浅析高压变频器功率单元的技术原理及应用

侯玉光

Analysis of the Technical Principle and Application of High Voltage Inverter Power Unit

摘要：现在的工业中运用高压变频器的地方随处可见；随着全控型电力电子器件的出现，交-直-交PWM型高压变频器以其谐波小，稳定性好迅速占领市场。而交-直-交变频器普遍采用单元级联式多电平变频器。

Abstract： Nowadays， the high-voltage inverters are widely used in industry. With the emergence of fully-controlled power electronics， AC-DC-AC PWM high-voltage inverters dominate the market with their small harmonics and good stability. The AC-DC-AC frequency converters commonly use cell cascade multilevel inverters.

关键词：高压变频器；交-直-交；单元级联式多电平

Key words： high-voltage frequency converter；AC-DC-AC；unit cascade multilevel

中图分类号：TM921.51 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）15-0182-02

0 引言

自从1994年美国罗宾康公司推出第一台单元级联式多电平高压变频器，其他电气公司也相继推出属于自己的产品，直到2000年北京利德华福电气技术有限公司推出第一台国产的单元级联式多电平高压变频器[1]。在国内的高压变频器市场上，利德华福的占有率高达30%。

1 高压变频器的结构

①控制柜：控制柜由主控制器、人机界面（嵌入式工控机）、PLC三大部分构成，三大部分各有分工，又互相通讯、协同工作。

②变压器柜：移相变压器为干式变压器，H级绝缘，系统温度可达185℃，能够完全消除电网侧电压、电流谐波。

③旁路柜：变频器出现故障停机时，风机水泵等切换到旁路柜直接启动。

④功率柜：三相都由多个功率单元级联而成，每个功率单元都是变频器主回路的骨架。

2 功率单元的技术原理

高压功率单元主要由整流桥，电解电容，均压电阻，IGBT模块，旁路，温度继电器，单元控制板，驱动板组成。（图1）

①整流桥由二极管三相全桥进行不控全波整流，其作用是将移相变压器副边绕组输出的690V交流电转变成980V的直流电。

②电解电容具有滤波和储能的作用。从移相变压器副边绕组输出的交流电是一个畸波电流，只有通过电解电容对其进行平滑滤波之后，才会得到较好的直流波形。

③均压电阻是为了保证同一功率单元内电解电容分压一致，通常在每一个电解电容的两端都并联一个均压电阻。

④IGBT模块作为大功率电子器件，其具有工作频率高、驱动功率小、开关能耗小等优点。在一个功率单元里有两个IGBT模块，他们共同组成功率模块的逆变电路。控制系统通过对两只IGBT模块开关时间的控制，来达到改变功率单元输出频率的目的，也是它将980V的直流电转换成0-690V的交流电。

⑤旁路是在每个功率单元的输出端之间并联一个旁路电路，当某个功率单元故障时，封锁对应功率单元IGBT的触发信号，然后让旁路SCR导通，保证电机电流能通过，仍形成通路。

从变频器系统类型上区分旁路，可以划分为两类，一类是同级旁路；一类是单模块旁路[2]。

同级旁路：当某个模块发生故障时，该模块旁路运行，同一级上的另外两个模块也要同时旁路运行[3]。同级旁路的优点是：每个功率单元输出电压一致，三相相电压平衡，中性点不需要偏移，主控逻辑算法简单，可以满足用户特定时间内不能停机的需求。同级旁路的缺点是：需要降额运行，且不能长时间运行，有些场合无法达到用户的要求。

单模块旁路：当某个模块发生故障时，该模块旁路，其他模块正常运行[4]。单模块旁路的优点是：可以同时损坏两个功率单元不停机，保持设备在特定功率内可以降额运行，三相线电压平衡，可以满足用户特定时间内不能停机的需求。单模块旁路的缺点是：需要降额运行，引用中性点偏移技术，主控逻辑运算复杂，且不能长时间运行，有些场合无法达到用户要求。

⑥温度继电器安装在功率单元内IGBT模块之间，主要用于测量功率单元的温度，且每一个功率单元里并联安装了两个温度继电器。

功率单元内一般并联两个常闭式温度继电器，当温度上升到80℃时温度继电器断开，功率单元就会出现过热保护。当两个温度继电器都损坏或者没有接线时都会出现过热保护。

⑦单元控制板是系统的控制器与功率单元之间的通讯接口。控制器发给功率单元的命令，由单元控制板接受并转发；功率单元需要传递给控制器的信号（如功率单元报过压、欠压、过热、过流、光纤等故障，或者启动旁路信号）都需要单元控制板转发给控制器。

⑧驱动板的作用是给IGBT模块发出驱动信号，给旁路里的可控硅发出触发信号。

3 功率单元的应用

现在市场上存在的高压变频器多数属于单元级联式变频器，所以功率单元在整个变频器中有不可或缺的作用。而且單个功率单元里面的各元器件之间联系也很紧密。比如旁路功能的实现就必须满足几个条件：①功率单元驱动板及单元控制板正常。②旁路组件正常。③旁路驱动电路正常。④功率单元到控制系统通讯正常。⑤功率单元及各板件供电正常。随着科学技术的日益发展，市场已经出现不需要单元级联的变频器，但是功率单元的位置无法被取代。

4 结束语

伴随着高压变频器步入一个无需级联的时代，功率单元的设计原理和结构也将会有明显的更新；但是近5-10年单元级联式变频器还会是市场的主流产品。科技的进步一定会让高压变频器的性能更稳定，从两电平-三电平-多电平的变化使得变频器稳定性更好，让应用者更加放心。

参考文献：

[1]倚鹏.高压大功率变频器技术原理与应用[M].人民邮电出版社，2008，2.

[2]绳伟辉，干永革.H桥级联型高压变频器单元旁路技术的研究[J].全国冶金自动化信息网，2014，5.

[3]臧义，孙红鸽，徐彬.级联逆变器单元故障处理方法研究[J].电气传动，2009（07）.

[4]王旭，臧义，徐彬，林家泉.基于开关管的级联H桥逆变器故障处理方法[J].中国电机工程学报，2007（07）.