中压变频器的发展与应用.doc

中压变频器的发展与应用周志敏（莱芜钢铁集团有限公司动力部，山东莱芜271104）1主流器件 中压变频技术发展至今，其主回路拓扑结构随电力电子器件的创新开发而不断发展，早期的SCR器件,也随着电力电子器件的不断创新在中压变频领域有逐步被淘汰的趋势。而GTO具有高电压、大电流的发展潜力，但驱动电路复杂，影响可靠性，另外G-K所在的J3结是特性很软，耐压很低的P-N结，若GTO未处于导通状态就连续对J3结施加强的负门极脉冲,这是很危险的，因此，在应用中GTO状态识别和逻辑保护是十分重要的。用内部MOS结构关断的GTO，因工艺复杂，目前尚未能实现大功率化，而为实现可关断MOS结构的GTO，开发研制出把MOS结构置于GTO外面来协助关断的IGCT。IGCT适用于大电流（1kA以上）、低频率（1kHz以下）的应用，由于从研制生产到应用的一系列技术受到专利的保护，在推广应用和器件竞争中未能完全取代GTO。IGBT作为第三代电力电子器件，因其工作电压较低，在多电平级联式变频装置中有其广阔的发展前景。其作为主回路器件的中压变频装置，具有改善输出电流波形，减少谐波对电网的污染及减少系统和电动机的电应力。IEGT是最为崭新的电力电子器件，吸取了IGBT和GTO两者的优点，叫做“注入增强栅晶体管”，它是在沟槽型IGBT基础上，把部分沟道同P区相联使发射极区注入增强，使得IEGT具有高电压、大电流和高的工作频率，更适合在高电压、大功率、高频率的变频装置中应用。 目前，应用在中压大功率变频领域的电力电子器件，已形成GTO、IGCT、IGBT、IEGT相互竞争不断创新的技术市场，在大功率（1MW）、低频率（1kHz）的传动领域，如电力牵引机车领域GTO、IGCT有着独特的优势，而在高载波频率、高斩波频率下，IGBT、IEGT有着广阔的发展前景，在现阶段的中压大功率变频领域，将由这4种电力电子器件构成其主流器件。2主流结构 目前，中压大功率变频器的主流结构为中中方式及其派生的形式，中中大功率变频器按其中间直流环节的储能元件的不同，可分为电压源型和电流源型。2.1电压源型中中变频器 电压源型中中变频器由整流器和逆变器两部分组成，在逆变器的直流侧并有大电容器，用来缓冲无功功率。当输出电压高于普通PWM电压源型变频器时，采用3电平PWM方式，可以避免器件串联的动态均压问题，同时降低输出谐波和du/dt。3电平PWM方式整流电路采用二极管，逆变部分的功率器件采用GTO、IGBT或IGCT。每个桥臂虽由4个功率器件串联，但是不存在同时导通和关断以及由此引起的动态均压问题。由于输出相电压电平数增加到3个，每个电平的幅值下降，且提高了谐波消除算法的自由度，可使输出波形比2电平PWM变频器有较大的提高，输出du/dt也有所减少。若输入也采用对称的PWM结构，可以做到系统功率因数可调，输入谐波也很低，且可4象限运行。为了减少输出谐波和转矩脉动，希望有较高的开关频率，但这又会导致变频器损耗增加，效率下降。3电平变频器输出若不设滤波器，一般需要特殊电动机，若使用普通电动机应降额应用。2.2电流源型中中变频器 电流源型变频器的最大优点是，电能可以回馈到电网，构成的交流调速系统可实现4象限运行。由于输入侧采用桥式晶闸管整流电路，输入电流的谐波含量较大，功率因数低，且随着系统转速的下降而降低，另外，电流源型变频器还会产生较大的共模电压，若不采用输入变压器，其共模电压会影响电动机的绝缘，装置的输出电流谐波也较高，会引起电动机的额外发热和转矩脉动，从而影响系统的动态指标。由于驱动功率、均压电路等固定损耗较大，系统效率会随着负载的降低而下降。采用GTO作为逆变部分的功率器件，可以通过PWM开关模式来实现消除谐波电流，但系统受到GTO开关频率上限的限制，一般控制在几百赫兹左右，若整流电路采用GTO作电流的PWM控制，可以得到较低的输入电流谐波和较高的输出功率因数，会使系统结构复杂和成本增加。 电流源型的发展稍晚于电压源型，在主回路方面，电流源型与电压源型比较有3大差别： （1）逆变器的直流侧采用大电感器作为滤波元件，即直流电路具有较大的阻抗，由于电感的作用，三相整流桥交流侧的输入电流为120方波的交流电流，同样，三相逆变桥交流侧输出电流也为120方波的交流电流。由于电感的作用，能有效地抑制故障电流的上升率，实现较理想的保护特性。 （2）没有与逆变桥反向并联的反馈二极管桥，这里，整流桥和逆变桥的电流方向始终不变，传动系统能量的再生可以通过整流桥和逆变桥的直流电压同时反相，将能量返送到交流电网，因此可快速实现4象限运行，适用于频繁调速和频繁启动的负载场合。 （3）逆变桥依靠逆变桥内的电容器和负载电感器的谐振来换流，逆变桥内没有电感，简化了主回路的设计和制作。3功率单元串联及多电平方式 在中中变频器的主回路结构中，采用若干个低压PWM变频功率单元串联的方式实现直接高压，电网电压经过隔离变压器降压后，其二次绕组形成相位不同的多重化组合给功率单元供电，各单相变频功率单元输出端串联起来，实现变压变频的高压输出，直接给高压电动机供电。单元串联的数量决定输出电压的等级，不存在器件的均压问题，逆变器部分采用多电平移相式PWM技术，同一相的功率单元输出相同的基波电压，但串联各单元的5对载波（每对含正反向信号）之间互相错开36，实现多电平的PWM，每个功率单元的IGBT开关频率为600Hz，若每相5个功率单元串联，等效的输出相电压开关频率为6kHz，且有11个不同的电平功率单元采用低的开关频率，可以降低开关的损耗，提高变频器效率，此种结构的变频器可适用于任何普通的高压电动机，且不必降额使用。虽然采用这种主电路拓扑结构会使器件的数量增加，但由于驱动功率下降，开关频率较低且不必采用均压电路，使系统在效率方面仍有较大的优势，其效率一般可达97，由于采用模块化结构，所有功率单元可以互换，维修也比较方便。由于采用二极管整流电路，所以能量不能回馈到电网，不能实现4象限运行，其应用领域受到一定的限制。4功率母线 在电力电子器件及其应用装置向高频化发展的今天，系统特别是连接线的寄生参数产生巨大的电应力，已成为威胁电力电子装置可靠性的重要因素。从直流储能电容器至逆变器之间的直流母线上的寄生电感的存在，在通常的硬开关逆变器中，由于瞬时切换时的过电压，会使器件过热，甚至有时使逆变器失控并超过器件的额定安全工作区而损坏，限制了开关工作频率的提高。4.1电缆绞线 电缆绞线是最常用的传统功率母线，价廉、简易。但在IGBT逆变器中，由于电缆线的自感大，与圆截面导线相比，扁平母线的自感只有圆导线的1/31/2，而所占的体积只有它的1/101/2。4.2印刷电路板 印刷电路板母线主要用于小电流逆变器，但当母线直流电流达到150A时，要求电路板的覆铜层很厚，造价太高，另外，用来连接多层导线板的穿孔不但占据较大的面积，而且会影响整机的可靠性。4.3裸铜板母线（平面并行母线） 这是一种工业上广泛应用的IGBT模块馈电系统的传统母线形式，其缺点是并行母线的互感较大。4.4支架式母线 如果将正直流母线铜板放置在负直流母线板的上方，中间用一层薄绝缘材料隔开的方法来制作母线，由于磁场的相互抵消，可以最大限度地降低互感，但其工艺复杂，不宜规模化生产。 由于上述几种功率母线都存在不同的缺点，因此制约大功率变频器的小型化进程，为此开发研制出迭层功率母线。4.5迭层功率母线 基于电磁场理论，把连线做成扁平截面，在同样截面下做得越薄越宽，它的寄生电感越小；另外相邻导线内流过相反的电流，其磁场抵消，可使寄生电感减小，这就促使人们萌生迭层功率母线的思路。所谓迭层功率母线，是以又薄又宽的铜排形式迭放在一起，各层之间用很薄的高绝缘强度的材料热压成一体，整个母线各层之间的距离均匀一致，以减少互感，各层铜排都在所需要的端子位置处同其他层可靠绝缘地引出，使具有不同电位的端子表露在同一平面上，以便把主电路中的所有器件与之相连。这种整体的迭层