基于電力電子變壓器的高壓變頻器預充電方法及裝置

司 偉

（中冶華天南京工程技術有限公司，江蘇 南京 210019）

1 背景技術

隨著電力電子技術的發(fā)展和高壓變頻器技術研究的深入，高壓變頻器日益廣泛地被應用于風機、水泵、壓縮機等大功率機械設備的驅動系統(tǒng)。特別是級聯型高壓變頻器，作為適合中國國情、性能優(yōu)異的變頻器，受到了眾多變頻器生產廠商、科研院所、工程技術人員以及用戶等的青睞。

此種高壓變頻器在每次開機運行時，需要先建立直流母線電壓。由于級聯型高壓變頻器的每相電壓都是由多個功率單元串聯輸出構成的，而每個獨立功率單元也有許多電容，因此整個系統(tǒng)在上電時，對巨大的輸入沖擊電流進行抑制十分必要，迫切地需要一種預充電電路來減小沖擊電流，使其對電網和本系統(tǒng)的沖擊降低到合理范圍，從而提高系統(tǒng)的可靠度，也減小對電網的干擾。

目前，在普通級聯型高壓變頻器中，對上電沖擊電流的控制方法主要有兩種。一種方法是在變頻器的高壓輸入側安裝激磁涌流抑制電路。該電路由限流電阻和與之并聯的高壓開關組成，串聯在高壓電源與高壓變頻器的輸入端之間。在高壓上電前，高壓開關處于斷開狀態(tài)，通過限流電阻對高壓變頻器進行充電，充電完成后閉合高壓開關，充電工程結束。由于該電路屬于高壓電路，所用的器件為高壓器件，所用成本高，且因為通過限流電阻對高壓變頻器進行充電，能耗大。另一種方法是通過低壓電源和限流電阻向整流變壓器的輔助繞組供電，通過變壓器在副邊繞組上產生感應電壓，對功率單元的直流電容進行充電。隨著充電過程的進行，逐漸用接觸器旁路掉部分限流電阻。充電完成后，斷開充電電路，閉合高壓開關[1]。

2 高壓變頻器預充電方法及裝置研究

為了解決現有技術中存在的問題，提出一種由單相低壓電源輸入的預充電裝置，實現對高壓變頻器的預充電。該裝置可靠性高，且裝置的組成單元都是低壓元器件，成本低廉。

為達到上述目的，提出的高壓變頻器預充電裝置包括預充電單元和預充電控制單元。其中，預充電單元包括單相橋式脈沖寬度調制電路、高頻變壓器、多組單相橋式不控整流串聯電路3 個部分；預充電控制單元包括采樣電路、補償電路、驅動電路、信號輸送電路以及單片機5 個部分。

本文提出的高壓變頻器預充電裝置，首先將輸入的單相低壓交流電源經單相橋式脈沖寬度調制電路、高頻變壓器、單相橋式不控整流電路，即經過了AC/AC、AC/DC 的變換，再將多組單相橋式不控整流電路輸出的直流電壓串聯起來，得到的總的直流電壓給變頻器直流母線電容充電；其次，通過控制單相橋式脈沖寬度調制電路中4 個開關器件的導通、關斷及導通時間，使變頻器直流母線電容充電所用的直流電壓幅值以一定的斜率由低升高，直至電容兩端電壓達到所需要的閾值；最后，切斷預充電單元，同時發(fā)送預充電完成信號給變頻器控制系統(tǒng)。

該預充電裝置還通過檢測所述的直流電壓進行閉環(huán)控制，確保電容兩端電壓幅值按要求升高，避免出現尖峰電流或電壓，造成設備損壞。

本文提出的高壓變頻器預充電裝置，與其他預充電技術方案相比，優(yōu)勢在于：

（1）由于充電電壓通過電壓閉環(huán)調節(jié)控制，省去了充電電阻，在預充電過程中幾乎沒有能量損耗；

（2）高頻變壓器原、副邊都是低壓電路，體積小，成本低廉；

（3）通過改變基準電壓信號、高頻變壓器副邊分繞組的個數以及線圈匝數，提出的高壓變頻器預充電裝置可適用于不同類型及功率大小的高壓變頻器；

（4）利用高頻變壓器將預充電電路與變頻器主電路隔離，安全可靠，預充電電路出現故障也不影響變頻器的主電路安全[2]。

3 具體實施方式

提出的高壓變頻器預充電裝置包括預充電單元和預充電控制單元。

預充電單元包括單相橋式脈沖寬度調制電路、高頻變壓器、多組單相橋式不控整流串聯電路3 個部分，如圖1 所示。采用低壓單相交流電源AC 220 V 輸入，經過單相橋式脈沖寬度調制電路，輸出脈寬可控的高頻交流方波V1加在高頻變壓器原邊繞組N0上。高頻變壓器副邊由多個分繞組組成，分別為N1～Nn，感應生成電壓V1～Vn，將V1～Vn經對應的單相橋式不控整流電路得到的直流電壓串聯起來得到總的直流電壓VΣ，用于給高壓變頻器直流母線電容充電。

圖1 高壓變頻器預充電裝置的結構框圖

高壓變壓器副邊每個分繞組的線圈匝數盡可能相等，具體匝數根據單相橋式不控整流電路中的低壓功率元器件的工作電壓確定。分繞組的數量由所需的高壓變頻器直流母線電容充電電壓VΣ和每個分繞組的線圈匝數確定。

所述預充電控制單元，如圖2 所示。首先給定一個基準電壓信號UREF，其電壓信號幅值以一定的斜率由低到高；其次，通過采樣電路得到所述直流電壓VΣ的采樣信號UF，將UF與基準電壓UREF比較，并經補償電路調節(jié)后得到控制信號UC；最后，單片機根據輸入信號UC發(fā)出PWM 控制脈沖波信號UPWM，UPWM經驅動電路控制所述單相橋式脈沖寬度調制電路中的開關器件的導通、關斷及導通時間，由此實現所述直流電壓VΣ的幅值按照基準電壓信號UREF的幅值斜率由低升高。

圖2 高壓變頻器預充電裝置中預充電控制單元控制系統(tǒng)圖

在所述的直流電壓VΣ按要求達到所需要的閾值時，單片機停止發(fā)出PWM 控制脈沖波信號UPWM，切斷預充電單元，同時發(fā)出控制信號USSR。USSR通過信號輸送電路將預充電完成信號發(fā)送給高壓變頻器控制系統(tǒng)，高壓變頻器控制系統(tǒng)根據此信號接通變頻器主電路電源，高壓變頻器便可以正常運轉[3]。

4 結 論

本文的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在所述的技術范圍內的變化或替換，都應涵蓋在本文的保護范圍。因此，本文的保護范圍應該以權利要求所界定的保護范圍為準。