|
一、 引言
低壓變頻器已經(jīng)取得企業(yè)界的認(rèn)可，正在走向大面積普及之路。高壓變頻器市場(chǎng)正在啟動(dòng)，前景十分好，以前這一產(chǎn)品完全依賴(lài)進(jìn)口，近幾年，隨著人們對(duì)高壓變頻器的認(rèn)識(shí)越來(lái)越深入，市場(chǎng)需求迅速增加。國(guó)內(nèi)變頻器生產(chǎn)商奮起直追，已涌現(xiàn)出幾個(gè)品牌。我公司是開(kāi)始研制高壓變頻器較早的單位之一， 6000V級(jí)的高壓變頻器已有多臺(tái)正在正常運(yùn)轉(zhuǎn)，通過(guò)了天津發(fā)配電及電控設(shè)備檢測(cè)所和國(guó)家電控配電設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心的檢驗(yàn)，通過(guò)了由院士和國(guó)內(nèi)著名專(zhuān)家組成的鑒定委員會(huì)的鑒定，鑒定證書(shū)中高度評(píng)價(jià)了設(shè)備的先進(jìn)性和創(chuàng)新性。在2002年年底我公司接到萬(wàn)伏變頻器的訂單，該變頻器已于是2003年3月交付使用，現(xiàn)在運(yùn)行良好。現(xiàn)把研制中的一些關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題和解決辦法奉獻(xiàn)給讀者，以期得到專(zhuān)家、用戶(hù)和朋友的指教。
二 方案選擇
客戶(hù)要求的主要技術(shù)指標(biāo)是：
10000V,355KW,額定電流為25.5A,負(fù)載為水泵。
高壓變頻器的制造遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于社會(huì)的需求，全世界都是這樣。瓶頸在于功率器件耐壓不夠，這是制約高壓變頻器發(fā)展的主要因素。為此，科學(xué)家們提出了很多解決方案，例如，高-低-高方案、功率器件直接串聯(lián)方案、三電平-多電平方案、功率單元串聯(lián)方案等等。我公司生產(chǎn)的6000V變頻器用的是功率單元串聯(lián)方案，效果很好，10000V變頻器仍然選這種方案，其理由是：
a、輸出電平數(shù)多，因此輸出波形特別好，能適合普通異步電動(dòng)機(jī)，且不必降額使用。
三 系統(tǒng)原理
功率單元串聯(lián)結(jié)構(gòu)，如圖1所示，以每相9單元為例。
功率單元為三相50Hz輸入，通過(guò)交—直—交變換，得到SPWM單相輸出的變頻器，多個(gè)單元相串聯(lián)后組成Y型結(jié)構(gòu)。單元的三相輸入由副邊多重化隔離變壓器供給，如圖2所示。
1、單元數(shù)和功率器件的選擇
線電壓10000V，相電壓5773V，若每相由9個(gè)單元串聯(lián)，每個(gè)單元的的輸出為641.5V(有效值)。用戶(hù)要求的額定容量小，最終選用了西門(mén)子雙單元IGBT模塊為功率器件。
2、輸入隔離變壓器的設(shè)計(jì)
為繞制方便，采用18相整流，輸入電流諧波已能滿(mǎn)足電磁兼容要求。變壓器輸入側(cè)采用星形接法。輸入變壓器與功率單元的連接示意圖如圖2所示。
這種整流結(jié)構(gòu)能夠保證輸入電流的諧波成份滿(mǎn)足企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和IEEE519的規(guī)定和要求。當(dāng)然相位組還可以更多一些，例如采用30或36脈沖整流電路結(jié)構(gòu)，不過(guò)那樣就大大增加了變壓器繞制工藝的難度。
3.功率單元主電路
功率單元主電路結(jié)構(gòu)是典型的三相輸入單相輸出電路，如圖3所示。
(1)由于電解電容上的交流成分和高頻成分比較大，實(shí)際并有無(wú)感電容(圖中未畫(huà))，可以減少交流成分和高頻成分，從而減少電解電容的負(fù)擔(dān)，以提高電解電容的壽命。
(2) 單相輸出有晶閘管旁路電路，正常工作時(shí)晶閘管不導(dǎo)通，當(dāng)該單元發(fā)生故障時(shí)，晶閘管導(dǎo)通，該單元退出運(yùn)行，其它單元還可繼續(xù)工作，因而整機(jī)可以避免緊急停機(jī)。
(二)控制系統(tǒng)及其優(yōu)化
87C196MC是變頻器中常用的，在本設(shè)計(jì)中仍然選它為主控器件，每個(gè)單元配有51單片機(jī)作為輔機(jī)。單片機(jī)資源有限，設(shè)計(jì)中必須精打細(xì)算、注意優(yōu)化。
控制系統(tǒng)有一套獨(dú)立的電源子系統(tǒng)， 220V市電經(jīng)過(guò)整流、濾波、穩(wěn)壓得到一個(gè)穩(wěn)定的直流電壓，再由一個(gè)高頻振蕩器得到幅度穩(wěn)定的高頻信號(hào)，由一系列高頻變壓器及相應(yīng)的整流、濾波送到各單元的控制及驅(qū)動(dòng)電路。
控制系統(tǒng)電源獨(dú)立的好處是：
三次諧波在三相平衡輸出中會(huì)自動(dòng)相互抵消，不會(huì)增加輸出的失真度。
3、載波相移技術(shù)
采用功率單元串聯(lián)實(shí)現(xiàn)高壓變頻器，控制方式一般有兩種：
(1)堆波方式 (2)載波移相技術(shù)
堆波方法控制，實(shí)現(xiàn)較簡(jiǎn)單，波形質(zhì)量也比較好，功率器件開(kāi)關(guān)次數(shù)少，開(kāi)關(guān)損耗小，但它存在兩個(gè)缺點(diǎn)：
(1) 串聯(lián)的各單元承擔(dān)的功率不一致。
(2) 變壓器各付邊繞組承擔(dān)的功率不一致。
載波移相技術(shù)可以得到良好的輸出波形，它克服了堆波方法的兩個(gè)缺點(diǎn)，雖然功率器件開(kāi)關(guān)次數(shù)較堆波方法多，但在整機(jī)中開(kāi)關(guān)損耗并非突出矛盾，因此我們采用了這種控制方式。
將調(diào)制信號(hào)和載波信號(hào)的頻率固定不變，調(diào)制信號(hào)的相位也固定，把單元1的載波相位取為基準(zhǔn)，單元2、3、～8、9的載波相位依次后延1/9載波周期。載波頻率等效提高了9倍，而在同一時(shí)刻只有一個(gè)單元有開(kāi)關(guān)動(dòng)作，9單元串聯(lián)后dv/dt仍然同于一個(gè)單元的dv/dt，串聯(lián)后總輸出的基波成份相疊加，而各單元的諧波成分卻相互抵消而變得很小，這是該項(xiàng)技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)所在。
9個(gè)單元的載波應(yīng)該分別與同一調(diào)制信號(hào)相比較，那么9個(gè)PWM脈沖的寬度變化就更精細(xì)的反映了調(diào)制信號(hào)的幅度變化，但這樣就使采樣數(shù)據(jù)量比一個(gè)單元的采樣數(shù)據(jù)量擴(kuò)大了9倍，使CPU(87C196MC)難于承受，更重要的是輸出端口不夠用，這是必須解決的難題。在本設(shè)計(jì)中解決的辦法是只讓1個(gè)單元負(fù)責(zé)采樣，而其它單元都使用這個(gè)采樣值，這實(shí)際上是假設(shè)：當(dāng)?shù)谝粋�(gè)單元采樣之后，第2、3、～8、9單元應(yīng)該采樣的這段時(shí)間里，調(diào)制信號(hào)沒(méi)有變化，正弦調(diào)制信號(hào)被模型化成了階梯波信號(hào)，見(jiàn)圖8。采用這種近似方法使載波移相控制方便地實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化。
|
