可變電壓恒功率輸出的高壓大功率變流器實現(xiàn)方法

1 引言

隨著電力電子器件的發(fā)展，變流器廣泛應(yīng)用于電信、能源、交通運輸、軍事裝備、材料工程、電力系統(tǒng)和電氣傳動領(lǐng)域，以驅(qū)動電氣傳動機(jī)構(gòu)或作為變頻電源使用。目前，比較先進(jìn)的高壓電機(jī)變頻調(diào)速裝置采用igbt功率單元串聯(lián)（h橋串聯(lián)）多電平技術(shù)、數(shù)字控制技術(shù)、spwm脈寬調(diào)制技術(shù)，具有高效節(jié)能、高功率因數(shù)及高可靠性等特點，結(jié)束了傳統(tǒng)方法造成的能源和人力浪費，延長了電機(jī)、風(fēng)機(jī)、水泵等使用壽命，改善了生產(chǎn)工藝，提高了生產(chǎn)效率。

h橋串聯(lián)多電平技術(shù)的發(fā)展為變流器的大容量化開辟了新的途徑，電平數(shù)量越多，輸出波形諧波失真越小，越接近于正弦輸出，更適合大容量、高電壓的場合。

目前，變頻裝置在輸出電壓降低時輸出功率也等比的減小，在需要多電壓等級恒功率輸出的場合，只能選擇多個變頻調(diào)速裝置來實現(xiàn)，通過一個變流器能夠?qū)崿F(xiàn)多電壓等級恒功率輸出的變流器是電力電子設(shè)備市場急需的產(chǎn)品。

2 變流器組成原理

a、b、c三相電源接入變流器，其輸出接電動機(jī)，如圖1所示。

全電壓等級如圖2所示，每相由n個變流功率單元串聯(lián)組成一個變流鏈，實現(xiàn)全電壓三相交流恒功率輸出，其中n為偶數(shù)。

1/2全電壓等級如圖3所示，由n/2個變頻功率單元串聯(lián)組成1個變流鏈，每相由2個變流鏈相并聯(lián)，實現(xiàn)1/2全電壓等級的三相交流恒功率輸出，其中n為偶數(shù)。

1/4全電壓等級如圖4所示，由n/4個變頻功率單元串聯(lián)組成1個變流鏈，每相由4個變流鏈相并聯(lián)，實現(xiàn)1/4全電壓等級的三相交流恒功率輸出，其中n為偶數(shù)。

1/8全電壓等級如圖5所示，由n/8個變頻功率單元串聯(lián)組成1個變流鏈，每相由8個變流鏈相并聯(lián)，實現(xiàn)1/8全電壓等級的三相交流恒功率輸出，其中n為偶數(shù)。

1/n全電壓等級如圖6所示，由n個變頻功率單元并聯(lián)組成，實現(xiàn)1/n全電壓等級的三相交流恒功率輸出。

直流或單相交流恒功率輸出如圖7所示，如將每相n個變頻功率單元并聯(lián)，再將三相所屬變流并聯(lián)單元再進(jìn)行并聯(lián)，可實現(xiàn)直流輸出或單相交流恒功率輸出。

該方法需要滿足的控制條件是：

（1）各變頻功率單元的串、并聯(lián)通過控制相應(yīng)開關(guān)的分、合閘來實現(xiàn)，控制原則是所需恒功率輸出的電壓等級；

（2）同一個變流鏈中的各變頻功率單元輸出同相位、同頻率，而且電壓幅值相等；

（3）并聯(lián)的各個變流鏈輸出電流相等。

3 變流壓實例

實施例1:n=8，功率為5000kva。

圖8所示的是全電壓等級13.2kv的拓?fù)鋱D：每相由8個變頻功率單元串聯(lián)組成1個變流鏈，實現(xiàn)全電壓13.2kv三相交流恒功率5000kva輸出。

圖9所示的是1/2全電壓等級6.6kv的拓?fù)鋱D：由4個變頻功率單元串聯(lián)組成1個變流鏈，每相由2個變流鏈相并聯(lián)，實現(xiàn)6.6kv等級的三相交流恒功率5000kva輸出。

圖10所示的是1/4全電壓等級3.3kv的拓?fù)鋱D：由2個變頻功率單元串聯(lián)組成1個變流鏈，每相由4個變流鏈相并聯(lián)，實現(xiàn)3.3kv等級的三相交流恒功率5000kva輸出。

圖11的是1/8全電壓等級1.65kv的拓?fù)鋱D：由1個變頻功率單元組成一個變流鏈，每相由八個變流鏈相并聯(lián)，實現(xiàn)1.65kv電壓等級的三相交流恒功率5000kva輸出。

圖12所示的是直流0-1000v或單相交流恒功率輸出的拓?fù)鋱D：如將每相8個變頻功率單元并聯(lián)，再將三相所述變流并聯(lián)單元再進(jìn)行并聯(lián)，可實現(xiàn)直流輸出0-1000v恒功率5000kva輸出。

圖13的是變流器具體原理圖：為n=8、功率為5000kva變流器。其輸出能力、對應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)和控制方式如表所示。

圖13中的每個變頻功率單元的具體原理見圖14，當(dāng)變頻功率單元為圖14（a）時就是四象限變流電，當(dāng)變頻功率單元為圖14（b）時就是兩（或單）象限變流器。

圖14（a）中，此變頻功率單元基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為交椫睏交型三相可控整流/單相逆變輸出的電壓源型變頻器，整流側(cè)為三相可控整流橋，將輸入的三相交流整流成直流；逆變側(cè)為單相逆變，實現(xiàn)單相可控交流0～950v輸出。此變頻功率單元能夠?qū)崿F(xiàn)能量的雙向流動，電流可從電網(wǎng)經(jīng)中間直流電容流向電機(jī)，也可因電機(jī)制動或電機(jī)工作在發(fā)電工況時，電流從電機(jī)經(jīng)直流環(huán)節(jié)的電容流向電網(wǎng)，實現(xiàn)四象限運行控制。其中可控整流器件和逆變器件可以是igbt（igct、iegt）。

圖14（b）中，此變頻功率單元基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為交椫睏交型三相二極管不可控整流/單相逆變輸出的電壓源型變頻器，即此變頻單元是三相交流輸入，單相輸出為可控的交流0～950v。其中逆變器件可以是igbt（igct、iegt）。

此變流器基于多電平h橋串聯(lián)技術(shù)，最高輸出達(dá)到13.2kv，無需升壓變壓器，容量為5000kva。

由電網(wǎng)送來的三相交流電接入整流移相變壓器t2，整流移相變壓器t2的二次有24個三相繞組分別給24個變頻功率單元供電，每相由8個變頻功率單元的單相輸出首尾串聯(lián)，而每個變頻功率單元的輸出電壓可控制在0～950v范圍內(nèi)，各變頻功率單元輸出的pwm波移相疊加后，形成7.6kv的相電壓，a、b、c三相采用y形連接，形成了線電壓最高為13.2kv的高質(zhì)量的正弦波輸出（頻率在0～120hz可設(shè)定，電壓在0～13.2kv）供給電動機(jī)或作為變頻電源。

每個變頻功率單元是完全成熟的技術(shù)，而變頻功率單元的輸出電壓和串聯(lián)數(shù)量決定了此變流器的最高輸出電壓，每個變頻功率單元的額定電流決定此變流器的輸出電流。

整流移相變壓器的一次繞組是y型，每個二次繞組為延邊△型，一次電壓根據(jù)應(yīng)用電網(wǎng)的電壓設(shè)計。

通過對各開關(guān)的分合閘控制，實現(xiàn)a、b、c三相每相各自變頻單元的并聯(lián)，而得到不同電壓等級的輸出。保證了不同電壓等級下的功率輸出仍然是5000kva。

交流輸出端子共有4組，直流輸出端子1組，輸出能力、開關(guān)的刀閘狀態(tài)、控制方式見附表。

圖15是全電壓13.2kv等級時四象限型變流器電路原理圖。變頻功率單元為圖14-a時，每相8個變頻功率單元串聯(lián)，實現(xiàn)全電壓13.2kv三相交流恒功率5000kva輸出。

4 結(jié)束語

本文介紹的可變電壓恒功率輸出的高壓大功率變流器，已制成實用的高壓變頻器產(chǎn)品，是高壓電機(jī)性能試驗的理想設(shè)備。因為一臺此高壓變頻器可以用于多種電壓等級的高壓大功率電機(jī)性能試驗。這樣可以節(jié)省大量設(shè)備投資，節(jié)省設(shè)備安裝產(chǎn)地，是種很實用的創(chuàng)新產(chǎn)品，即有實用價值，更有推廣價值。