高壓變頻節(jié)能系統(tǒng)主電路系統(tǒng)設計

王克勇

（合肥職業(yè)技術學院，安徽巢湖　238000）

高壓變頻節(jié)能系統(tǒng)主電路系統(tǒng)設計

王克勇

（合肥職業(yè)技術學院，安徽巢湖238000）

文章設計的高壓變頻裝置采用隔離多繞組移相變壓器的設計和繞組匝數(shù)的計算方法，移相形成的脈動整流使得輸入側具有良好的功率因數(shù)和諧波性能；基于IGBT的H橋逆變電路構成的功率單元，是高壓變頻裝置的功率逆變回路，是實現(xiàn)功率傳送變換的關鍵。由該主電路系統(tǒng)組成的高壓變頻裝置可以實現(xiàn)調速節(jié)能和改善工藝。

高壓變頻；H橋級聯(lián)多電平逆變器；多繞組移相變壓器；多電平PWM方法

由于一次性非再生能源如煤炭、原油、天然氣等的有限性，為了解決電力資源的約束，在電源建設時，需要將提高電力能源的使用效率作為設計門檻，使用節(jié)約能源的技術措施，最大限度的降低能耗。因此，作為節(jié)能產業(yè)關鍵技術之一的高壓變頻調速技術，憑借其在節(jié)能效果、功率因數(shù)、調速性能及適用性方面的突出表現(xiàn)，已成為節(jié)能產業(yè)的主要發(fā)展方向［1］。

1.概述

高壓變頻裝置是一種集智能控制、電力、電子等知識于一體的智能設備。系統(tǒng)主電路的總體方案采用H橋級聯(lián)多電平逆變器為主回路拓撲，采用移向隔離變壓器將三相6kV高壓交流電，變換成3×5組錯相的三相690V低壓交流電，分別經功率單元整流、逆變、串聯(lián)疊加形成0-6kV、0-50Hz、0-120Hz的變頻高壓交流電壓輸出至異步電動機。由于移相對電網側形成了30脈動整流，即產生的諧波主要為29次和31次，輸入電壓、電流諧波的含量僅有1.2%左右，遠低于GB/T14549-93規(guī)定小于4%的要求；在20%以上負載情況下功率因數(shù)均能達到0.95，效率高達96%；5個PWM方波的疊加使輸出電壓的諧波僅為10%，電流波形近似為正弦波，幾乎沒有脈動轉矩（小于0.1%）。

2.多繞組移相變壓器

2.1多繞組移相變壓器基本模型

多繞組移相變壓器將輸入的三相6kV交流電變成3×5組互差120電角度的690V低壓三相交流電分別供給功率柜的15個整流逆變功率單元。

圖1所示為多繞組移相變壓器單相電路的基本模型。

圖中，變壓器原邊和副邊繞組之間的匝數(shù)關系為表1所示：

2.2變壓器繞組的匝數(shù)計算

相位關系示意圖如圖2所示，變壓器原副邊繞組匝數(shù)計算可分為兩個部分，分別是:

（1）副邊相位超前時，

圖1　多繞組移相變壓器單相電路的基本模型

表1　　變壓器原邊和副邊繞組之間的匝數(shù)關系

圖2　相位關系示意圖

如120和240

如圖所示，由原副邊電壓的幅值與相位關系可以得到以下兩個方程式：

2）副邊相位滯后時，如-120°和-240°

將上述（1）式中的1500換成300計算后，可以得到電壓的關系。

其中ua2為副邊“△”聯(lián)接的輸出相電壓，ua3為副邊“Y”接輸出相電壓，uas為需要的二次側繞組輸出線電壓。

3.功率單元

功率單元是變頻器主回路的核心部分，由15個功率單元組成，按A、B、C三相分成三組，其中每組5個功率單元輸出串聯(lián)在一起疊加成一相輸出，最終形成0～6kV，0～50Hz可調的三相近似正弦的交流電輸出。三組串聯(lián)功率單元的另一端連在一起，作為輸出三相交流電的中性點?？刂葡到y(tǒng)的PWM調制信號和功率單元的狀態(tài)信號均通過光纖傳遞，保證高低壓系統(tǒng)的絕緣隔離和避免強電磁干擾。

如圖3所示，每個功率單元為獨立的一個單相H橋逆變電路，輸入為三相交流電壓，輸出為單相變壓變頻的交流電壓。

功率模塊由二極管整流電路、直流濾波電路、逆變電路、旁路電路和二次電路等幾個主要部分組成。

3.1二極管整流電路

三相整流橋將交流輸入電壓轉換為直流電壓，經過充電電路后給直流濾波電容供電，如圖4所示。

圖3　功率單元原理圖

圖4　三相整流電路圖

整流二極管參數(shù)計算

額定電壓按下式計算，即

根據電網電壓，考慮到其峰值、波動、閃電雷擊等因素，式中：α0為安全系數(shù)，取1.2；Ka為常數(shù)，??；Kb為電源電壓波動系數(shù)，取1.1；U21為交流輸入線電壓有效值（V）［2］；

額定電流按下式計算，即

式中：α1為電流安全系統(tǒng)，取常數(shù)2；P為變頻裝置容量（VA）；Ki為電流變換系數(shù)，取2.45；N為每相串聯(lián)的功率單元數(shù)；IF為二極管額定電流；P按總功率進行分配［1］。

功率單元的輸入電壓為交流690V，整流后最大直流電壓約為975V（690V×）考慮到系統(tǒng)側的電壓波動，最大的可能直流電壓約為1170V（975V× 1.2），因此，選擇耐壓為1800V（975V×1.2×1.1×）的整流二極管。

3.2直流濾波電路

直流濾波電路包括晶閘管充電電路、電解電容串聯(lián)電路和均壓電阻電路。

晶閘管充電電路由充電電阻和充電晶閘管并聯(lián)組成。在電解電容電壓低于欠電壓保護閾值時，充電晶閘管關斷，交流電壓經過整流后通過充電電阻給電解電容充電。充電電阻阻值的選擇需要與晶閘管的耐壓等級、晶閘管兩端的吸收電路參數(shù)等結合起來考慮。

3.3逆變電路

逆變電路為基于IGBT的H橋逆變電路，如圖，5所示。選用兩個1700V/300A的對管IGBT。

圖5　基于IGBT的H橋逆變器電路圖

3.4旁路電路

一旦功率單元的整流或逆變環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障，并聯(lián)的旁路回路將通過觸發(fā)晶閘管導通使得該功率單元被短接旁通，此時，系統(tǒng)將自動把另外兩相相同位置的兩個單元同時也短路旁通，這樣整個系統(tǒng)仍可以在降額4/5或3/5的情況下保持較長時間的運行。旁路回路為可選件，一般在不允許停機的特殊場合選用。旁路電路如圖6所示。

當單元發(fā)生故障時，控制系統(tǒng)首先關閉主回路上的四只IGBT，然后同時開通上面或下面兩只IGBT，從圖中可以看出，不管是正向電流，還是負向電流都能形成回路，達到讓單元輸出短路的目的。該電路的優(yōu)勢還在于，由于IGBT的接通和關斷方便，當在旁路運行時如果故障消除，在系統(tǒng)控制下可以很容易退出旁路運行而恢復到正常運行狀態(tài)［3］。

圖6　旁路電路

4.結束語

隨著智能控制技術的發(fā)展，大量的自動控制設備在各個領域的成功應用，大大提高了產品性能和智能化，不僅在改進生產工藝、提高產品質量方面，而且在簡化生產控制方面發(fā)揮了重大作用。傳統(tǒng)的高壓交流電動機均由工頻直接驅動，因電流畸變所產生的電磁干擾和諧波污染已成為日益嚴重的問題。改用本文設計的主電路系統(tǒng)組成的高壓變頻裝置驅動后，不但能夠實現(xiàn)調速節(jié)能，還能改善現(xiàn)場工藝，可帶來豐厚的經濟效益和社會效益。

［1］朱云山.基于變頻調速技術的節(jié)能改造研究［D］.保定：華北電力大學，2011：1-6.

［2］吳濤.基于DSP SVPWM矢量控制系統(tǒng)［J］.機械與電子，2008，（7）：26-27.

［3］鄭成陽，崔楊.具有旁通功能和故障恢復功能的變頻器［P］.中國專利：CN200959575，2007-10-10.研究，2011，（1）。

（責任編輯：劉偉）

⑧陳建憲.走向田野回歸文本——中國神話學理論建設反思之一［J］.民俗研究，2003（4）；此處，吊銷戶口指 1997年，國家學位設置中取消了民間文學的二級學科設置。

⑨同⑧。

⑩同⑦。

?周福巖.表演理論與民間故事研究［J］.鞍山師范學院學報，2001年，第1期。

?同⑧。

王克勇（1978－），男，山東臨清人，合肥職業(yè)技術學院汽車系團委副書記，助理講師，碩士，研究方向：電子與通信工程。

TM921.51

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1671-752X（2015）01-0065-03

2015-01-26