高压大功率变频器主电路拓扑和控制策略

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1、高压大功率变频器主电路拓扑和控制策略摘要：本文对高压大功率变频器的拓扑结构和控制策略进行了分析和介绍，并给出了一些仿真和实验波形。英文摘要：The topology and control strategy are introduced and analyzed in this paper, some simulation and experiment waveform are given, too.关键词：高压大功率变频器   拓扑   控制策略1 引言 高压大功率变频器是近年来电力电子行业的研究热点，经过20多年的发展，其理论研究和拓扑结构出现了多个分支，下面将对高压大功率

2、变频器的拓扑和控制策略进行综述。2 高压大功率变频器主电路拓扑 近年来，各种高压变频器不断出现，可是到目前为止，高压变频器还没有像低压变频器那样近乎统一的拓扑结构。根据高压组成方式，可分为直接高压型和高-低-高型;根据有无中间直流环节，可以分为交-交变频器和交-直-交变频器。在交-直-交变频器中，根据中间直流滤波环节的不同，又可分为电压源型(也称电压型)和电流源型(也称电流型)。高-低-高型变频器采用变压器实行输入降压、输出升压的方式，其实质上还是低压变频器，只不过从电网和电动机两端来看是高压的，这是受到功率器件电压等级技术条件的限制而采取的变通办法，需要输入、输出变压器，存在

3、中间低压环节电流大、效率低下、可靠性下降、占地面积大等;缺点:只用于一些小容量高压电动机的简单调速。常规的交-交变频器由于受到输出最高频率的限制，只用在一些低速、大容量的特殊场合。顺便指出，国内习惯称作的高压变频器，实际上电压一般为2.3~10kV，国内主要为3.6kV和10kV，和电网电压相比，只能算作中压，故国外常称为中压变频器[1][2]。2.1高-低-高结构 该种结构将输入高压经降压变压器变成380V的低电压，然后用普通变频器进行变频，再由升压变压器将电压变回高压。很明显，该种中高压变频装置的优点是可利用现有的低压变频技术来实现高压变频，易于实现，价格低;其缺点是使用了

4、降压和升压2台变压器，系统体积大、成本高、效率低、低频时能量传输困难等。其拓扑结构如图1所示。图1    高－低－高变频器结构2.2多重化技术 采用多重化技术也是用小功率器件实现大功率变换的一种方法。所谓多重化技术就是每相由几个低压PWM功率单元在其输出端通过某种方式(如变压器)串联或并联组成。各功率单元由一个多绕组的隔离变压器供电，由低压PWM变频单元串联叠加达到高压输出或并联达到大容量输出的目的。其中每一个功率单元都是分别进行整流、滤波、逆变的。目前功率单元都采用二电平方案，开关器件电压等级只要考虑功率单元内的中间直流电路电压值。多重化技术可以大大降低谐波含量，提高功率因数

5、。在电压型变频器组成的多重化系统中，为防止由于不同变压器副边绕组电压差而形成环流，通常在副边采取串联方式联接。相应地，在电流型变频器组成的多重化系统中，副边绕组一般采用并联连接。但是多重化技术需要引入结构复杂的大容量隔离变压器;所需主管数量较多，增加了设备投入，造价昂贵，还需要占用一定安装空间;多重化技术对控制精度要求也较高。2.3多管直接串联的两电平变换电路 将器件串、并联使用，是满足系统容量要求的一个简单直观的办法。串、并联在一起的各个器件，被当作单个器件使用，其控制也是完全相同的。这种结构的优点是可利用较为成熟的低压变频器的电路拓扑、控制策略和控制方法;其难点是串联开关管

6、需要动态均压和静态均压，因此对驱动、控制电路的要求也大大提高，还需要解决dv/dt，抗共模电压技术、正弦波滤波技术等问题。国内成都佳灵电气制造有限公司生产的高压变频器采用这种拓扑结构并申请了专利，解决了IGBT直接串联的世界难题，代表了高压变频器的一个发展方向[3]。其拓扑结构如图2所示，它完全舍弃了输入输出变压器，使得IGBT直接串联高压变频器成为目前世界上体积与占地面积最小的产品。图2     IGBT直接串联高压变频器2.4二极管钳位型三电平变换电路 为了解决器件直接串联时所需要的均压问题，逐渐发展出以器件串、井联为基础，各器件分别控制的变流器结构。在这方面，日本学者A.

7、Nabae于80年代初提出的中点箝位型PWM逆变电路结构具有开创性的意义[4]。二极管箝位型变流器的结构如图3所示，该变流器的输出相电压为三电平。如果去掉两个箝位二极管，这种变流器就是用两个功率器件串联使用代替单个功率器件的半桥逆变电路。由于两个箝位二极管的存在，各个器件能够分别进行控制，因而避免了器件直接串联引起的动态均压问题。与普通的二电平变流器相比，由于输出电压的电平数有所增加，每个电平幅值相对降低，由整个直流母线电压降为一半直流母线电压，在同等开关频率的前提下，可使输出波形质量有较大