（电力电子与电力传动专业论文）基于igct电流源型高压变频器的研究.pdf

s t u d yo fc u r r e n ts o u r c eh i g h - - v o l t a g ec o n v e r t e ru s i n gi g c t a b s t r a c t i ti so b v i o u st oa cd r i v e su s i n gc o n v e r t e r sf o re f f i c i e n c y a n d e n e r g y c o n s e r v a t i o n d u et ot h el a r g e rp o w e ra n dh i g hr e l i a b i l i t yo fc u r r e n t s o u r c e c o n v e r t e r ( c s c ) ，i t sa p p l i c a t i o n sb e c o m em o r ea n dm o r e i n c r e a s e dr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t i so fg r e a ts i g n i f i c a n c ef o re n e r g yc o n s e r v a t i o na n de m i s s i o n r e d u c t i o ni no u rc o u n t r y f i r s to fa l l ，t h i sp a p e rb r i e f l yi n t r o d u c e st h ek e yt e c h n o l o g i e sa n dd e v e l o p m e n t o fh i g h v o l t a g ec o n v e r t e r s ，c o m p a r e st h ev a r i o u sp r o g r a m so fh i g h v o l t a g e c o n v e r t e ra n dp o i n t so u tt 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 s e c o n d l y ，t h i sp a p e r a n a l y s e sa n da s c e r t a i n st h es t r u c t u r e o fc u r r e n t s o u r c ec o n v e r t e r ：t r a n s f o r m e r l e s s a n dd o u b l ep w mm o d u l a t i no fc s cw i t h a ni n t e g r a t e dd cc h o k e t h e d i s a d v a n t a g e o fc o n v e r t e rw i t ht r a n s f o r m e ri sp o i n t e do u t i nt h i sp a p e r ，i ta l s o d e s c r i b e st h ep r i n c i p l e sa n df e a t u r e so fi n t e g r a t e dd cc h o k ew h i c hi su s e dt o s u p p r e s sc o m m o n m o d ev o l t a g ei na m o t o rd r i v ea n dg i v e si t sd e s i g na p p r o a c h i n a d d i t i o n ，t h i s p a p e r d e s c r i b e st h es e r i e sc o n n e c t i o no fi g c t su s i n g r c s n u b b e r s ，a n dp r e s e n t sd e s i g np r i n c i p l ea b o u ti g c td r i v ea n dh i g ni s o l a t i o no f t h ed r i v ep o w e rs u p p l y f o rt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ei n p u ta n do u t p u tf i l t e r so f n o v e lt r a n s f o r m e r l e s sh i g hv o l t a g ec u r r e n ts o u r c ec o n v e r t e r ，a c c o r d i n gt ol cf i l t e r e q u i v a l e n tc i r c u i t sa n dh a r m o n i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h r e e p h a s ec u r r e n tb a s e do n s p a c ev e c t o rm o d u l a t i o n ( s v m ) ，as y s t e m a t i c a n du s e r - f r i e n d l ya p p r o a c hi s p r o p o s e d t h r o u g ha n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no fp w m m o d u l a t i o no fc s c ，t h e i r r e s p e c t i v es t r e n g t h sa n dw e a k n e s s e sa n ds c o p eo fu s ea r eg i v e n ，i np a r t i c u l a r ，a c o n c r e t er e a l i z a t i o nm e t h o do fs v mi sd e c r i b e d o t h e r w i s e ，as o l u t i o nt oa v o i dl c r e s o n a n t - - a c t i v ed a m p i n gc o n t r o li sg i v e na n di ti sc o n f i r m e db ys i m u l a t i o n t h e n ，a c o n c r e t er e a l i z a t i o nm e t h o di sp r e s e n t e da b o u tc o n s t a n tv fc o n t r o lo fa c m o t o r a tl a s t ，t h i sp a p e rp r o v i d e sak i n do fr e a l i z a t i o no ft h ep r o g r a mo fr a t e dp o w e r 1m v ar a t e dv o l t a g e416 0 vc s c t h es t r u c t u r ea n df u n c t i o no fc s ca r ed e s c r i b e d i nd e t a i l a10 k v ac s cp r o t o t y p eh a ss e tu pa n ds o m ee x p e r i m e n t sa r ec a r r i e do u t k e y w o r d s lc u r r e n t s o u r c ec o n v e r t e r ；i n t e g r a t e dg a t ec o m m u t a t e dt h y r i s t o r ； v o l t a g e - b a l a n c i n g ；c o m m o n m o d ev o l t a g e ；s p a c ev e c t o rm o d u l a t i o n ；l ce q u i v a l e n t c i r c u i t ；a c t i v ed a m p i n gc o n t r o l ；c o n s t a n tv fc o n t r o l ； 插图清单 图1 1 高压大功率变频器结构分类图2 图2 1 采用一体化直流电抗的无变压器电流源型变频器拓扑结构1 0 图2 2 一体化直流电抗器结构图一1 2 图2 3 一体化直流电抗器接线图12 图2 _ 4 三相c s r 直流侧等效电路1 3 图2 5 直流侧电压v d c ( t ) 、电流i d c ( t ) 稳态调制波形。1 4 图2 6i g c t 集成门极驱动电路框图l6 图2 7i g c t 串联时的电压无源均衡技术18 图2 81 m v a 电流源型变频器i ( 配t 串联均压设计方案1 9 图2 9 高压隔离驱动电源拓扑结构1 9 图2 10 双b u c k 电路电流波形2 0 图2 1l 隔离输出副边电路2 1 图2 1 2 输入滤波器等效电路图2 2 图2 1 3 高低频率谐波电流滤波器等效电路图2 2 图2 1 4 空间矢量调制整流器向量图2 4 图2 15r 型等效电路模型2 5 图2 1 6 各矢量与定子频率变化关系图2 6 图2 1 7 整流桥输入电流波形( 5 5 0 h z ) 2 7 图2 1 8 整流桥输入电流波形频谱图( 5 5 0 h z ) 2 7 图2 19 变频器输入电流波形2 8 图2 2 0 变频器输入电流波形频谱2 8 图2 2 1 输入滤波电容两端电压波形2 8 图2 2 2 输入滤波电容两端电压频谱图。2 9 图2 2 3 变频器输出电流波形2 9 图2 2 4 变频器输出电压波形2 9 图3 1 梯形波脉宽调制原理3 2 图3 2p w mi g c t 电流源型逆变器3 2 图3 3n p = l1 时采用t p w m 时i w 的频谱图3 4 图3 - 4 特定谐波消除法3 5 图3 5 消除5 、7 次谐波后电流i w 的频谱图3 6 图3 - 6 电流源型逆变器空间矢量图3 7 图3 7 空间矢量调制逆变器输出电流波形3 7 图3 8n p = 1 1 、m = 0 8 时采用s v m 时i w 的频谱图3 8 v i 图3 - 9 空间矢量调制方法部分脉宽生成原理3 9 图3 1 0 开关器件连续导通3 角度所处时间段3 9 图3 1 ls v m 调制的开关序列4 0 图4 1 无源和有源阻尼的实现方法4 2 图4 2 包含有源阻尼的电流源型整流器矢量控制框图。4 2 图4 31 m v a 变频器输入电流i s 仿真波形。4 3 图4 4 电流源型变频器恒压频比控制系统4 5 图5 11 m v ac s c 系统硬件电路框图4 9 图5 210 k wc s c 样机主电路5 0 图5 3 采用m 5 7 9 6 2 a l 模块设计的i g b t 驱动电路一5 2 图5 _ 4 样机控制电路功能框图5 2 图5 5 变频器空间矢量调制驱动信号( 开关频率5 5 0 h z ) 5 3 图5 6 变频器输出相电流波形( 开关频率5 5 0 h z ) 5 3 图5 7 变频器输入电流波形( 开关频率5 k h z ) 5 4 v 表格清单 表2 1 电流源型变频器仿真参数( m = 1 ) 2 6 表3 1 逆变器采用s h e 方法时计算的开关角3 5 表3 2 开关器件位置与n 的关系3 9 表3 3c s i 调制方法的比较4 0 表5 11 0 k w 电流源型变频器样机主电路型号和参数5 l 表5 21 0 k w 电流源型变频器样机采样器件型号和参数5 1 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志和致谢的地方外，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 金胆王些太堂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 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 三7 厍沙抖晌洲峰咖尹 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆王些太堂 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，允许论文被查阅或借阅。本人 授权 金胆兰些太堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或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) 学位论文者签名： 矗幽爨 签字日期：& o 年汐月绍 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师虢芴谚 翩戳。汐伽 签字日期：沙7 0 年q - 月尹日 电话： 邮编： 致谢 时光荏苒，岁月如梭，回首往事，恍如昨日。一路走来，感触颇多，在此 论文即将完成之际，我谨向我敬爱的老师、热心无私的学长和同学，还有好多 可爱的学弟学妹们致以深深的谢意! 首先，我衷心地感谢我的导师苏建徽教授。近三年来，恩师严谨的治学态 度、活跃的学术思想、丰富的实践经验、对知识孜孜不倦的追求精神以及对学 生无微不至的关怀，让学生倍受恩惠。恩师渊博的学识，让学生尽享理论思维 和科学艺术之美。恩师高尚的品德，更使学生羞愧难当，高山仰止。恩师树渊 博的学识而为大家，习高尚的师德以成楷模，恩师为学与做人的精神将时刻激 励后辈学子勤勉上进，不断朝着新的目标努力奋斗。 感谢张国荣老师，张老师严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的 工作作风，深深地感染和激励着我。学生铭记恩师教诲，不懈努力，达成心愿。 感谢茆美琴老师，茆老师精深的理论水平，忘我的工作作风以及出色的外 语水平，让学生敬佩不已。 感谢汪海宁老师和张鹏老师，学生的今天，是拜两位恩师所赐。两位恩师 的情谊，学生铭刻在心，必不辜负恩师所望。 感谢能源所的杜雪芳老师、刘翔老师、张健老师、陈林老师、刘宁老师、 杜燕老师等多位老师的帮助。 感谢赖纪东博士、张颖媛博士、杨向真博士和焦道海、于德政、武伟、陈 逸涵、贺敬等师兄师姐的在学习和生活上的帮助。 感谢潘正国老师，潘老师在器件选型上帮了很多忙。感谢与我同届的同学 们，同学们深厚的理论功底、扎实的实践能力，使我大开眼界，受益匪浅。他 们是：朱丹、汪长亮、吴蓓蓓、陈忠、马骏、黄荣庚、齐国虎、张学友、喻莉、 朱亦丹、盛男、李丹。 感谢能源所的王其兵师弟、张亚玉师妹，能跟他们同事是我的荣幸，感谢 他们为项目做的贡献。感谢宋刚、金曼、冯宝成等师弟师妹们的帮助和指导。 最后，感谢我的家人，家人对我一如既往的支持是我前进的动力，我的点 滴收获无不凝聚着家人的心血。 i i i 作者：虞海贤 2 0 1 0 年4 月1 日 第一章绪论 随着不可再生能源无节制的被挖掘利用，各种矿产资源日益减少，矿难一 波未平，一波又起，价格飞涨，能源危机已迫在眉睫，严重影响着国民生活生 产。煤太脏、核能太贵，风力发电很棒，据有关数据显示，风力发电量仍然不 到全球发电的2 。太阳能和地热能发电，也是用之不竭的极佳技术，它们也 是占全球发电量的一小部分。据有关部门预测，到2 0 3 0 年，全球电力消耗将增 长7 7 。有没有一种可再生能源最清洁，最便宜而且最充足。它不会造成乱砍 滥伐，不需要复杂的安全措施，不依赖天气，也不需要数年才能建成，它遍布 世界各地。有，他叫“效率 或者说是节能。 节能就是用更少的能源，来达到近乎相同的目的。由文献 1 】得到，电动机 是电能消耗的最大户，也是节电潜力最大的用户。我国电动机总装机容量4 亿 多k w ，其年用电量约为l5 0 0 0 亿k w h ，约占当年全国总发电量2 18 7 0 亿k w h 的6 5 7 0 ，实际运行效率比国外低1 0 3 0 ，节电潜力巨大。近年来，随着 微电子和电力电子技术以及异步电动机控制理论的发展，交流电动机变频调速 技术在传动系统中开始普遍应用。据有关文献和数据显示，一般普通电机使用 通用变频器，将节电3 0 左右。而占电机总装机容量的4 0 5 0 的高压电动机， 使用高压大功率变频调速系统将大大提高设备和工艺的效能，显著节约电能。 我国要如按节能中长期专项规划要实施的“电机系统节能工程 ，使电机 系统运行效率提高2 个百分点。加大对变频调速系统的研究，尽早更好把高效 节能的高压变频调速系统实现产业化，提高电机系统的运行效率，对我国节能 减排工作意义重大。 1 1 大功率高压变频器的关键技术和发展 自交流电动机诞生起，由于其结构简单、坚固耐用、价格便宜和不需要经 常维修等特点，得到人们的青睐，但其调速性能一直不够理想。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的发展提供了手段，到1 9 8 1 年德国西 门子公司研制成功的第一台4 0 0 0 k w 控制同步电动机的高压变频器【2 j ，使得大 功率交流调速系统登上了高性能调速的舞台。 1 、开关器件 晶闸管的出现，实现了弱电对强电的控制，使电子技术步入功率领域。现 代电力电子器件是指全控型的电力半导体器件。g t o 是一种四层结构的双极型 器件【4 7 】，在大功率变频器领域占有一定的地位。是目前耐压最高、电流容量最 大的一种器件，但这种器件关断增益较小、门极反向关断信号的容量要求大， 和传统的晶闸管相比，在体积、质量、效率、可靠性诸方面还是有明显的优势。 当前变频器领域主流功率开关器件是绝缘栅双极型晶体管( i n s u l a t e dg a t e b i p l o rt r a n s i s t o r - - i g b t ) ，i g b t 综合了g t r 和m o s f e t 的优点，既有m o s f e t 输入阻抗高、开关速度快、热稳定性好、驱动电路简单和驱动功率小的优点， 也具有g t r 通态压降低、通流能力强的优点1 2 j 。最近几年，在高压变频器领域 出现了一种新型电力电子器件：集成门极换流晶闸管( i n t e g r a t e dg a t e c o m m u t a t e dt h y r i s t o r s - - i g c t ) 1 2 j 。它集成了许多优良的特点：光触发功能， 内部集成门极驱动电路；r c 吸收和保护功能；较低的导通损耗与关断损耗； 通态电流大；随着市场对i g c t 的逐步认识，未来i g c t 可能有较大的使用场 厶 口o 2 、高压大功率变频器结构类型 高压大功率变频器结构类型多种多样，如下图所示。 _ 多= 邙1 高低高式 器件串联 两电平式 三电平式 功率单元串 联多电平式 图1 - 1 高压大功率变频器结构分类图 3 、电机调速技术 从动态性能要求不高，基于交流电动机稳态数学模型的标量控制技术的 u f 恒定控制，常用的风机、水泵等负载选配的高压变频大都采用此类技术。 当前高性能的高压变频器，采用的是基于交流电动机动态数学模型的矢量控制 技术，其控制方案大约为两种：一种是基于解耦控制的无速度传感器矢量控制 技术【2 1 ；另一种是基于b a n g b a n g 控制的直接转矩控制技术【扪。 4 、p w m 控制技术 p w m 的基本依据是面积相等的原理。它是p w m 控制技术的重要理论基 础。p w m 控制技术有多种多样，有一般常用的正弦波p w m ，其调制波为正弦 波，调制后输出的的p w m 波中的基波也是正弦波。还有些非正弦波p w m ，比 如有追求高直流利用率的梯形波p w m ；有为消除特定次谐波的谐波消除法 p w m 。最为突出的是空间矢量调制法，它是从电动机的角度出发，将电动机与 变频器作为一个整体来考虑，着眼于如何使电动机的磁通矢量的运动轨迹逼近 圆形，与传统的s p w m 方法相比，其谐波电流和脉动转矩都更小，直流电压利 用率提高1 5 。 5 、d s p 技术 从早期的硬件电路产生变频装置的控制信号，比如由分立元件或集成电路 2 源 源 流 压 交 掖 圭三 剡 她 l l 率类 功构 压器 ， 高频变 触发器及其p w m 集成电路实现。后来，利用单板机( 如t p 8 0 1 ，主频为： 1 9 9 6 8 m h z ) 、单片机( 如8 0 3 1 、8 0 3 5 、8 0 3 9 ) ，这些器件拥有c p u 外，尚含 有r a m 、r o m 、i o 口和定时计数器。但是跟现在d s p 技术还是相差好远。 当前t i 公司主推芯片t m s 3 2 0 f 2 8 3 3 5 芯片：主频1 5 0 m h z ；3 2 位；单精度浮 点运算；片上2 5 6 k 1 6 的f l a s h 存储器，3 4 k 1 6 的s a r a m 存储器；1 8 个p w m 输出，包含6 个高分辨率脉宽调制模块( h r p w m ) 、6 个事件捕获输入，2 通道 的正交调制模块( q e p ) ；3 个3 2 位的定时器；2 通道c a n 模块、3 通道s c i 模 块、2 个m c b s p ( 多通道缓冲串行接口) 模块、1 个s p i 模块、1 个1 2 c 主从兼容 的串行总线接口模块；1 2 位的a d 转换器具有1 6 个转换通道、2 个采样保持 器、内外部参考电压，转换速度为8 0 n s ，同时支持多通道转换；可用c c + + 语言实现复杂的数学算法；8 8 个可编程的复用g p i o 引脚【56 1 。除了功能强劲外， 另外，d s p 芯片有大量的程序库和模板供d s p 研究开发人员参考，大大缩短了 变频器等电力电子产品的研发周期。 6 、智能技术 随着控制理论和计算机技术的发展，对变频器等设备的各个控制对象和控 制量的辨识越来越精确。通过理论观察器等数学工具对电动机等多变量非线性 耦合系统的等效近似度越来越高。除此之外，通过参数收集和分析，变频器系 统具有自我学习功能，根据实际系统运行情况，不断调整控制系统参数，以达 到良好的控制性能，提高效率和节约资源。除此之外，比如模糊逻辑、神经元 网络、变结构控制在变频器设备上的应用也开始逐步产品化。 1 2 大功率高压变频器方案比较 1 、高压变频高低高解决方案1 2 】 如图1 2 所示为高低高式高压变频器方案。高压电源经降压变压器后进入 低压整流器，交流电源整流成直流电源后，由逆变器逆变成交流电，再有升压 变压器输出高压。 高 压 电 源 整流器 浦 逆变器 仲 波 j ( 肯糙川 l 器 i 灿h | 不 1 中 l 。一 图l - 2 高低高高压变频器应用示意图 优点： ( 1 ) 价格便宜。 ( 2 ) 可靠性高。 ( 3 ) 可与各种电压等级的电动机配套。 缺点： 机 ( 1 ) 前后两级变压器，系统效率低。 ( 2 ) 输出d u d t 比较大，对电动机绝缘造成冲击。 ( 3 ) 输出的高次谐波较大，需要加输出滤波器。 ( 4 ) 采用高低高方案变频器供电时可能造成电动机的轴电流较大。 2 、高中变频方案( 三电平电压型) 【2 j 所谓三电平是相对于两电平方案而言的。三电平电路可以使主开关器件的 电压降低一半，除输出正电平或者负电平外，还可以输出零电平。二极管钳位 的三电平系统结构如图1 3 所示。 图1 3 三电平电压型方案( 二极管钳位) 优点： ( 1 ) 利于低压电力电子器件实现较高电压输出，并且各开关器件间没有均 压问题的存在，简化了产品设计，提高了设备可靠性。 ( 2 ) 输出电压和电流比两电平好的多 ( 3 ) 输出d u d t 在幅值上比两电平电路减小一半，有利于系统设计和可靠 性的提高。 缺点： ( 1 ) 存在中心电压平衡问题，需要算法中弥补，增加了系统控制的复杂程 度。可以采用其他办法，但会增加系统成本。 ( 2 ) 电源侧和负载两个中性点间电压存在波动，应用于高压电动机时，波 动的电压幅值较大，严重时会引起较大的电动机轴电压和轴电流。 ( 3 ) 输出电流和电压谐波还是比较大，需要专用电动机或加配输出滤波器。 3 、功率单元串联多电平方案【2 j 功率单元串联多电平方案是将输入高压交流电经过一个隔离变压器变换成 为一系列的低压电，再经过交直交低压变频后，在逆变侧串联叠加成为高压 交流电输出。主电路结构如图1 4 所示。 4 】【jj十刨 一b j【】【】 十刨 一b j】 十咯 b - - - - _ j h 一- 一 十咯一 】c j c ：十咯一咯j【】【】十唪一咯j【j rj 】【】【j 十型 一b jc 】cj 十纠 一b jc 】cj十咯 一b qj 一 一 十降一译 j【】【】 十降一降 一 十降一争 jc j 【j【】【： 】【j【】 掣骘 j【j【j 捌骘 j c】【j 捌骘 匾 【jcj 哐 【j r 】 匾 c j c】 划认 l剥认- =赳认 7 、 一 企 i 图1 4 功率单元串联多电平方案 优点： ( 1 ) 直接可以输出高电压，省掉了升压变压器，系统效率有所提高。 ( 2 ) 输入输出谐波小 缺点： ( 1 ) 系统相对复杂。 ( 2 ) 系统安装，生产麻烦。 ( 3 ) 输入变压器要求高，成本大，体积大 ( 4 ) 运行效率有所降低 4 、高高中压变频方案( 多脉波s c r c s i ) 1 1 3 】 所谓的高高方案就是直接高压进线，经由高压变频器，直接输出高压到高 压电机，无需升压降压过程的变频方案，高高中压变频多脉波s c r - c s i 方案如 图1 - 5 所示。整流器由三套6 脉波s c r 整流器串联而成，逆变器的每个桥臂上 采用三个i g c t 串联工作。当每个s c r 和i g c t 的耐压为6 6 0 0 v 时，串联后的变 频器系统可运行于6 6 0 0 v ( 线电压下) 。 5 一、一3 j l 一l j 一 厂 1 厂 1r n 。￥ +、 1厂1厂1， +、 _ 一3 一l 一l 】 ， 1r 1r 。￥、 、一3 一l一l一l 烈j r _ ja l j一、 3 、 一3 一l一l l 、厂 1厂 1 r 一 、一3 一3 。v。￥ 江一 一l一l一l n 1厂 1厂、， u 工 、 + ： l 1厂 1 r 1r j 一3 一3+。v、 lj 一l 一l 图1 5 高高中压变频( 多脉波s c r - c s i ) 方案 优点： ( 1 ) 系统更为简单、可靠。 ( 2 ) 控制水平大大提高。 ( 3 ) 运行效率大大高于高低高方案，运行成本相当低。 ( 4 ) 对电网和电机的污染被控制在最低的水平。 ( 5 ) 再生制动能力，更好的节能效果。 ( 6 ) 直接矢量控制技术使得调速水平完美实现。 缺点： 高高方案相对高低高方案，初始投资相对略高。 5 、高高中压变频方案( 双p w m ) 1 3 】 新型无变压器电流源型变频器的拓扑结构如图1 - 6 所示，变频器高压直接 输入，经过整流和逆变后高压直接输出，它采用无变压设计，i g c t 串联，并 且有一个铁芯和四个线圈组成的一体化直流电抗器替代了隔离变压器，减少了 制造和运行成本，并可以抑制共模电压。 6 乙匝硫 + 一七 与l 3 巳3 r1， 币砚x 移l l 吧训口 o u 一l j rr1， + 【与【令l 、一+、 一 i气一七一气 3 r 1r1r 一j 一 j 一l 一l + 、一上 一上- 、 【与一电 r1 r ， 一 r 】ll 沁一 t 、v y l ，、，6 r 图1 石采用一体化直流电抗的无变压器c s i 传动系统 优点 ( 1 ) 拓扑结构简单，器件数量少。 ( 2 ) 输出波形好。 ( 3 ) 高输入功率因数。 ( 4 ) p w m 方法简单。 ( 5 ) 可靠的无熔断器短路保护。 ( 6 ) 可提供高可靠性的n + i 冗余方式。 ( 7 ) 具有四象限运行和再生制动能力。 缺点： ( 1 ) 动态性能差。主要是直流电抗器限制了直流电流的响应速度。 ( 2 ) l c 谐振。电网侧和电动机侧滤波电容可能会和进线电感及电动机电 感构成谐振电路。 1 3 本文主要研究内容 本文在查阅大量大功率高压变频器资料的基础上，分析比较各种高压变频 器设计方案，选择了使用i g c t 大功率器件的电流源型高压变频器作为课题研究 对象。主要研究内容如下： 1 、分析比较各种电流源型变换器拓扑方案，确定了本系统拓扑结构，并给 出了可抑制共模电压的电抗器设计方法。 2 、对i g c t 器件串联运行存在的驱动隔离电源和均压问题进行了分析，给 出了解决方案和参数计算经验公式。 3 、针对新型无变压器空间矢量调制的电流源型高压变频器的特点，提出了 一种方便有效地输入和输出滤波器设计方法，进行了仿真验证，并给出了参考 值。 4 、根据电流源型调制电流的特点，分析比较了电流源型调制方法的优缺点， 给出了电流源型空间矢量调制的的计算机实现方法。 7 5 、介绍了有源阻尼控制的原理，给出了相应的控制方法，并进行了仿真， 以验证这种有源阻尼方法的有效性。 6 、针对电流源型变频器的应用场合，给出了电流源型变频器的恒压频比控 制实现方法。 7 、分析介绍了以额定功率1 m v a ，额定电压4 1 6 0 v 为例的电流源型高压变 频器的实现方案，搭建了i o k v a 电流源型变频器样机，进行了器件及参数选定， 最后进行了部分实验。 8 第二章电流源型高压变频器主电路 电流源型高压变频器非常适合用于中压传动系统【1 3 1 ，其主要优点包括：拓 扑结构简单、输出电流波形接近正弦波、可四象限运行、无需熔断器即可实现 可靠地短路保护等。其主要缺点是动态性能差，但实际中使用的中压变频器大 多数应用于风机、泵和压缩机类负载，而此类负载对动态性能要求并不高，因 而电流源型变频器完全可满足这些应用。常用的p w m 电流源型变频器的功率容 量范围在l 1 0 m w 之间【l3 1 ，也可通过采用变频器并联运行的方式提高容量。对 于更高容量，甚至高达1 0 0 m w 的场合，采用负载换相交频器( l c i ) 更为合适。 电压源型变频器由于其系统成本和运行效率的原因，在超大功率场合的应用受 到一定的限制。 2 1 主电路结构 本文所研究的1 m v a 电流源型高压变频器采用新型拓扑结构一一体化直流电抗 器无变压器双p w m 拓扑【1 3 】【1 5 j ，如图2 1 所示。采用无变压器设计降低了制造成本， 减小了体积和重量，由于不再有变压器损耗，使得变频器的运行成本降低。 电流源型变频器使用反相阻断型集成门极换向晶闸管( r e v e r s eb l o c k i n g i n t e g r a t e dg a t e - c o m m u t a t e dt h y d s t o r ，r b i g c t ) 功率开关器件【l4 。，能阻断双向电压， 减少了功率器件使用数量，并且r b i g c t 较容易串联，使驱动和保护进一步简单。 对于4 1 6 0 v 系统，使用两个耐压为6 k v 的r b i g c t 串联作为一个单元使用，如图2 1 所示，6 0 0 0 v 系统则3 个6 k v 的r b i g c t 串联使用。 中间直流部分为一体化直流电抗器【l5 1 ，由一个铁心和四个线圈组成。该电抗器包 括了两个电感：电流源型所必需的差模电感l d 和可阻断共模电压的共模电感l 啪。一 体化直流电抗器替代了隔离变压器，减小了制造和运行成本。为保证电动机不受任何 共模电压的影响，两组滤波电容的中性点可直接或通过低电阻电感电路连在一起。 整流器输入端为三相滤波电容和电感，如图2 1 所示。对于电容，一方面用来抑 制对电网的谐波和无功补偿，另一方面则为辅助整流器中的功率器件进行换相。电感 则主要是为了减小网侧电流总谐波畸变率( t o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n ，t h d ) ，此外还 具有电流限制特性，防止发生进线短路故障。电流源型逆变器输出端引入三相电容 c f 来帮助开关器件换相。在器件关断的瞬间，逆变器的p w m 电流在很短的时间内要 减d , n 零，电容则为储存在负载电感中的能量提供电流通路，否则可能产生很高的电 压尖峰，并导致功率开关器件损坏。此外，逆变器输出电容还起到滤波器的作用，以 改善输出电压、电流的波形。 9 乙皿硫 + 一弋一弋 3厂 1 巳3 r 币矾x 讥吧训影 jlj 一l 一k 、十 + 一气 一弋 3 ，r1巳r j 一lll 、 l s ss s l墨墨 只&岛 砖&是 l 一七一气 巳!巳 r i 、 l 一l一l 3 r i j【与一，3 牛、 l y lj l 7 、j 、一 图2 1 采用一体化直流电抗的无变压器电流源型变频器拓扑结构 2 2 主电路设计 2 2 1 无变压器设计 在带有隔离变压器的高压变频器设备，存在以下四个方面的问题【l o 】。 l 、损耗大、效率低、体积大而笨重 常规变压器的效率可做到9 8 9 9 ，如果高压变频器其输入和输出都使用变压器 的话，其两级变压器的损耗就达到2 4 ，并且是在额定负载下的。如果是使用移相 变压器的高压变频器，其效率只能做到9 4 , - - 9 6 ( 额定负载时) 【l o 】，当负载减小时， 由于变压器的固有损耗，使带变压器的高压变频器系统效率下降至6 0 - 7 0 t l o l 。对于 重量和体积的认识，这里可以举个例子，星型- - 角形接法，电压比2 7 0 v 4 2 0 v ，功率 1 0 0 k w ，其重量为4 2 0 k g ，体积为6 3 5 m m x 4 3 0 m m 5 4 0 m m 。如果是额定电压1 m v a ， 额定电压4 1 6 0 v 或者6 0 0 0 v ，可想而知其重量和体积要多大。 2 、谐波污染大，功率因数偏低 产生主磁通所需要的电流叫做激磁电流i m 。激磁电流i m 包含两个分量，一个是磁 化电流i ，另一个叫铁损电流i f c 。磁化电流用以激励铁心中的主磁通由，对已制造完 成的变压器，i 。的大小和波形取决于主磁通由和铁心磁路的磁化曲线巾= 坟i 。) 。当磁路 不饱和时，磁化曲线是直线，i 。和巾成正比，故当主磁通由随时间正弦变化时，i 。以 随时间正弦变化。若铁心中的主磁通的幅值由m 使磁路达到饱和，铁心的磁化曲线变 为非线性，磁导率u 在磁饱和时变小，磁化电流i 。与磁场强度h 成正比，则磁化电流 i 。升高。现在变压器设计时，一般在额定电压时磁通密度在接近磁饱和附近，所以， 当变压器输入电压超过额定电压时，由于磁路饱和所引起的非线性，将导致磁化电流 成为与磁通同相位的尖顶波。磁路越饱和，磁化电流i 。的波形越尖，即畸变越严重， 对电网电流的谐波污染越大。 在一些变频器中使用隔离变压器，有的是移相变压器，这些多绕组变压器，在高 压变频器使用中，其各绕组之间必然要有高等级的绝缘，如此设计必然造成漏磁的增 大，从而加大了漏感，相对于普通变压器来讲，其功率因数偏低。 1 0 3 、启动瞬态电流冲击 众所周知，当变频器中有变压器时，当变频器启动时，常常发生过大的电流冲击。 这是由于，当变压器投入前铁芯中的剩余磁通与变压器投入时工作电压产生的磁通方 向相同时，其总磁通远远超过铁芯的饱和磁通量，因此产生较大的电流冲击，冲击电 流与变压器投入时系统电压的相角，变压器铁芯的剩余磁通和电源系统阻抗等因素有 关。 事实上，随着时间的推移，冲击电流逐渐衰减，衰减的速度取决于变压器本身的 时间常数。大型变压器衰减的较慢，有的可以衰减过程可达几秒以上，使一次线路过 电流保护装置动作，引起跳闸阱】。为此大型变压器在投入电源时，常在一次绕组中串 入一个电阻，以减少冲击电流的幅值并加快其衰减，投入后再将该电阻切除1 5 引。 4 、隔离效果差 变压器是通过磁通耦合来传递能量的，因而它不具备抗差模干扰的功能。由于变 压器绕组的匝间耦合分布电容的存在，其对共模电压抑制能力必然产生影响，如果要 有绝好的抑制共模干扰，则需要在变压器原副边加屏蔽层。屏蔽层越好，则其抑制共 模电压能力越强，但这必然造成变压器体积和成本的增加。 所以，本文所采用的无变压器电流源型高压变频器设计，去掉了电源输入端的高 压变压器，减小了高压变频器的体积及重量，方便变频器安装和运输，并可明显降级 成本；除去了变压器损耗，提高了变频器的工作效率；降低变频器的工作噪声；系统 更小型化，更易集成化、模块化。 2 2 2 直流电抗器设计 采用电压源型变频器和电流源型变频器的中压大功率传动系统都可能有的 一个缺点，就是存在共模电压，如果不设法加以消除，将造成电动机绝缘过早 破坏。在带有隔离变压器的变频器中，虽然由于绕组间分布电容的存在，其抑 制共模干扰能力有所下降，但是如果加屏蔽层，还是能起到很好的抑制共模干 扰的效果的。但是如果采用无变压器设计的话，则共模电压问题显然是需要另 外的解决途径。本文介绍的一种方法：采用一体化直流电抗器来抑制共模电压。 2 2 2 1 直流电抗器结构设计 图2 2 给出了一体化直流电抗器的结构【l5 1 。该电抗器有三个横截面相同的 铁心，两边的铁心具有相同的气隙。差模线圈x 1 和x 2 绕在两侧的铁心上，共 模线圈y l 和y 2 位于中间的铁心上。差模和共模线圈的匝数可以根据需要的差 模和共模电抗分别加以调整。 图2 3 给出了一体化电抗器在传动系统直流环节的连接方式i l 引。在正直流 母线上差模线圈x i 和共模线圈y l 串联；在负直流母线上差模线圈x 2 和共模线 圈y 2 串联。为避免电动机受到共模电压的影响，滤波电容c f 的中性点接地。 直流电流i d 。中包含和线圈对应的两个分量：差模电流i d 和共模电流i 。m 。差模 电流流过正直流母线后从负直流母线返回整流器。由于电抗和变换器的对称分 布，共模电流在直流电路中被等分：一半在正直流母线上而另一半在负直流母 线上。共模电流流过整流器、逆变器和滤波电容中性点，最后到地，其幅值受 到一体化电抗器共模电感的限制。 图2 2 一体化直流电抗器结构图 图2 3 一体化直流电抗器接线图 2 2 2 2 直流电抗器电感参数取值 l 、直流电抗器差模电感取值 三相电流源型高压变频器直流电抗器差模电感的作用主要是在滤除电流源 型整流器( c u r r e n ts o u r c er e c t i f i e r ，c s r ) 直流侧谐波电流，同时，使三相c s r 直流侧具有较大的输出阻抗，即使其呈现电流源特性。 直流电抗器差模电感参数计算，一般要考虑两方面的因素：其一，差模电感 l d 。要达到一定的值，从而使电流源型整流器输出的直流电流脉动小，使得被逆 变器使用时，其三相输出电流谐波小，减小对电机的脉动冲击；其二，为了提 升变频器的调速性能，提高其动态响应能力，直流差模电感受到一定的限制 【1 8 】 o 我们把电流源型三相逆变器的作为一个整体来考虑，等效为一个反电动势 负载，三相整流器等效为一个直流电压源，此时直流侧等效电路如图2 4 所示 1 2 吆 r d ck 图2 - 4 三相c s r 直流侧等效电路 显然，电流源型变频器直流回路方程为 ( f ) 一气( f ) = 瓦掣+ 乞( f ) ( 心+ 吃) ( 2 - - 1 ) 式中e l 、r l _ 直流负载电动势及电阻3 l d 。、r d 。一直流侧储能电感及等效电阻。 要i d 。(