（电力电子与电力传动专业论文）级联型中高压变频器的研究与设计.pdf

r e s e a r c ha n d d e s i g no fc a s c a d e dh i g h - v o l t a g ec o n v e r t e r a b s t r a c t a l o n g 、】l ，i mt h ed e v e l o p m e n to f t h ew o r l df i r s ta s y n c h r o n o u sm a c h i n ei n1 8 5 5 t h ea c m o t o re s p e c i a l l yt h es q u i r r e lc a g ea cm o t o r , f o ri t ss i m p l ys t r u c t u r e ，s o l i d i t ya n dl o w - c o s t , i ti sw i l d l yu s e di ni n d u s t r y b u ti nt h ef i l e do f h i g hv o l t a g ea cm o t o rs p e e dc o n t r o l ，m o s t o fi ta d o p tc o n s t a n ts p e e du n t i l2 0c e n t u r y t h en e e do fs a v i n ge n e r g yi sr e l e a s eb yt h eb i r t h o fl l i g hp o w e re l e c t r o n i cc o n v e r t e r s n o wi ti sah o t s p o t si np o w e re l e c t r o n i cf i e l d m c a s c a d e dh i g h v o l t a g ec o n v g t t e ri so n eo f t h em o s ti m p o r t a n tc i r c u i tt o p o l o g y t h ec a s c a d e d h i 曲v o l t a g ec o n v e r t e rh a sm e r i t ss u c ha s i n p u ts i d eh a sl e s sp o l l u t i o nt ot h ee l e c t r i c a ln e t ； o u t p u tv o l t a g ea p p r o a c h e st os i n ew a v es ot h a ti td o e s n tn e e do u t p u tf i l t e r ；s t r u c t u r ei s s i m p l ea n de a s yt ob em o d u l a r i z e d ；c o n t r o lm e t h o di se a s yt ob er e a l i z e da n ds oo n t h e s e m e r i t sm a k ec a s c a d e dh i g h - v o l t a g ec o n v e r t e rt ob ew i d e l yu s e di nf i e l de s p e c i a l l ya sb l o w e r f a n sa n dw a t e rp u m p sw h i c hd o n tr e q u i r ee x a c t i t u d es p e e dc o n t r 0 1 t h em a i nw o r ki nt h i s p a p e ri s ： 1i n t r o d u c e dt h em o s tc o m m o nc i r c u i tt o p o l o g yo fh i g hv o l t a g ec o n v e r t e r a n d a n a l y z et h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s t a k er e s e a r c ho nt h ec a s c a d e dh i g h - v o l t a g e c o n v e r t e r sb a s i ct o p o l o g yi nd e t a i l s ，e x p l a i nm u l t i # e x i n gr e c t i f yc i r c u i ta n di n v e r tc i r c u i t a n dc a s c a d e dc e l l s 2f o rt h ec o n t r o lm e t h o do f h i g h - v o l l n g ec o n v e r t e r , t h em o s tc o l l l i t i o ru s a g eo f v w f c o n t r o la n dv e c t o rc o n t r o lw a si n t r o d u c e d f o rt h ep w ma r i t h m e t i c e x p l a i nt h e s u b h a r m o n i c sp w m ，t r i a n g u l a rc a r r i e rp h a s es h i f t i n gp w m ，c a r r i e rp h a s es h i f t i n gs p w m ， c a r r i e rp h a s ea n dm o d u l a t ep h a s es h i f t i n gs p w ma n ds v p w m m o d e la n de m u l a t o ro f t h e s ec o n t r o ls t r a t e g i e su s i n gm a t l a b 3t h eh a r d w a r ed e s i g no ft h ec a s c a d e dh i g h - v o l t a g ec o n v e r t e rw a sc o m p l e t e d ，u s i n g v v v fc o n t r o la n dc a r t i e rp h a s ea n dm o d u l a t ep h a s es h i f t i n gs p w m u s i n gt h ed u a ld s p c o n t r o lb o a r dc o n t r o lt l l ec o n v e r ts y s t e m 4d e s i g nt h es y s t e m sm a n - m a c h i n ei n t e r f a c eu s i n ge v i e wt o u c hp a n e l 5c o m p l e t e dae x p e r i m e n th i g l l v o l t a g ec o n v e r t e r , c o m p a r et h ee x p e r i m e n tr e s u l tf r o m t h ep r a c f i c f l i t ya n de m u l a t o r k e yw o r d s ：c a s c a d e dh i g h - v o l t a g ec o n v e r t e r ；c a r r i e rp h a s es h i r i n gp w m ；t o u c hp a n e l ；c a n b u s 插图清单 图1 l 电力电子器件应用范围3 图2 - 1 二极管钳位式三电平逆变器8 图2 - 2 单元串联式基本拓扑结构。 图2 - 3 功率单元串联式多电平高压变频调速系统组成结构 9 1 0 图2 4 级联型多电平高压变频器多重化整流输入变压器结构 图2 - 5 采用延边三角形移相的y d 联结原理及向量图 图2 - 6 基本功率单元结构 图2 - 7 系统检测电路结构 图2 - 8 单元旁路装置结构。 图2 - 9 旁路装置的实现方案 图2 - l o 中性点偏移技术原理 图3 - 1 消谐p w m 法 图3 - 2 三角载波相移p w m 法 图3 - 3 开关频率优化p w m 法 图3 _ 4 同相位载波p w m 法 图3 - 5 移相载波p w m 法 。l l 。1 3 一1 9 2 0 2 5 2 5 图3 - 6 载波调制波同时移相p w m 法 图3 - 7 两电平逆变器的主电路拓扑图3 0 图3 - 8 电压空间矢量图 图3 - 9s v p w m 空间电压矢量分布 图3 - l o 单电压极性切换逆变器的输出波形( n = 1 0 ) 图3 1 l 单级性倍频s p w m 调制方式仿真。 图3 1 2 单级性倍频s p w m 调制方式仿真结果 图3 1 3 移相载波调制方式仿真 3 1 3 2 3 4 3 5 图3 - 1 4 载波调制波同时移相调制方式仿真3 6 图3 1 5 准优化p w m 方式调制方式仿真。 图4 - l 级联型高压变频器基本组成结构3 7 图4 - 2h f b r - 1 4 1 4 的内部结构图和封装示意图3 9 图5 - 1m o d b u s 主从查询应答周期 图5 2 触摸屏与d s p 通讯硬件原理图4 3 图5 3 标准信息帧4 5 图5 - 4 扩展信息帧。 图5 - 5c a n 总线通讯原理图 图s 68 2 c 2 5 0 具体内部结构图 图5 - 7 主程序流程图 4 5 4 6 4 8 图5 - 8 系统初始化流程图4 9 图5 - 9c a n 处理模块。5 0 图5 1 0s c i 接收处理模块。5 1 图5 - 11s c ! 发送处理模块 图6 - l 级联型中高压变频系统样机外形图 图6 - 2 样机人机交互界面。 5 4 5 4 图6 - 33 0 f l z 五单元串联电压波形。5 5 v l 图6 44 0 h z 五单元串联电压波形 图6 - 55 0 h z 五单元串联电压波形 图6 - 6 触摸屏主控制界面 图6 - 7 触摸屏开环设定界面 图6 - 8 单元信息界面 图6 - 9 故障信息界面 5 7 5 7 v i i 表格清单 表1 1 高压变频的主要应用领域以及应用对象 表2 1 延边三角形8 组移相相关参数计算 表5 - 1 主机向从机发送的请求消息帧格式 表5 - 2 从机得到请求后向主机发送的响应消息帧格式 表5 - 3 任务和资源分配关系表。 v i i i 1 4 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得 金目g 王些太堂 或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：蜀楚签字日期：) 婶年j j 如日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目b 王些盍堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金b 王些太 当! 一可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印，缩印和扫描等 复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：暑疋 签字日期：歹刁年翱多日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： ) 产 导师签名：也 毋 签字日期五1 电话： 邮编： 致谢 三年的研究生学习生活转眼即逝，回顾几年的经历，深深感受到众位师长、 同学的关心和帮助。谨向所有关心和支持过我的老师和同学表示衷心的谢意。 由衷感谢我的导师苏建徽老师! 在和苏老师相处的日子里，它精湛的专业 知识，宽广的胸怀，务实的科研作风和忘我的工作精神深深地影响着我，给我 留下了深刻的印象。苏老师的这些优秀品行将在我今后工作和学习中产生深远 的影响。苏老师严厉的批评将是我一生的财富，正是这些批评意见，让我发现 了自己的不足和缺点，有机会进行深刻的反思和对将来的学习和生活进行规划。 在毕业之际，向尊敬的苏老师表示我最诚挚的感谢和最衷心的祝福! 感谢张国荣老师和茆美琴老师! 整个课题阶段，张老师给我提供了许多便 利的条件，在科研方面给我指导，让我深受启迪，使我在各方面都取得了长足 的进步；感谢茆老师在学习上给予的指导，从本科阶段到研究生阶段，茆老师 总是耐心指导，给我指点了迷津。感谢它们在我的学习和生活中所给予的帮助， 论文能得以顺利完成，与它们的悉心关怀是分不开的，在此，向它们表示由衷 的感谢! 感谢能源所的杜雪芳老师、刘翔老师、张建老师、杜燕老师、汪海宁博士、 和杨向真博士对我的关心和帮助! 感谢其它各位朝夕相处的同学所给予的关心和支持! 并衷心地祝愿它们幸 福、快乐，它们是：赖纪东、张军军、孙艳霞、张铁良、周玉柱、申翔、阮景 义、蒋永和、李冉以及能源所中其它师弟、师妹们! 感谢家人对我的关心和鼓励，我所取得的每一点进步都离不开它们的帮助。 i h 作者：马炎 2 0 0 7 年0 5 月0 5 日 1 1 课题背景和意义 第一章绪论 我国的长期能源方针是开发和节约并重，为保证国民经济持续、快速、健 康发展，必须走资源节约型、集约化发展道路。由于能源的开发，投资大、周 期长、见效慢，而节约能源的技术工艺改造投资少、周期短、见效快。电能是 一种二次能源，节电必然节约一次能源，如煤炭、石油、水能等。因此，节电 既可有效解决能源短缺，又可节约煤炭、保护环境，有很好的经济效益和社会 效益【1 1 。 在工业领域，大功率的传动机械中，大功率风机、水泵占据主要地位，例 如钢铁行业的高炉鼓风机、除尘风机；石油化学工业的大型输油泵；化工生产 中的压缩机；电力工业中的给水泵、引风机；煤矿的排水泵和排风扇以及城市 建设的自来水供水泵等，驱动电机为4 0 0 4 0 0 0 0 k w 、3 1 0 k v 的高压大功率交 流电机。高压大功率变频调速系统主要用来对工业领域这些高压电动机进行调 速控制，所以高压变频器主要用于工业领域，主要应用领域和对象见表1 1 【2 1 。 表1 - 1 高压变频的主要应用领域以及应用对象 行业应用负载类型 给排水水处理水泵 油田燃气开采泵、压缩机 机械制造厂泵、风机、恒转矩传动 水泥厂鼓风机、研磨机 冶金业鼓风机、水泵、除尘风机 煤矿等开采传送机械、矿井通风机、挖掘机、 制糖离心传动、泵 海运螺旋桨传动、船首推力器等 造纸均浆机、泵 轧机厂传动装置、卷绕机、剪切机 在中高压变频调速领域，一方面由于国外电网大多为3 k v ，另一方面其制造 的特殊性，无法形成自动化生产线，国外动力成本又高，制约了发展，未形成 市场规模，产品价格居高不下，因而国外公司又为我们留下了赶超的空间。能 源是工业的命脉，电力是工业的基础。高性能高可靠的中压变频器市场潜力巨 大，应用前景十分可观。尽快推出新一代商性能中压变频器，对提高我国大容 量高压电机调速水平，提高产品的产量和质量，大幅度降低能耗，节约能源、 治理环境污染等方面具有非常重要的经济效益。 在高压大功率调速领域，早期大都采用电动机定速运行或通过机械阀门调 节方式满足现场需求。自2 0 世纪末采用全控型电力电子器件的高压大功率调速 产品诞生后，大功率传动领域的巨大节能需求得到释放。高压大功率变频产品 自诞生日起就立刻得到社会各界的重视。世界上第一台交流电动机于1 8 5 5 年诞 生以来，高压大功率交流变频调速技术一直是人类没有解决的一个难题，2 0 世 纪5 0 年代后期晶闸管的发明为交流变频调速技术提供了手段，但直到2 0 世纪 7 0 年代高压变频调速技术才得到一定进展。1 9 8 1 年德国西门子公司研制成功第 一台4 0 0 0 k w 初轧机交一交变频同步电动机传动系统，使大功率交流调速系统登 上高性能调速舞台。1 9 8 2 年日本富士公司成功研制了日本第一台2 5 0 0 k w 初轧 机交一交变频同步电动机传动系统。这类交一交变频系统均以开关管为开关器件， 具有功率因素低、输出频率低、输入输出谐波高等一系列不足之处，因此大都 用于初轧机等公艺型调速场合，市场影响面不大。自大功率的全控型器件g t o 晶闸管发明以后，在大功率高压变频调速领域，g t o 晶闸管以其开关均可控的 优越性能，迅速在大功率交流调速领域占据了主要地位。到2 0 世纪9 0 年代， 6 t o 晶闸管变频调速器在铁路牵引机车上得到普遍应用。基于晶闸管的交一直一 交型变频器具有输出频率不受限、电网谐波污染小、功率因素高等显著优点， 但同时也存在g t o 晶闸管开关损耗较大、频率低、需要水冷、维护困难等问题。 所以这一阶段的高压大容量变频器仅限应用于一些特定行业和负载，市场需 求量不大。 高压变频器的春天从2 0 世纪9 0 年代基于i g b t 的功率单元级联式多电平 高压变频技术的研发开始，经过十年发展，功率单元级联式多电平高压变频器 产品已成功应用于大部分高压交流电动机传动领域。我国对对交流变频技术应 用研究生产较晚，真正全面推广交流是2 0 世纪8 0 年代初开始，于1 9 9 3 年成功 研制出国内第一台高压交交同步电动机变频调速产品【3 】【4 1 。 1 9 世纪末2 0 世纪初，随着汞蒸汽、汞弧和真空电子管的发明，电力电子 技术得以发展起来。第一只固态整流管和第一只晶闸管的出现加速了由功率半 导体的发展，使得现在几乎所有的功率处理都可以通过电力电子技术来实现。 在过去的一个世纪中，电力电子技术随着功率开关器件与变流器拓扑的发展而 发展。经过几十年的发展，器件制造技术不断提高，经历了以晶闸管为代表的 分立器件；以可关断器件( 6 t o ) 、巨型晶体管( g t r ) 、绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 为代表的功率集成器件( p i d ) ；以智能化功率集成电路( s p i c ) 、高压功率集 成电路( h v i c ) 为代表的功率集成电路( p i c ) 等三个发展时期。从晶体管换相电 流过零关断的半控器件发展到p i d 、p i c 通过门极或栅极控制脉冲可实现器件导 通与关断的全控器件，从而实现了真正意义上的可控硅。 在器件的控制模式上，从电流型控制模式发展到电压型控制模式，不仅大 2 大降低了门极( 栅极) 的控制功率，而且大大提高了器件导通与关断的转换速 度，从而使器件的工作频率由工频_ 中频一高频不断提高。 在器件结构上，从分立器件，发展到由分立器件组合成功率变换电路的初 级模块，继而将功率变换电路与触发电路、缓冲电路、检测电路等组合在一起 的复杂模块。功率集成器件从单一器件发展到模块的速度更为迅速，今天已经 开发出具有智能化功率的模块( i p m ) 。 根据器件在导通时参与的载流子类型所有器件可以分为单极型、双极型和 复合型三类：只有一种载流子参与导电的器件称为单极型器件，如电力m o s f e t ； 自由电子和空穴两种载流子都参与导电的器件称为双极型器件，如g t r ；由前 两类器件复合而成的器件称为复合型器件，如i g b t 。 它们应用范围见图卜1 ，目前高压变频器最主要电力电子器件主要有电力 二极管、晶闸管、g t o 晶闸管、i g b t 、i g c t 等【7 1 。 图1 - 1 电力电子器件应用范围 直流电力拖动和交流电力拖动在1 9 世纪先后诞生。2 0 世纪上半叶，鉴于 直流拖动具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，高性能调速拖 动都采用直流电动机，但直流电动机的缺点也日益暴露出来，例如，具有电刷 和换向器，因而必须经常检查维修；换向时有电磁干扰，产生噪声；换向火花 使它的应用环境受到限制；换向能力限制了直流电动机的容量和速度( 极限容 量与转速之积约为1 0w r m i n ) 等等。2 0 世纪6 0 7 0 年代，随着电力电子技 术的发展和现代控制理论的应用，特别是大规模集成电路和计算机控制技术的 出现，使得交流电力拖动系统逐步具备了调速范围大、稳速范围广、稳速精度 高、动态响应快以及可实现四象限可逆运行等良好的技术性能，在调速性能方 3 面可以与直流电力拖动媲美，交直流拖动按调速性能分工的格局终于被打破 了。而且，以前被掩盖的而交流电动机比直流电动机结构简单、成本低廉、工 作可靠、维护方便、惯量小、效率高等优点，如果能够用交流拖动系统代替直 流拖动系统，显然可靠性较高，维修更方便，能够带来不少的效益，于是，交 流调速已经成为当前电力拖动控制的主要发展方向。无论大功率变频器对异步 电动机的控制，还是小功率变频器对异步电动机的控制，它们的控制原理是一 样的，都是根据电动机的特性参数及运行要求提供电压、电流、频率，对电动 机进行控制，满足负载的要求。因此，变频器的控制方式是很重要的。目前变 频器常用的控制方式有：开环v f 控制、转差频率控制、矢量控制和直接转矩 控制等。 2 0 世纪8 0 年代后将应用在通信领域中的p w m ( 脉宽调制) 技术引用到电力 电子领域，由于其良好的性能，迅速成为研究的热点，随着p w m 技术的应用实 践，也发现了一些缺点，因此，研究新的p w m 技术一直是电力电子技术的热门 课题，目前，已经出现了多种p w m 调制方法，例如低次谐波消去法、空间电压 矢量控制法、p w m 跟踪控制法、最优p w m 技术等，这些方法各有千秋，被广泛 应用在各种场合。当今国内外生产的中高压变频器都已采用了p w m 技术，中高 压变频器也不例外垆儿“。 1 2 国内外中压变频器应用现状及发展趋势 目前国外各公司的产品和技术相对成熟，但尚未形成统一的拓扑电路。常 见的拓扑有：一是采用器件串联的方法，以晶闸管或g t o 或s g c t 为功率器件的 电流型中压变频器，如美国a b 公司的旧产品g t o 电流型和新产品s g c t 电流型 中压变频器；二是采用多电平结构，以高压i g b t 或i g c t 为功率器件的三电平 电压型中压变频器，如德国s i e m e n s 公司的s i m o v e r tm v 系列( 功率器件为高压 i g b t ) 和瑞典a b b 公司的a c s1 0 0 0 系列( 功率器件为i g c t ) ；三是以低压i g b t 为功率器件的单元串联多电平中压变频器，如美国r o b i e 公司的完美无谐波系 列中压变频器。国外的中压变频器产品一般最高输出电压为4 1 6 0 v 近几年，国内少数科研单位陆续开始研制中压大功率变频器。国内研究现 状主要是以低压i g b t 为功率器件的单元串联多电平p w m 电压源型变频器。采用 单片机控制，实现简单v f 控制，无高性能控制方式、瞬时停电再起动和挂网 通信等功能。变频器的整机技术落后，装置的可靠性低，制造工艺水平不高。 变频器产品所用功率器件的制造几乎是空白，还需依赖于进口，质量无法保证。 产品仅处于试产试销，远未形成规模效应。从总体上看，我国中压变频调速技 术远落后于国际先进水平。中压变频器正处于产品的发展完善过程之中，向着 高可靠、低成本、高输入功率因数、高效率、低输入输出谐波、低共模电压以 4 及低d r d r 等方向发展除多电平电压型逆变器，目前研究较多的大功率逆变电 路有：变压器耦合的多脉冲逆变器、交交变频器、双馈交流变频调速系统等。其 发展趋势可归纳如下【1 0 1 ： ( 1 ) 采用标推低压变频器组成的“高一低一高”方案在对传动系统要求不高 的中压小功率场合仍占有一定的市场。 ( 2 ) 由于中压时器件串联的均压问题，输入谐波对电网的影响和输出谐波对 电机的影响，器件串联方案局限于某些特殊场合，如电流源型变频器适用于要 求频繁快速起制动和动态性能要求较高的生产机械。 ( 3 ) 多电乎结构是今后一个时期中压变频器主电路的首选结构。 ( 4 ) 对风机和水泵等一般不要求四象限运行的设备以及电机容量为3 0 0 0 k w 及以下时，单元串联多电平中压变频器目前更具竞争力 ( 5 ) 对于需要四象限可逆运行的负载，只需将两组相同的二极管箱位三电平 变频器按照“背靠背( b a c k t o - b a c k ) ”方式连接就可实现。 1 3 本论文研究意义及主要工作 2 0 世纪末7 0 年代初，一场石油危机席卷全球，工业发达国家投入大量人 力、财力研究节能措施。经研究表明，占电机用量一半以上的风机、泵类负载 靠阀门和挡板来调节流量和压力，其拖动电机一般工作在恒速状态，从而造成 大量电能浪费。如使用改变电动机转速方法调节风量或流量，一般情况下可节 电2 0 3 0 。随着交流变频调速技术的不断发展以及变频调速装置性价比不断 提升，交流变频不但取代了大部分原直流调速技术地位，同时不断开阔新的应 用领域。 值得自豪的是我国基于i g b t 的功率单元串联式多电平高压变频调速系统 研究与世界同步进行，完全自主研发的国内第一台功率单元串联式多电平交 直- 交电压源型高压变频器，并于1 9 9 7 年在用户现场试运行后，立刻受到社会 各界关注。之后，在国内学术界迅速掀起了一股高压变频器研究热潮，并迅速 扩展到产业界用户。国内高压变频器的研究、生产和应用三个层面工作同时展 开，政府相关部门也给予了充分关注与支持。经十余年发展，国内现在正规高 压变频器生产厂家已有十余家，年产值达数亿元。近年来，国产高压变频调速 产品性能有大幅提升，用于提升机的矢量控制高压变频器、用于交流牵引机车 的直接转矩控制高压变频器均己成功应用，株洲机车车辆研究所所研制的用于 磁悬浮牵引的7 5 0 0 k w 的高压变频器样机也已完成。 本文针对高压异步电动机变频调速系统设计了6 k v 4 0 0 k w 单元串联型多 电平高压变频器。全文共分6 章，主要工作概述如下： 1 ) 分析比较了几种高压变频器的主电路拓扑结构的优缺点之后，确定了 本系统的设计方案一级联型多电平高压变频器，同时详细阐述了级联 型高压变频器的输入整流、功率单元、保护装置等拓扑结构的设计。 2 ) 分析介绍目前级联型多电平高压变频器中常用p w m 技术：调制波纵向 分割法、同相位载波p w m 技术、移相载波p w m 技术、载波调制波同 时移相p w m 技术，利用m a t l a b 仿真比较它们之间的联系、效果以 及实现的难易程度，最终采用载波调制波同时相移p w m 技术作为级联 型多电平高压变频系统的控制方法，并对其如何实现进行了简要说 明。 3 ) 详细介绍了该变频系统的整体设计方案，完成了级联型高压变频系统的 硬件设计，其中控制策略采用v f 控制，p w m 算法采用载波调制波同 时相移技术。基于高压变频装置这一复杂系统采用合肥工业大学能源所 自行研制的双d s p 主控板完成发波、通讯、检测、保护、人机界面显 示等功能。双d s p 系统中一块d s p 主要用来负责人机界面的显示，其 和触摸屏通过工业上通用的m o d b u s 协议通讯，另一块d s p 负责对单 元信息的监控，p w m 发波工作，以及对负载运行状况进行实时检测， 它们之间通过c a n 总线通讯。为保证强弱电之间隔离主控d s p 和各单 元d s p 之间通过光纤进行通讯。 4 ) 完成了触摸屏通讯的软件编程及人机界面编写。 5 ) 分析当系统和功率单元模块所可能发生的故障以及所采取的保护措施。 6 1 研制样机一台并进行试验，所得结果与仿真结果进行比较得出方案的可行 性。 6 第二章级联型中高压变频器主电路拓扑结构 2 1中高压变频器的分类和几种基本拓扑结构 高压大功率交流变频调速调速系统所使用的电力电子器件可以分为晶闸管 型、g t o 晶闸管型、i g b t 型、i g c t 型、s g c t 型等 依据其控制策略可分为标量控制型和矢量控制型。 依据其输出波形可分为方波输出和p w m 输出两类。 依据其变换方式可分为直接变换式( 交交) 和间接变换式( 交- 直交) 两 类。其中交直交电压源型高压变频器按其拓扑结构分为高低高式、器件串联 两电平、三电平式、功率单元串联多电平式等几种【1 1 1 。 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。但 近年来，各种高压变频器的不断出现推动着高压变频器向着高可靠性、低成 本、高输入功率因数、高效率、低输入输出谐波、低共模电压、低d v d t 等方 向发展d z 。下面就以上几种常用的拓扑结构进行分析。 2 1 1 高低高式电压源型调速系统 高低高式变频调速系统前后两端各设一台变压器，中间使用一台或几台 低压变频器，前端的降压变压器将输入的高压交流电变成低压交流电送到变频 器输入端，变频器输出的低压交流电经升压变压器升为高压后供给高压电动 机。其缺点是需要使用两台变压器造成其体积过于庞大，成本过高。 2 1 2 两电平电压源型高压变频器 两电平电压源型高压变频调速系统产品的拓扑结构与低压变频器中常用的 交直交两电平变频其结构基本相同。在高压变频中，由于输入交流电压幅值较 高，以现有的电力电子器件耐压不足，因此这种方法需要采取多个电力电子器 件串联方式，但是因为i g b t 开关时间短( 微秒级) ，很难保证所有串联的功 率管同时开关，否则所有的电压都会加在晚开通的i g b t 上并将i g b t 烧毁， 而且一烧一串。因此采用这种拓扑结构解决器件的动、静态均压是这种方式的 关键，目前国内成都佳灵公司生产的高压变频器采用这种拓扑结构。 7 2 1 3 三电平电压型中压变频器 三电平电压源型高压变频技术通过独特的二极管钳位( 或电容钳位) 方法， 可以使系统输出电压增加一个电平，与两电平相比较，这种方式的相电压可以 有三个电平输出，故称为三电平，其具体拓扑结构见图2 1 。采用这种拓扑结 构每个电力电子器件所承受的耐压只有直流母线电压的一半，因此可以使电力 电子器件的耐压要求降低一半，当采用一些高压全控器件，如高压i g b t 、 i g c t 、i g e t 、g t o 晶闸管等时，可直接实现高压输出。但由于器件耐压水平 有限，采用这种方式直接输出6 0 0 0 v 以上电压时，器件仍需串联。这种拓扑结 构的缺点是输出波形中会不可避免地产生比较大的谐波分量，因此在变频器的 输出侧必须配置输出l c 滤波器才能用于普通的鼠笼型电机。同样由于谐波的 原因，电动机的功率因数和效率、甚至寿命都会受到一定的影响，只有在额定 工况点才能达到最佳的工作状态，但随着转速的下降，功率因数和效率都会相 应降低【1 3 1 。 v 图2 1 二极管钳位式三电平逆变器 2 1 4 级联型多电平电压型中压变频器 c 这种结构首先由美国国罗宾康公司发明，单元级联型多电平变频器采用若 干个独立的低压功率单元串联的方式来实现高压输出。其原理如图2 2 所示。 功率单元级联型多电平变频器在输入端设置一台输入隔离变压器，将输入 高压交流电变换成多组低压交流电后，再将每组低压交流电分别输入到每个功 率单元，经二极管整流滤波为直流电，通过逆变装置将其逆变成为交流电，各 功率单元输出交流信号在逆变侧串联成为高压多电平交流信号提供给高压电 机。为减小输入谐波，变压器每个二次绕组的相位一次错开一个电角度，形成 多脉波、多重化整流方式。其逆变输出采用多重花p w m 方式，输出谐波很 小，可直接连接高压电机，是一种优秀的高压变频方案。因此国内高压变频器 8 厂家也大都采用这种方案。但同样有缺点需要克服如：如功率单元和所使用功 率器件数量太多，6 k v 系统要使用1 5 0 只功率器件( 9 0 只二极管，6 0 只 i o b t ) ，装置的体积太大，重量大；所需高压电缆太多，系统的内阻无形中增 大，接线太多，故障点相应的增多；当一个单元损坏时，单元必须旁路，但此 时输出电压不平衡中心点的电压是浮动的，造成电压、电流不平衡，从而谐波 也相应的增大，勉强运行时终究会导致电动机的损坏l l ”。 u 图2 - 2 单元串联式基本拓扑结构 2 2 级联型多电平高压变频器系统结构及主要组成 本系统设计采用的级联型多电平高压变频器方案，可直接实现6 k v 输 入，直接6 k v 输出无需输出变压器，变频器设计容量为4 0 0 k v a ，适配电机功 率为3 0 0 k w ，额定输出电流4 0 a ，输出频率4 5 5 5 h z ，输入功率因素o 9 5 ，输 出频率范围0 5 1 2 0 h z ，过载能力1 2 0 一分钟，1 5 0 立即保护，带模拟量 输入输出功能，冷却方式采用风冷，人机界面采用e v i e w5 1 0 t 型触摸屏。图 2 3 所示为一个实际的级联型多电平中高压变频调速系统组成结构，该系统主 要由输入部分、功率变换部分、检测保护部分以及控制部分组成。 9 图2 - 3 功率单元串联式多电平高压变频调速系统组成结构 输入部分主要由输入开关、控制柜、输入变压器三部分组成。输入开关一 般有两个，三相高压交流电先经过一个隔离开关后接到一个高压真空接触器， 之后送入隔离变压器，输入高压隔离开关主要用来对输入信号进行彻底隔离， 以便方便设备检修。输入隔离变压器用来将输入高压交流电变成2 4 组低压交流 电送给相应得2 4 个单元，一次、二次绕组以及二次绕组之间保持一定相位差， 从而构成4 8 脉波整流【”1 。 功率变换部分主要由2 4 个功率单元组成，每个功率单元采用三相桥式不控 整流方式，将输入交流电整流成为脉动直流电，再经电容滤波变成中间直流电。 中间直流电直接送入逆变单元，逆变单元由四个i g b t 组成，通过对i g b t 通 断控制，实现p w m 变换输出1 1 6 。 检测保护部分主要由检测电路以及旁路机构组成，主要检测以下几种信号： 1 输入电压幅值，用于判断输入过压、欠压、缺相。 2 输出电流幅值，用于判断是否输出过电流、负载是否有断相等。 3 变压器温度检测，用于保护变压器不出现过载。 4 功率单元温度检测，用于保护电力电子器件。 1 0 旁路机构主要包括功率单元旁路与控制、整机旁路与控制等，当功率单元 出现故障或整机出现故障时，保护系统不受损伤或不影响用户现场连续运行。 2 2 1 输入整流变压器设计及多重化整流技术 功率单元串联式多电平高压变频器最大优势之一就是其输入输出谐波小， 其输入变压器二次测接整流部分因此可称为整流型变压器，对于整流型变压器 一般采用y d 联接，即一次侧为星形( y ) 联结，二次侧为三角形( d ) 联结， 这样做的好处是二次侧的三次及三的倍数次谐波电压相互抵消，不会在二次绕 组中形成电流，这样也就不会耦合到一次侧。 整流变压器在设备中主要有三个功能：一是将输入高压变成低压，从而可 以由低压电力电子器件直接逆变；二是起到高压低压及低压各绕组间相互隔 离；三是通过将低压移相，达到移相多重化整流的目的，从而使得输入谐波急 剧减小，变频器对电网基本没有干扰，基本结构见图2 - 4 。 图2 - 4 级联型多电平高压变频器多重化整流输入变压器结构 假定电网电压为6 k v 4 - 1 0 ，频率为5 0 h z ，变频器的输出功率是4 0 0 k w 。 1 1 变压器容量计算公式为 1 8 1 s = ( c o s 虹r ) ( k v a ) ( 2 一1 ) 式中：s m 一变压器的容量；一变频器输出功率： c o s 九，变频器的输入功率因数； r i 变频器效率。 其中，变频器功率因数在有输入交流电抗器时取o 8 0 8 5 ，无输入电抗器 时取0 6 - - 0 8 。故取c o s = o 8 5 ，q = 0 9 5 ，= 4 0 0 k w ，则 s r s = p o , ( c o s ，7 ) = 4 0 0 ( 0 8 5 * 0 9 5 ) = 4 9 5 4 ( k v a ) ( 2 - 2 ) 又变频器生产厂家所推荐的变压器容量的参考值，常按经验取变频器容量 的1 3 0 左右即 s t n = 1 3 x s c s = 1 3 x 4 0 0 0 9 5 = 5 4 7 4 ( k v a ) 因此，取移相变压器的容量s t n = 5 5 0 ( k v a ) 2 ) 移相角计算 相邻两个绕组移相角计算公式为 a o = 6 0 。n ( 2 3 ) 式中：a 0 一相邻两个绕组移相角；n 一功率单元串联个数。 对于6 k v 中压变频器，采用8 个单元串联的方案，变压器相邻两个绕组 的移相角为n 9 1 ； a o = 6 0 n = 6 0 。8 = 7 5 。 因此，取输入变压器的移相角为 + 3 0 。，+ 2 2 5 。，+ 1 5 ，+ 3 7 5 。，3 7 5 4 ，1 5 。，+ 2 2 5 。，+ 3 0 。 ( 2 5 ) 由于二次侧各绕组之间相差一定角度，因此需要采用延边三角形方法来实 现。图2 - 5 为采用延边三角形移相的y d 联结及向量图。如图所示各组二次侧 基本绕组( a l 、b l 、e 1 ) 采用三角形联结，其移相绕组( a 2 、b 2 、c 2 ) 在各三 1 2 角形顶点延伸出来，故称为延边三角形方式，图中移相绕组在各组基本绕组反 向延伸出来，可将其称为逆延联结。 图2 - 5 采用延边三角形移相的y d 联结原理及向量图 设变压器一次、二次绕组匝数分别为n i 、n 2 ，则二次侧基本绕组和移相 绕组匝数分别为( 1 _ k ) n 2 和k n 2 ，其中，k 为绕组系数0 一 阿而稠阿鬲阖 1o x n 命令要单ii 命令要求上传l 元信息数据 今 今 图5 - 8 系统初始化流程图 豳；令，囱囱 l t 圈* 参 r j - 1 | 发鬻志 i一 图5 - 9 c a n 处理模块 n 絮爹 絮参 鼍w 絮爹 圈* ! 一 s a 定时计数值l 清零 i _ j 广_ j 。 s a 发送处理i j l 一 jc n 攥块她理k l n i n l a c l 6 ( i m i 蹦d _ 耐 曲m i 9 删衄叫x 吐血) 峭g l c d m t u d g r c p d - o x f f ，p 毫c r c 字节钟旨化 岫即卅珊d g r c l o - o x f f p 怔c r c 字节韧嫱化吖 呲9 埘眦n 舨，p c r c 循环中昀素吼+ f 础i m 功叫e n ，传输消息埋冲睦e