IGBT高压变频调速电源

摘要：提出用于高压电动机变频调速电源需考虑的串联、谐波和效率等几个问题；介绍由全控型电力电子器件IGBT按多重化PWM控制技术构成、目前已商品化的高压变频器，可用于中、高压交流电动机的直接变频调速。

Abstract:This paper pointed out a few problems of series,harmonic and efficiency etc.,to be needed considering,it introduced constructed by all－ controlling power electronics device IGBT by means of multi－ PWM control technology,and this kind of convertor can be the used for direct frequency conversion governor of midolle/high－ voltage A.C mo tors.

关键词：交流调速电源高压变频IGBT多重化

PWM Keywords:A.C.governor's PS， High－ voltage frequency conversion， IGBT,Multi－ PWM

1引言

众所周知，电力传动中，交流电动机较直流电动机结构简单、制造容易、价格便宜、维修方便，因而被大量使用。然而在起动和调速性能方面，交流机较直流机麻烦或困难。

　　交流电机的同步转速n0=60f/p。可见，只要能连续地改变供电电源的频率f，便能平滑地调节交流电动机的转速（式中p为电机的极对数，只能有级且有限地改变）。

　　由于电力电子技术的发展，现在由电力半导体器件构成的静止式变频器已很成熟，因而交流电动机的变压变频（VVVF）调速已日益普及，其优越性亦广为人们所熟知。

　　但是变频调速至今主要还是应用在中、小容量和低压电机上，而在矿山、冶金、化工、石油、建材等工业部门和水厂、电厂，使用着大量的中、高压风机、水泵、压缩机和搅拌机等，这些机械功率都在几百千瓦以上，有的高达数千甚至上万千瓦，它们消耗的电能是非常可观的。

此前，这类机械大多采用恒速交流传动，而以挡板、阀门或空放回流的办法进行输出量的调节，白白损失大量的电能。因此，在这类机械上采用变频调速，根据输出量的要求用电气手段改变输出功率，对节能有着巨大意义。

2高压变频调速电源的几个问题

　　（1）串联

按理，在装置要求高压而器件耐压能力有限的情况下，可采用器件串联的办法来满足。但是器件的串联使用，因各器件的动态电阻和极电容不同，而存在稳态和动态均压问题。如采取与器件并R和RC的均压措施，会使电路复杂，损耗增加；同时，器件串联对驱动电路的要求也大大提高，要尽量做到串联器件同时导通和关断。否则，由于各器件开、断时间不一，承受电压不均，会导致器件损坏甚至整个装置崩溃。

（2）谐波

这是所有交直交变频器的共同问题，但是在大功率变频调速中更为突出。谐波污染电网，将殃及同一电网上的其它设备，甚至影响电力系统的正常运行，谐波电流也使电机发热，损耗增加，功率因数下降，不得不“降额”使用。

（3）效率

装置功率愈大，效率问题也愈益重要。为提高效率，必须设法尽量减少功率开关器件和变频电源中的损耗。

基于上述几方面的考虑，用全控型电力电子器件IGBT组成的、用于交流电动机变频调速的高压变频器，采用“功率单元”串接的新型结构，即用多个低压的脉宽调制（PWM）逆变器作功率单元，将它们按多重化格式组成高压变频器，能较好地解决这几个问题。

3IGBT高压变频器

图1（a）,(b)是一台6000V变频器的主电路拓朴和连接图。每相由5个额定电压为690V的功率单元

串联，因此相电压为5×690V=3450V，所对应的线电压为6000V（如果每相用4个480V的功率单元串接时，输出线电压则为3300V）。每个功率单元由输入隔离变压器的15个二次绕组分别供电，15个二次绕组分成5组，每组之间存在一个相位差。图1(b)中以中间△接法为参考（0°），上下方各有两套分别超前（＋）和滞后（－）12°,24°的4组绕组。所需相差角度可通过变压器的不同联接组别来实现。

图1中的每个功率单元都是由绝缘门双极晶体管（IGBT）构成的三相输入、单相输出的低压PWM电压型逆变器，主电路见图2。每个功率单元输出电压为1,0,－1三种状态电平，每相5个单元叠加，就可产生11种不同的电平等级，分别为±5,±4,±3,±2,±1和0。图3为一相合成的正弦输出电压波形。用这种多重化方法构成的高压变频器，也称为单元串联多电平PWM电压型变频器。

图1所示高压变频器，由于每相由5个690V的

图16000V变频器的主电路

图2功率单元

图3输出电压波形