为两个部分，分别是:

（1）副边相位超前时，

图1　多绕组移相变压器单相电路的基本模型

表1　　变压器原边和副边绕组之间的匝数关系

图2　相位关系示意图

如120和240

如图所示，由原副边电压的幅值与相位关系可以得到以下两个方程式：

2）副边相位滞后时，如-120°和-240°

将上述（1）式中的1500换成300计算后，可以得到电压的关系。

其中ua2为副边“△”联接的输出相电压，ua3为副边“Y”接输出相电压，uas为需要的二次侧绕组输出线电压。

3.功率单元

功率单元是变频器主回路的核心部分，由15个功率单元组成，按A、B、C三相分成三组，其中每组5个功率单元输出串联在一起叠加成一相输出，最终形成0～6kV，0～50Hz可调的三相近似正弦的交流电输出。三组串联功率单元的另一端连在一起，作为输出三相交流电的中性点。控制系统的PWM调制信号和功率单元的状态信号均通过光纤传递，保证高低压系统的绝缘隔离和避免强电磁干扰。

如图3所示，每个功率单元为独立的一个单相H桥逆变电路，输入为三相交流电压，输出为单相变压变频的交流电压。

功率模块由二极管整流电路、直流滤波电路、逆变电路、旁路电路和二次电路等几个主要部分组成。

3.1二极管整流电路

三相整流桥将交流输入电压转换为直流电压，经过充电电路后给直流滤波电容供电，如图4所示。

图3　功率单元原理图

图4　三相整流电路图

整流二极管参数计算

额定电压按下式计算，即

根据电网电压，考虑到其峰值、波动、闪电雷击等因素，式中：α0为安全系数，取1.2；Ka为常数，取；Kb为电源电压波动系数，取1.1；U21为交流输入线电压有效值（V）［2］；

额定电流按下式计算，即

式中：α1为电流安全系统，取常数2；P为变频装置容量（VA）；Ki为电流变换系数，取2.45；N为每相串联的功率单元数；IF为二极管额定电流；P按总功率进行分配［1］。

功率单元的输入电压为交流690V，整流后最大直流电压约为975V（690V×）考虑到系统侧的电压波动，最大的可能直流电压约为1170V（975V× 1.2），因此，选择耐压为1800V（975V×1.2×1.1×）的整流二极管。

3.2直流滤波电路

直流滤波电路包括晶闸管充电电路、电解电容串联电路和均压电阻电路。

晶闸管充电电路由充电电阻和充电晶闸管并联组成。在电解电容电压低于欠电压保护阈值时，充电晶闸管关断，交流电压经过整流后通过充电电阻给电解电容充电。充电电阻阻值的选择需要与晶闸管的耐压等级、晶闸管两端的吸收电路参数等结合起来考虑。

3.3逆变电路

逆变电路为基于IGBT的H桥逆变电路，如图，5所示。选用两个1700V/300A的对管IGBT。

图5　基于IGBT的H桥逆变器电路图

3.4旁路电路

一旦功率单元的整流或逆变环节出现故障，并联的旁路回路将通过触发晶闸管导通使得该功率单元被短接旁通，此时，系统将自动把另外两相相同位置的两个单元同时也短路旁通，这样整个系统仍可以在降额4/5或3/5的情况下保持较长时间的运行。旁路回路为可选件，一般在不允许停机的特殊场合选用。旁路电路如图6所示。

当单元发生故障时，控制系统首先关闭主回路上的四只IGBT，然后同时开通上面或下面两只IGBT，从图中可以看出，不管是正向电流，还是负向电流都能形成回路，达到让单元输出短路的目的。该电路的优势还在于，由于IGBT的接通和关断方便，当在旁路运行时如果故障消除，在系统控制下可以很容易退出旁路运行而恢复到正常运行状态［3］。

图6　旁路电路

4.结束语

随着智能控制技术的发展，大量的自动控制设备在各个领域的成功应用，大大提高了产品性能和智能化，不仅在改进生产工艺、提高产品质量方面，而且在简化生产控制方面发挥了重大作用。传统的高压交流电动机均由工频直接驱动，因电流畸变所产生的电磁干扰和谐波污染已成为日益严重的问题。改用本文设计的主电路系统组成的高压变频装置驱动后，不但能够实现调速节能，还能改善现场工艺，可带来丰厚的经济效益和社会效益。

［1］朱云山.基于变频调速技术的节能改造研究［D］.保定：华北电力大学，2011：1-6.

［2］吴涛.基于DSP SVPWM矢量控制系统［J］.机械与电子，2008，（7）：26-27.

［3］郑成阳，崔杨.具有旁通功能和故障恢复功能的变频器［P］.中国专利：CN200959575，2007-10-10.研究，2011，（1）。

（责任编辑：刘伟）

⑧陈建宪.走向田野回归文本——中国神话学理论建设反思之一［J］.民俗研究，2003（4）；此处，吊销户口指 1997年，国家学位设置中取消了民间文学的二级学科设置。

⑨同⑧。

⑩同⑦。

⑪周福岩.表演理论与民间故事研究［J］.鞍山师范学院学报，2001年，第1期。

⑫同⑧。

王克勇（1978－），男，山东临清人，合肥职业技术学院汽车系团委副书记，助理讲师，硕士，研究方向：电子与通信工程。

TM921.51

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2015-01-26