（电机与电器专业论文）高压变频电机控制电路.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t ：t h ea c ，m o t o r , e s p e c i a l l yt h es q u i r r e lc a g ea c m o t o r f o ri t ss i m p l y s 缸u c 嘶s o l i d i t y , l o w c o s ta n do t h e rc h a r a c t e r i s t i c s ，i sw i l d l yu s e di ni n d u s t r y a f t e r m o r et h a nac e n t u r yo fd e v e l o p m e n t ，t h em e t h o do fa c m o t o rs p e e dc o n t r o l1 sm o r e m a t l l r i n g ，a n dt h eb e s tm e t h o di sv a r i a b l e f r e q u e n c yr e g u l a t i n gs p e e d t e c h n o l o g y a s t h e d e v e l o p m e n t o fm o d e mi n d u s t r y , t h ew a yo fm o t o r i s h i g h v o l t a g e a n d l a r g e - c a p a c i t y , b u ti nt h ef i l e do fh i g hv o l t a g ea c - m o t o rs p e e dc o n t r o l ，m o s to f i ts t i l l a d o p tc o n s t a n ts p e e d u n t i lt h ee n do f2 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 ho f l l i g hp e w e l d e c 仃o m cc o n v e r t e r s t h em u l t i l e v e lp o w e rc o n v e r t e rh a st h ea b i l i t y t o m a l ( el o w e rv o l t a g e s e m i c o n d u c t o r sb es t a b l yu s e d t o m e d i u m 。v o l t a g e a n d 1 题g e c a p a c i t ya p p l i c a t i o n sw h i l er e d u c i n gt h eh i g ho r d e rh a r m o n i c sp r o d u c e d w i t h p w mc o n t r o le f f i c i e n t l y n o w , d u et oe x p a n d i n gt om e d i u m - v o l t a g e f i e l de a s i l y , c a s c a d e dm u l t i l e v e lp o w e rc o n v e r t e r sh a v eb e e nu t i l i z e d i nm e d i u m 。v o l t a g em o t o r d r i v e sa n dr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n so fp o w e rs y s t e m t h i se n t i r es u b j e c ti st or e s e a r c hc a s c a d e dm u t i l e v e lh ig h - v o l t a g ec o n v e r t e r a p p l y i n gi nt h ef i l e do fa c m o t o r ss p e e dc o n t r o lb a s e do n 10 k v , 2 5 0 k wh i g h v o l t a g e c o n v e r t e r a tm es a m et i m eo fa n a l y s i n gi ni t sp r i n c i p l ea n ds t r u c t u r e ，t h em a i nc i r c u i t h a 】m l o n i ci si m p r o v e d 。t h eh i g h v o l t a g ec o n v e r t e ri sd i f f i c u l tt om a k ei n t ou n i v e r s a l c o n v e r t e r a n dv i r a b l e f r e q u e n c ya cm o t o r si sn e e d e d t h r o u g ht h er e s e a r c ho ft h i s n e wm o t o r w ec a nu s e dv v v ft e c h n o l o g ym o r ee f f e c t i v e l y i na d d i t i o n ，e m u l a t i o n a l s o f l w a r em a t l a b 7 o s i m u l i n k 6 0i su s e df o rp h a s e s h i f t ，m u l t i l e v e la n d o t h e r s a c c o r d i n gt ot h es u b j e c t ，t h i sr e s e a r c hp r o v i d e si n s t r u c t i o n f o rh i g h - v o l t a g e c o n v e r t e rs t r u c t u r eo p t i m i z a t i o na n dc o m p a t i b l ed e v i c e s t h r o u g ht h ee x p e r i m e n tt o p r o v i d et h eb e s ts o l u t i o nf o rd e b u g g i n g a n ds i m u l a t i o no fc o n t i n u o u si m p r o v e m e n t k e y w o r d s ：h i 曲v o l t a g ec o n v e r t e r ；v i r a b l e f r e q u e n c y a cm o t o r p h a s e s h i f ta n dm u l t i l e v e l ；h a r m o n i c ；s i m u l a t i o n c i a s s n o ：t m 4 6 4 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学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， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字同期：j 矿一3 年 导师签名： 签字r 期：年月日 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和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他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了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 5 4 致谢 本论文的工作是在我的导师张奕黄教授的悉心指导下完成的，张奕黄教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来 张老师对我的关心和指导。 张奕黄教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向张老师表示衷心的谢意。 感谢北京康德新电创拓有限公司给我的研究工作提供了场地和实验条件，以 及吴总与孟楠、王莉等研究人员给我研究工作的指导和帮助。 在实验室工作及撰写论文期间，杨岳峰师兄及其实验室的其他师兄师姐，学 弟学妹们对我论文中的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的父母，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 绪论 1 1 引言 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。1 9 5 8 年美国通用公司研制出第一只工业用的普通晶闸管，大大扩 展了半导体器件功率控制的范围，标志着现代电力电子学的诞生。经过3 0 多年的 发展，相继出现了电力晶体管( g t r ) 、可关断晶闸管( g t o ) 、电力场效应晶体管 ( m o s f e t ) 等第二代电力电子技术。到了2 0 世纪8 0 年代后期，出现了以绝缘栅 极双极晶体管( i g b t ) 为代表的复合型器件，经过不断的高速发展，随后与m c t 、 i g c t 、g t o 、s g c t 、s c r 、g t r 等一起成为当今技术水平最高的电力电子器件。 近2 0 年来，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，电 气传动技术面临着一场历史革命，即交流调速取代直流调速和计算机数字控制技 术取代模拟控制技术也成为发展趋势。电机交流变频调速技术是当今节电、改善 工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。变频调速 以其优异的调速和起制动性能、高效率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范 围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。上个世纪变压器 的出现时改变电压变得很容易，从而造就了一个庞大的电力行业。长期以来，交 流电的频率一直是固定的，变频调速技术的出现使频率变为可以充分利用的资源。 1 2 高压变频器的国内外现状 许多处于世界领先地位的大型集团公司都对高压变频的丌发研究极其重视， 尤其对风机泵类负载电动机的高压变频装置的丌发更是如此。经过多年的发展， 国外高压变频调速装置向电压源型高一高变频方式趋势发展。国外最具代表性的产 品有： s i e m e n s 公司：i g b t 三电平方式； r o b i c o n 公司：i g b t 级联式多电平方式： r o c k w e l l ( a b ) 公司：s g c t 电流型和g t o 电流型； a b b 公司：i g c t 三电平方式。 除此之外，通用电气、阿尔斯通、三菱、东芝、富士和只立等公司也有类似 产品推出。 而我国电气传动的技术水平从总体上较国际先进水平差距2 0 年左右。在大功 率交一交、无换向器电机等变频技术方面，国内只有少数科研单位有能力制造，在 数字化及系统可靠性方面与国外还有相当差距。而这方面产品在诸如抽水蓄能电 站机组起动及运行、大容量风机、压缩机和轧机传动、矿井卷扬方面有很大需求。 在中小功率变频技术方面，国内几乎所有的产品都是普通的厂控制，仅有少量的 样机采用矢量控制，品种与质量还不能满足市场需要，每年大量进口。 不过我国政府部门和行业内生产研究单位对变频调速技术也是相当重视的， 国务院和国家经委曾先后发文推广变频调速新技术。些生产研究单位看到了高 压变频潜在的市场和发展前景，数年前就开始进行了深入的研究和开发，目前几 家单位已成功推出了自主产权的高压变频产品，比如北京利德华福、哈尔滨九洲、 东方日立等。 1 3 高压变频器的分类 目前，世界上的高压变频器不像低压变频器那样具有成熟一致性的主电路拓 扑结构，并且受限于功率器件的电压耐量和高压使用条件的矛盾。国内外各变频 器生产厂商，采用不同的功率器件和不同的主电路结构，以适应各种拖动设备的 要求，因而在各项性能指标和适用范围上也各有差异，目前，最常见的高压变频 类型有：级联式多电平型、三电平型、电流型。常见的高压变频器比较如表1 1 。 根据有无直流环节而将高压变频器分为两大类： ( 1 ) 无直流环节的变频器，即交一交变频器；( 2 ) 有直流环节的变频器称为 交一直一交变频器，其中直流环节采用大电感以平抑电流脉动的变频器称为电流 源型变频器；直流环节采用大电容以抑制电压波动的变频器则称为电压源型变频 器。 交一直一交变频方式按中问直流滤波环节不同可分为电流源型和电压源型。 电流源型变频器又可以分为：1 ) 负载换向式( 晶闸管) 变频器( l c i ) ；2 ) 采用 自关断器件( g t o 或s g c t ) 的变频器。 电压源型变频器则可以分为：1 ) 电位浮动嵌位型：2 ) 采用i g c t 或i g b t 的 三电平变频器；3 ) 采用i g b t 的级联式多电平变频器。 在高压变频领域，目前以级联式多电平方式和三电平方式发展最为迅速其最 新技术以及今后发展方向主要有： ( 1 ) 随着电力电子器件的发展，在技术和市场成熟情况下，采用高压器件， 使高压变频装置结构和电路趋于简单，提高可靠性； ( 2 ) 改善输入和输出谐波，这与采用高压器件有一定的矛盾，但可以考虑采 用有源谐波补偿技术； ( 3 ) 电力电子器件保护技术，最好是在任何外部工况下，包括短路、过压、 过流、过载等，变频装置不损坏； ( 4 ) 光纤通讯和信号传输技术，既可以解决高电压隔离问题，又可以提高通 讯速度、增强抗干扰能力： ( 5 ) 提高动态响应性能，引入矢量控制、直接转矩控制等现代控制方法； ( 6 ) 对于级联式多电平来说，最新发展技术还有单元冗余，单元切除后继续 运行的情况，以及带电更换单元技术。 表1 1 常见高压变频装置的比较 t a b l el 一1t h ec o m p a r i s o n sa m o n gc o m m o nh i g h v o l t a g ec o n v e r t e r s 类型输入谐波输出谐波开关频率效率功率冈数器件输山电压 级联式 低 低高较高高 i g b t 高 多电平 i g b t 三电平较高较高较低高高较高 i g c t g t o 电流型较高低低低较低较高 s g c t 电压浮 i g b t 较高较高低高高较高 动嵌位i g c t 直接高 i g b t 高高低高高低 高 i g c t 1 4 本课题主要研究内容及意义 ( 1 ) 主要研究内容 1 ) 了解高压变频器的国内外现状，并且通过比较当前主要的几类高压变频器， 分析今后高压变频器发展的趋势。 2 ) 分别对高压变频器主电路移相变压器、功率单元、控制器三大部分进行详 细设计分析。 对移相变压器的结构和移相原理进行了详细研究，并根据本课题应用对所 需移相变压器的参数进行了计算和优化设计。 功率单元作为主电路的重要部分，本课题对二极管不控整流桥、h 桥进行 了整套设计( 包括器件参数选择和运行参数的计算) ，并且对i g b t 的驱动进行了 设计和实验测试，最终与移相变压器一起达到移相多重化的效果。 对控制器部分结构和工作原理进行了分析，并对控制策略和p w m 控制方法 有了进一步的了解。 3 ) 对一种新型电机高压变频电机的新型材料和结构进行研究，并通过实 验数据着重研究其与普通电机相比节能效果上的突出优点。 4 ) 对高压变频器整个系统进行了谐波分析，通过傅立叶定量计算对主电路部 分进行了谐波改善分析。 5 ) 通过应用m a t l a b 7 0 s i m u l i n k 6 0 对整个系统的仿真，寻找出一种试验中 无法采用的分析方法，为变频器进一步研究和分析提供了一种便捷有效的方法。 ( 2 ) 本课题研究的意义 国产化高压变频装置的社会效益显著，主要有： 1 ) 节能，从而节约资源，减少环境污染。 2 ) 消除电动机的启动冲击以及对电网的冲击，降低电动机和设备故障率。 3 ) 提高控制精度和自动化程度。 变频调速的经济效益也非常显著，对于泵和风机，流体流量与转速一次方成 j 下比，转矩与转速的二次方成正比，而功率与转速的三次方成j 下比，转速降低， 电机功耗以三次方下降，因此变频调速的节电效果非常显著。如果流量由1 0 0 降 到7 0 ，则转速降到7 0 ，则转速降到7 0 ，压头降到4 9 ，而电机的功耗降到 3 4 3 ，理论上节能6 5 7 。如果原本采用风门、阀门调节，流量降低、压头增加， 电机功率减少5 ，这样，变频调速比风门、阀门类调节节能6 0 。 除了节能增效外，对于不同的负载，还有一些间接的经济效益，主要有：功 率因数得以提高；实现软启动；减小启动力矩对电机的电气机械损伤；控制平滑、 稳定、精度高。 展望未来，虽然我国的高压变频应用起步比发达国家晚，但是发展速度相当 快，相信在不久的将来，变频调速技术将会得到普遍应用。 4 2 级联式多电平高压变频器的主电路 2 1 级联式多电平高压变频器的结构 首先作专业名词说明，之所以叫级联式，是因为这里的级联包含串联和串联 之后的星型联结两层含义，也有叫作级联型的，本文统一作级联式。还有高压、 中压的说法，高压( 国外称中压) ( 6 k v - - l o k v ) 大功率( 2 0 k w - - 2 0 m w ) ，故所以国 外常说的中压领域就是国内所说的高压领域。至于i n v e r t e r 与c o n v e r t e r ，前者专 指逆变，后者表示变换之意。 图2 1 级联式多电平高压变频器的结构框图 f i g2 一lc a s c a d e dm u l t i l e v e lh i g hv o l t a g ec o n v e r t e ra r c h i t e c t u r e 如图2 1 所示，级联式多电平高压变频器主要由移相变压器、功率单元和控制 器组成，采用级联式多电平技术，属于高低高电压源型变频器。电网电压经过二 次侧隔离变压器降压后给变频器功率单元供电，输入隔离变压器采用移相设计， 以达到降低输入谐波电流的目的。功率柜由多个三相输入、单相输出的交直交 s p w m 电压源型功率单元组成。功率单元通过整流、逆变过程实现对驱动电机供 电电源的频率调节。控制器是变频器的控制中心，它完成变频器频率调节的全过 程控制、变频器电气保护功能实现、以及变频器的人机交互与通讯接口功能实现。 本课题为l o k v ，2 5 0 k w 高压异步笼型电机设计的变频器主电路结构如图2 2 所示，三相高压交流电接到输入移相变压器的一次侧( 电网侧电压) ，变压器的二 次侧分为1 5 个低压的中问交流电压输出，各路输出又各自经过各功率单元的整流 再加到各功率单元的逆变桥。 整个二次侧由a 、b 、c 三相组成，每一相由功能结构相同的5 个功率单元叠 加而成，各功率单元的逆变桥可以工作在三种工作状念：输出正电压、负电压、 零电压。既可在每个单元产生3 个电压电平，这样每相5 个功率单元串联就可以 得到1 1 个电压电平的输出，星形连接的各相组合则可得到2 1 个电压电平组成的 三相正弦交流输入。每一相的5 个单相逆变桥的两个输出端顺次相连，从而构成 级联的方式。控制每个功率单元的输出情况，经叠加后就可得到一个接近正弦的 多阶梯波。各功率模块可独立产生1 2 7 5 v 电压输出，通过各相串联后星形连接的 方式叠加，级联后相电压达到1 2 7 5 x 5 = 6 3 7 5 v ，可在线间产生1 0 k v 的电压输出。 移相变压器 功率单元 输入三相 交流电源 。一二、 2 2 移相变压器 。 手+ _ 一一一障芫c 订 一上一嘛b i l - - - - - - - - ；一 上土一1 单元a l ，一一广一一 l 一1 单元c 2 上：一单元b 2 ：单元a 2 二：一- l 一_ 1 单元c 3 厶一一一1 一一单元b 3 上! 单元a 3 ： r 一l 单元c 4 l 一l 一_ 单元明 厶1 单元a 4 厶一：一一1 单元c 5 一。- - 一单元略一 一单元a s ； 移棚二二次 线圈 ，7l o k v2 5 0 k w l 、 电动机， 图2 - 2级联式多电平高压变频器的主电路结构 f i g2 - 2c a s c a d e dm u t i l e v e lh i g h - v o l t a g ec o n v e r t e rm a i nc i r c u i t 2 2 1移相变压器采用h 级非包封干式变压器技术 高压变频器是一个成套设备，有变压器单元柜、功率单元柜、控制单元柜组 成，有些还带有旁路柜等。由于变压器放在柜内，需要变压器的耐热等级高、散 热好、过载能力强。 ( 1 ) 使用强耐温等级的绝缘材料 h 级干式整流变压器耐温等级为18 0 。c ，主要绝缘材料为n o m e x 纸，该绝缘 纸是美国杜邦公司的专利产品，是一种以芳香酰胺纤维为基础的合成绝缘材料， 其本身为c 级，耐温在2 2 0 。c 。n o m e x 纸还有许多优点，是极佳的电气绝缘材料， 用其制造的变压器可以防潮、阻燃，对环境适应性好，而且变压器尺寸紧凑，占 6 用空间小，变压器抗冷热冲击、抗短路能力、抗过压能力均好于其它类变压器。 ( 2 ) 制造工艺和产品结构特点明显 h 级整流变压器对于需要多个抽头，结构复杂的多个移相绕组的整流变压器 来说，具有非常明显的优势，使其制造加工周期短，成本低，真空压力浸渍( v i p ) 后绕组刚性好，机械强度得到保证，同时，由于有漆膜覆盖在绝缘材料表面，提 高了变压器的防潮能力。 基于n o m e x 绝缘系统及其制成的h 级非包封干式的上述特点，多绕组移相整 流变压器采用这种技术，提高了高压变频器的可靠性，缩小了整个装置的体积。 2 2 2 移相变压器采用延边三角形联结 移相变压器主要有三个功能：一是将输入高压变为低压，从而可以用低压的 电力电子器件直接逆变而无需串联；二是起到高压和低压问以及低压各绕组问相 互绝缘的作用，从而使得各低压单元的输出可以直接相串联而无需担心短路和环 流问题；三是可以通过低压绕组移相，从而使输入电流谐波急剧减少。 b 0 。 0 。 o a ( a ) 二次侧采川延边二角形移相( b ) 二次侧采j i j 延边二角形移相 的顺延联结及相餐图 的逆延联结及相量幽 图2 3 延边三角形移相向鼙图 f i g2 3e x t e n db o r d e rt r i a n g l ep h a s es h i f t e dp h a s o rd i a g r a m 7 二次侧各绕组间采用延边三角形的办法来实现移相，从而实现多重化整流。 图4 中，ua 、u b 、uc 为二次侧相电压，ua = 【，a 1 + ua 2 ，ub = ub 1 + ub 2 ， u c ：uc 1 + uc 2 ，ua b 为线电压。秒为二次侧线电压超前于一次侧相电压的相位角， 又因为变压器采用y d l l 联结，所以二次侧线电压超前于一次侧线电压的相位角为 秒一3 0 0 。由图2 3 ( a ) 可知，二次侧采用延边三角形移相的逆延联结时，0 。 0 3 0 。， 故采用此种联结，可以实现二次侧线电压比一次侧线电压滞后3 0 。0 。；同理图2 - 3 ( b ) 中，二次侧采用延边三角形移相的顺延联结时，3 0 9 0 6 0 。，故采用此种联 结，可以实现二次侧线电压比一次侧线电压滞后超前0 。3 0 。综上所述，移相变 压器采用y d l l 联结时，调整二次侧延边三角形，可以使得移相范围在二次侧线电 压比一次侧线电压超前o 。6 0 。之问任意角度。 2 2 3 本课题移相变压器的设计 本课题所涉及的电网电压为1 0 k v + 1 0 ，频率为5 0 h z ，变频器的输出功率是 2 5 0 k w 。 ( 1 ) 变压器容量计算公式为 s m = p e n ( c o s 加r ) ( k v a ) 式中：s m 一变压器的容量；p c 一变频器输出功率 c o s 。一变频器的输入功率因数；，7 一变频器效率。 其中，变频器功率因数在有输入交流电抗器时取0 8 - 0 8 5 ， 取0 6 - 0 8 。故取c o s 如= 0 8 5 ，r = 0 9 5 ，胁= 2 5 0 k w , 则 s m = p c u ( c o s 缸x 1 7 ) ( 2 一1 ) 无输入电抗器时 = 2 5 0 ( 0 8 5x0 9 5 ) = 3 0 9 6 ( 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 r u = 1 3xs m = 4 0 2 5 ( k v a ) ( 2 3 ) 因此，取移相变压器的容量s r u = 4 0 5f k v a ) 。 ( 2 ) 移相角的计算 相邻两个绕组移相角计算公式为 a o = 6 0 0 ( 2 4 ) 式中：护一相邻两个绕组移相角；n 一功率单元串联个数。 对于1 0 k v 高压变频器，采用5 个单元串联的方案，变压器相邻两个绕组的移 相角为： a 0 = 6 0 0 n = 6 0 0 5 = 1 2 0 ( 2 5 ) 因此，取输入变压器的移相角为 一2 4 。，一1 2 。，o 。，1 2 。，2 4 。 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 3 a 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( u a l 、u b l 、u c l ) 采用三角形联结，其移相绕组( u a 2 、u b 2 、u 。2 ) 在各三角形 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( 如图2 - 3 b ) 。 2 3 功率单元 2 3 1功率单元的结构 如图2 4 所示，功率单元整流部分采用二极管不可控整流电路，能量不能回馈 电网，不能实现四象限运行。由于采用了二极管整流的电压源型结构，电动机所 需的无功功率可由滤波电容提供，输入功率因数较高，基本可保持在o 9 5 以上， 不必采用功率因数补偿装置。同时，变频器对浪涌电压的承受能力较强，雷击或 开关操作引起的浪涌电流，经过功率单元的整流二极管，给滤波电容充电，滤波 电容足以吸收进入到功率单元内的浪涌能量。 卜，j ：t。一 辛j 一，”- 泣q ：! j j7 j； 三一_ 一j ： 0 ， _。 4 丫 三o - 一 ： 童 丫 0 。 一 ：_ “_ _ 、： 。、 卜： 侠络二辍管整藏 直流习滞 逆交输出单元辁出单元旁路 图2 4 基本功率单元结构 f i g2 - 4b a s a lp o w e rc e l la r c h i t e c t u r e 2 3 2 功率单元的相关参数 本课题由于选用两电平结构功率单元，选用1 0 k v 变频器，每相5 个功率单元， 移相变压器二次输出线电压u 为1 2 7 5 v 。 9 u o c ：3 , 2 u = 1 3 5 1 2 7 5 ：1 7 2 0 v ( 2 6 ) 加上滤波电容后，u o c 的值为最大交流线电压峰值，即 u o c e = 4 2 u = 1 4 1 4 x1 2 7 5 = 1 8 0 0 v ( 2 7 ) 当采用s v p w m 时，最大输出线电压有效值可达到 u o c p = 4 2 u = 1 4 1 4 x 1 2 7 5 = 1 8 0 0 v ( 2 - 8 ) 功率单元流过电流为变频器输出线电流 ，：；呈 ( 2 - 9 ) 4 3 vc o s 痧 其中变频器输出功率设计为尸= 2 5 0 k w 、线电压3u = 1 0 k v 、功率因数c o s 矽 取0 。9 5 ，即 ，：土= 一兰! 塑一2 6 3 a ( 2 _ 1 0 ) = = r 一= 一= 1 z l u i 4 3 u c o s o 1 0 0 0 0 0 9 5 、 三相交流电整流后经滤波电容滤波形成直流母线电压，当功率单元输入额定 电压1 2 7 5 v 时，直流母线电压为1 8 0 0 v ( 1 3 5 1 4 4 倍) ，逆变器由5 个i g b t 模块 组成h 桥式单相逆变电路，通过s p w m 控制，在q l 、q 3 两端得到变压变频的交 流输出，输出电压为单相交流0 - - 1 2 7 5 v ，频率为0 - 1 0 0 h z 。 2 3 3 功率单元的设计 ( 1 ) 整流二极管模块计算 1 ) 额定电压的计算 反向重复峰值电压u 刚指对二极管所能重复施加的反向最高峰值电压，通常 是其雪崩击穿电压的2 3 。使用时，往往按照电路中电力二极管可能承受的反向最 高峰值电压的两倍来选定此项参数，因此，计算公式为 u r t t m = k x 压x u 2 ( 2 1 1 ) 式中：u r r m 一二极管重复峰值电压；u 2 一整流桥输入线电压；l 卜安全裕量， 取2 ，功率单元额定输出电压为1 2 7 5 v ，取 = kx 压u s = 2x1 2 7 5x 压= 3 6 0 0 v ( 2 1 2 ) 2 )额定电流的计算 每个功率单元的额定功率为 p u = p c u ( n x 3 ) = 2 5 0 ( 5 3 ) = 1 6 7 k w( 2 一1 3 ) 直流母线电压为 1 0 u o c 2 u 2 1800v(2-14) 当变频器效率r = 0 9 5 时，直流母线上的电流 伽= p v ( u o c x7 7 ) = 1 6 7 x 1 0 0 0 ( 2 1 5 8 x 0 9 5 ) = 8 1 5 a( 2 1 5 ) 流过二极管的额定电流为 i = i o a , 压= 4 7 a ( 2 1 6 ) 二极管的额定正向平均电流为 i f ( 4 v ) = i 1 5 7 = 8 1 5 1 5 7 = 5 2 v ( 2 1 7 ) 因此，二极管的额定电流为 i f ( a v ) = k ( 1 5 7 x 4 3 ) = 2 8 1 5 2 7 2 = 6 0 a( 2 1 8 ) 根据以上计算结果，选择额定电压为3 6 0 0 v ，额定电流2 0 a 的二极管。 ( 2 ) i g b t 的选择 1 ) 额定电压的计算 i g b t 的额定电压即是最大集射极间电压u c e s ，考虑电压波动及丌关电流引起 的电压尖峰等因数，一般取i g b t 所需承受最大电压的2 倍，即 u c e s = 2 x 压x 1 2 7 5 = 3 6 0 0 v ( 2 1 9 ) 由于高压级别i g b t 国内资源的缺乏，再加上牵引级i g b t 常用3 3 0 0 v ，故本课题 也采用3 3 0 0 v i g b t 。 2 ) 额定电流的计算 主电路额定线电流i n 为 i n = p c n ( 4 3x u n x l 7 ) = 2 5 0 0 0 0 ( 4 3 10 0 0 0 x0 9 5 ) = 15 2 a ( 2 - 2 0 ) 考虑过载1 5 倍的裕量，则i g b t 的额定电流i c e 为 c e = 1 5 x 髟2 = 1 5 x2 x4 2 1 5 2 = 6 4 5 a ( 2 2 1 ) 根据以上计算，选用额定电压是3 3 0 0 v ，额定电流是1 0 0 a 以上的i g b t 。 ( 2 ) 滤波电容的选择 三相输入线电压1 2 7 5 v 时，最大整流输出电压1 8 0 0 v ，考虑电压1 0 的波动， 则最大输出电压可达1 9 8 0 v ，滤波电容耐压应在此电压之上，并留有一定安全裕 度，因此选取2 个耐压值1 6 0 0 v 左右的滤波电容串联。 理论上，滤波电容的电容量越大越好，但考虑到体积成本因数，不可能选取 太大，中间直流滤波电容主要是从限制电压波动的角度来选择。其具体容量( ) 的计算可采用下面经验公式 c d = 旦堡1 0 6 ( 2 2 2 ) 式中，i o 为电机空载时定子电流基波分量有效值；( o i 为逆变器输出电压基波角频 率；u d 为整流输出直流电压平均值；k 为允许直流电压波动系数，取值为0 0 1 - 0 1 通常i o = 2 0 i n ，频率最小值可取5 h z ，即缈l - 2 万f m i = 1 0 m 。实际装置采用并 联两组两个6 8 0 0 胪1 6 0 0 v 串联电容。 ( 3 ) i g b t 驱动的选择 i g b t 作为新型器件，由于其电压和电流等级的不断提高，作为高频开关器件 迅速地被应用于大容量逆变器。本课题所研究的高压变频器，采用英国丹尼克斯 公司生产的3 3 0 0 v 的高压i g b t ，一般高压i g b t 电压等级为1 7 0 0 v 、2 5 0 0 v 、3 3 0 0 v 。 研究表明，要保证i g b t 工作的可靠性，其驱动电路起着至关重要的作用。 一般对i g b t 驱动保护电路的基本要求主要有以下几点：1 ) 提供适当的正向 和反向输出电压，使i g b t 能可靠地开通和关断：2 ) 提供足够大的瞬时功率或瞬 时电流，使i g b t 能及时迅速建立栅极电场而导通；3 ) 尽可能小的输入输出延迟 时问，以提高工作效率；4 ) 足够高的输入输出电气隔离性能，使信号电路与栅极 驱动电路绝缘。 目前在实际应用中，选用驱动与保护功能集成一体的i g b t 专用模块比较方 便，本课题选择c o n c e p t 公司的s c a l ed r i v e ri g d 5 1 5 e i 。s c a l e 驱动板系列是 瑞士c o n c e p t 公司生成的专门驱动高压大电流i g b t 模块的智能驱动。s c a l e 驱 动板采用a s i c 设计，仅用1 5 v 电源驱动，开关频率可大于1 0 0 k h z ，且具有可靠 和长寿命特性。 s c a l e 驱动器具有以下特点： 1 ) 运行可靠 具有双极性控制电压( 典型值为1 5 v ) 的栅极驱动，使得任何规格的i g b t 模块都能可靠地运行。由于使用负栅极电压可获得较高的抗干扰性，故适于功率 m o s f e t 或者i g b t 模块并联使用。 2 ) 电气隔离技术 包含用于所有通道的小型隔离变压器，因此提供了突出的隔离特性和地耦合 电容。使用s c a l e 驱动器时，可获得实际应用中所需隔离的高电压。其产品的隔 离数据可从它们的资料中查得。 3 ) 变压器运行可靠 在s c a l e 驱动器中选择使用脉冲变压器，这是因为它提供了以下一些优于其 它设计的优点：最小延迟时间；无老化效应；最高的使用寿命和能够获得所希望 的隔离电压，脉冲变压器的t m t b f ( 平均故障问隔时问) 优于光耦合以及光导纤维的 连接。s c a l e 驱动器用于大功率部分和控制部分之间，具有至少1 0 0 k 矿, u s 的共模 抑制比。 4 ) 延迟时间 通过驱动器回路的延迟时间大约为3 0 0 , - 3 5 0 n s ，正负边缘的延迟是对称的。各 个驱动器之间在延迟时问上几乎没有差异，和并联电路一样，它是确保无偏移运 行的一个重要因素，在实际应用中，信号转换是无抖动的。 5 )状态接收 为了传递驱动信息和进行状态接收，脉冲变压器可双向工作。 6 ) 引线排列 驱动器引线脚的排列布局简洁，保持了正确的逻辑信号流( 输入信号一驱动 电路一功率晶体管) 。 i g d 5 1 5 e i 的内部结构：i g d 5 1 5 e i 是c o n c e p t 公司推出的一种集成度很高的适 用于高压大功率i g b t 的驱动模块，能满足i g b t 串联、并联使用的驱动要求，具 有智能性、安全性与易用性等特点。内部集成了一路驱动电路，最大瞬时输出电 流可以达到1 5 a ，驱动功率为6 w 。 i g d 5 1 5 e i 内部电路主要可分为4 个功能模块，如图2 5 所示。第一个功能模 块是d c d c 隔离电源，它的主要功能是给驱动输出提供电源，采用隔离变压器耦 合，输入输出间交流耐压可达7 5 0 0 v 。第二个功能模块是逻辑驱动转换接口 ( i n t e r f a c el o g i c ) ，它通过光耦器件接收控制电路发来的p w m 信号，并可对信号 进行反相、串并联模式等处理。第三个功能模块是保护逻辑( p r o t e c t i o nl o 百c ) ， 可以对模块电源、i g b t 的管压降进行监控，还可以设定保护时脉冲封锁的时间。 第四个功能模块是驱动单元，将接收的p w m 信号经过放大处理后输出1 5 v 1 5 a ( 瞬时电流) 驱动信号。 图2 5i g d 5 1 5 e i 驱动模块内部结构图 f i g2 - 5 t h ed r i v e ri g d 515 e ii n t e r n a ls l r u c t u r e 可选择的工作模式：通过对s d o s a 引脚电平的定义，可以选择工作模式，并 直接影响保护电路的工作逻辑。当s d o s a 不联结外电路时为通用模式，适合于单 驱动器件独立工作。当故障发生时，无论输入p 删信号是否还在作用，驱动模块 都迅速关断输出驱动，同时s o 迅速向控制电路报告故障信息。当s d o s a 连接至u + 5 v 时为串并联模式，适合于多驱动器件串并联工作，当故障发生时，无论输入p w m 信号是否还在作用，只是s 0 迅速向控制电路报告故障信息，驱动模块并不关断输 出驱动，而是由控制电路迅速关断所以串并联工作的驱动器件的输入信号，这样 可以保证串并联工作i g b t 的安全，不至于造成故障扩大。 可选的信号输入通道有效电平：为了具有高的信噪比，信号输入通道使用施 密特触发器。当i n v 管脚接i g b d 时，信号输入端的+ 5 v 时，输出状态j 下好相反， 信号输入端的+ 5 v 电平代表“i g b t 开通”，而o v 代表“i g b t 关断”。 智能型电源监控：如果给驱动器件供电的电源电压过低，会影响驱动电路的 可靠性，甚至可能使被驱动的i g b t 处于放大状态，造成器件温升过高而损坏。 i g d 5 1 5 e i 内部集成有低电平监控电路，当电源电压过低时，监控电路就迅速关断 s o 状态输出信号，通过控制电路进行迅速的保护控制。 短路与过流保护：i g d 5 1 5 e i 的输出端配有u c e 检测电路，当被驱动的i g b t 发生短路或者过流现象时，i g b t 的管压降会相应升高到r e f 引脚所外接的稳压管 设定的参考电压，检测电路会立刻翻转产生故障信号并将它锁存，状念输出端s o 引脚同时输出代表出现故障的低电平信号，送给控制电路进行迅速的保护控制。 如果此时设定s o d s a 为通用模式，智能驱动单元会把输出驱动信号封锁一小段时 间( 时间长短由c b 引脚外接的电容决定) ，过了这段时问就又重新放开输出驱动 信号。 智能型的状态输出：状态输出端s o 引脚不仅可以在故障时输出低电平信号， 而且可以在正常工作时输出相应于每个p w m 输入信号的“确认 窄脉冲。正常工 作时，无论是在p w m 输入信号的上升沿或者下降沿，s o 脚都会对应输出一个宽 度由c q 引脚上外接的电容确定的窄脉冲，可以使控制电路监控驱动器件和输入光 耦器件、反馈光耦器件和驱动电路等是否在j 下常工作，可以在控制电路中使用 f p g a 实现这种特殊的逻辑监控功能。 使用注意事项：i g d 5 1 5 e i 自身输出级没有短路和过电流保护功能，因此在调 试或测量时一定注意不要造成输出侧短路，否则会使模块损坏。为此也可以在模 块的电源输入侧加入一个2 a 左右的保险管起到一定的保护功能。 应用中驱动模块尽可能地布置靠近i g b t 附近，使输出端g 、e 的引线尽可能 短，根据门极驱动电流和开关速度要求的不同，引线长度不要超过3 c m 到1 0 c m 。 1 4 图2 - 6c o n c e p ts c a l ei g d 5 1 5 e 驱动应用电路图 f i g2 - 6c o n c e p ts c a l ed r i v e ri g d 515 ea p p l i c a t i o nc i r c u i t 使用心得 1 ) 由于本课题采用h 桥逆变电路，同一桥臂的上下管不能同时导通，所以尽 量采用具有硬件死区时问的电路( 软件死区的设置经实验证实容易受环境的影 响) 。 2 ) 应用s c a l e 模块的关键是在了解其工作原理的基础上，结合其电气特性 和相关参数，j 下确选配外围电路器件，尤其要合理选择决定死区时间的电容和电 阻的值。 3 ) 通过参数设置i g b t 过流保护尤其重要( 具体见参考文献 2 2 】) ，因为每一 种i g b t 都有个体差异，应该通过查找其特性曲线。 4 ) 在i g b t 集成驱动模式s c a l e 中，输入输出电路经过变压器隔离，内部 设有过流保护电路。该模块设计合理，工艺先进，适用于