淺析高壓變頻器功率單元的技術原理及應用

侯玉光

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

摘要：現(xiàn)在的工業(yè)中運用高壓變頻器的地方隨處可見；隨著全控型電力電子器件的出現(xiàn)，交-直-交PWM型高壓變頻器以其諧波小，穩(wěn)定性好迅速占領市場。而交-直-交變頻器普遍采用單元級聯(lián)式多電平變頻器。

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.

關鍵詞：高壓變頻器；交-直-交；單元級聯(lián)式多電平

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

中圖分類號：TM921.51 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）15-0182-02

0 引言

自從1994年美國羅賓康公司推出第一臺單元級聯(lián)式多電平高壓變頻器，其他電氣公司也相繼推出屬于自己的產品，直到2000年北京利德華福電氣技術有限公司推出第一臺國產的單元級聯(lián)式多電平高壓變頻器[1]。在國內的高壓變頻器市場上，利德華福的占有率高達30%。

1 高壓變頻器的結構

①控制柜：控制柜由主控制器、人機界面（嵌入式工控機）、PLC三大部分構成，三大部分各有分工，又互相通訊、協(xié)同工作。

②變壓器柜：移相變壓器為干式變壓器，H級絕緣，系統(tǒng)溫度可達185℃，能夠完全消除電網(wǎng)側電壓、電流諧波。

③旁路柜：變頻器出現(xiàn)故障停機時，風機水泵等切換到旁路柜直接啟動。

④功率柜：三相都由多個功率單元級聯(lián)而成，每個功率單元都是變頻器主回路的骨架。

2 功率單元的技術原理

高壓功率單元主要由整流橋，電解電容，均壓電阻，IGBT模塊，旁路，溫度繼電器，單元控制板，驅動板組成。（圖1）

①整流橋由二極管三相全橋進行不控全波整流，其作用是將移相變壓器副邊繞組輸出的690V交流電轉變成980V的直流電。

②電解電容具有濾波和儲能的作用。從移相變壓器副邊繞組輸出的交流電是一個畸波電流，只有通過電解電容對其進行平滑濾波之后，才會得到較好的直流波形。

③均壓電阻是為了保證同一功率單元內電解電容分壓一致，通常在每一個電解電容的兩端都并聯(lián)一個均壓電阻。

④IGBT模塊作為大功率電子器件，其具有工作頻率高、驅動功率小、開關能耗小等優(yōu)點。在一個功率單元里有兩個IGBT模塊，他們共同組成功率模塊的逆變電路?？刂葡到y(tǒng)通過對兩只IGBT模塊開關時間的控制，來達到改變功率單元輸出頻率的目的，也是它將980V的直流電轉換成0-690V的交流電。

⑤旁路是在每個功率單元的輸出端之間并聯(lián)一個旁路電路，當某個功率單元故障時，封鎖對應功率單元IGBT的觸發(fā)信號，然后讓旁路SCR導通，保證電機電流能通過，仍形成通路。

從變頻器系統(tǒng)類型上區(qū)分旁路，可以劃分為兩類，一類是同級旁路；一類是單模塊旁路[2]。

同級旁路：當某個模塊發(fā)生故障時，該模塊旁路運行，同一級上的另外兩個模塊也要同時旁路運行[3]。同級旁路的優(yōu)點是：每個功率單元輸出電壓一致，三相相電壓平衡，中性點不需要偏移，主控邏輯算法簡單，可以滿足用戶特定時間內不能停機的需求。同級旁路的缺點是：需要降額運行，且不能長時間運行，有些場合無法達到用戶的要求。

單模塊旁路：當某個模塊發(fā)生故障時，該模塊旁路，其他模塊正常運行[4]。單模塊旁路的優(yōu)點是：可以同時損壞兩個功率單元不停機，保持設備在特定功率內可以降額運行，三相線電壓平衡，可以滿足用戶特定時間內不能停機的需求。單模塊旁路的缺點是：需要降額運行，引用中性點偏移技術，主控邏輯運算復雜，且不能長時間運行，有些場合無法達到用戶要求。

⑥溫度繼電器安裝在功率單元內IGBT模塊之間，主要用于測量功率單元的溫度，且每一個功率單元里并聯(lián)安裝了兩個溫度繼電器。

功率單元內一般并聯(lián)兩個常閉式溫度繼電器，當溫度上升到80℃時溫度繼電器斷開，功率單元就會出現(xiàn)過熱保護。當兩個溫度繼電器都損壞或者沒有接線時都會出現(xiàn)過熱保護。

⑦單元控制板是系統(tǒng)的控制器與功率單元之間的通訊接口?？刂破靼l(fā)給功率單元的命令，由單元控制板接受并轉發(fā)；功率單元需要傳遞給控制器的信號（如功率單元報過壓、欠壓、過熱、過流、光纖等故障，或者啟動旁路信號）都需要單元控制板轉發(fā)給控制器。

⑧驅動板的作用是給IGBT模塊發(fā)出驅動信號，給旁路里的可控硅發(fā)出觸發(fā)信號。

3 功率單元的應用

現(xiàn)在市場上存在的高壓變頻器多數(shù)屬于單元級聯(lián)式變頻器，所以功率單元在整個變頻器中有不可或缺的作用。而且單個功率單元里面的各元器件之間聯(lián)系也很緊密。比如旁路功能的實現(xiàn)就必須滿足幾個條件：①功率單元驅動板及單元控制板正常。②旁路組件正常。③旁路驅動電路正常。④功率單元到控制系統(tǒng)通訊正常。⑤功率單元及各板件供電正常。隨著科學技術的日益發(fā)展，市場已經出現(xiàn)不需要單元級聯(lián)的變頻器，但是功率單元的位置無法被取代。

4 結束語

伴隨著高壓變頻器步入一個無需級聯(lián)的時代，功率單元的設計原理和結構也將會有明顯的更新；但是近5-10年單元級聯(lián)式變頻器還會是市場的主流產品?？萍嫉倪M步一定會讓高壓變頻器的性能更穩(wěn)定，從兩電平-三電平-多電平的變化使得變頻器穩(wěn)定性更好，讓應用者更加放心。

參考文獻：

[1]倚鵬.高壓大功率變頻器技術原理與應用[M].人民郵電出版社，2008，2.

[2]繩偉輝，干永革.H橋級聯(lián)型高壓變頻器單元旁路技術的研究[J].全國冶金自動化信息網(wǎng)，2014，5.

[3]臧義，孫紅鴿，徐彬.級聯(lián)逆變器單元故障處理方法研究[J].電氣傳動，2009（07）.

[4]王旭，臧義，徐彬，林家泉.基于開關管的級聯(lián)H橋逆變器故障處理方法[J].中國電機工程學報，2007（07）.