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中压变频电源的主流结构

提示:

目前就中压大功率变频电源的主流结构为中-中方式及其派生的形式,中-中大功率变频电源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。但对于中压变频电源拓扑结构的分类通常有以下两种方式。(1)按器件结构分类:1)采用串、并联功率器件的拓扑结构。2)采用的串、并功率单元的拓扑结构。(2)按直流电压源的个

    目前就中压大功率变频电源的主流结构为中-中方式及其派生的形式,中-中大功率变频电源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。但对于中压变频电源拓扑结构的分类通常有以下两种方式。

    (1)按器件结构分类:

    1)采用串、并联功率器件的拓扑结构。

    2)采用的串、并功率单元的拓扑结构。

    (2)按直流电压源的个数分类:

    1)采用单一直流电压源的拓扑结构。

    2)需要多个独立电压源的拓扑结构。

    在高压变频电源中,主回路拓扑结构有多种不同的方案而实际应用较多的是:

    1)IGBT构成的单元串联多电平PWM电压型变频电源。

    2)IGCT/SGCT构成的中性点钳位的三电平电压型变频电源。

    (3)电压源型中一中变频电源。电压源型中一中变频电源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,用来缓冲无功功率,当输出电压高于普通PWM电压源型变频电源时,采用三电平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,三电平PWM方式整流电路采用二极管,逆变部分功率器件采用GTOIGBTIGCT。每个桥臂虽由4个功率器件串联,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了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,可使输出波形比二电平PWM变频电源有了较大的提高,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,且可四象限运行。但为减少输出谐波和转矩脉动,希望有较高的开关频率,但会导致变频电源损耗增加,效率下降。三电平变频电源输出若不设滤波器,一般需要特殊电动机,若使用普通电动机应降额应用。

    (4)电流源型中一中变频电源。电流源型变频电源的最大优点是,电能可以回馈到电网,由其构成的交流调速系统可实现四象限运行。由于输入侧采用桥式晶闸管整流电路,输入电流的谐波较低,功率因数低,且随着系统转速的下降而降低,另外,电流源型变频电源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Hz左右,若整流电路采用GTO作电流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,而会使系统结构复杂和成本增加。电流源型变频电源的发展稍晚于电压源型变频电源,在主回路方面电流源型与电压源型比较有三大差别:

    1)逆变器的直流侧采用大电感L作为滤波元件,即直流电路具有较大的阻抗,由于L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为120°方波的交流电流。由于L的作用,能有效的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,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号,将能量返送交流电网,因此可快速实现四象限运行,适用于频繁加减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。

    (5)功率单元串联及多电平方式。在中一中变频电源的主回路结构中,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,电网电压经过二次绕组多重化的隔离变压器降压后给功率单元供电,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,直供高压电动机。单元串联的数量决定输出电压的等级,不存在着器件的均压问题,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个功率单元串联时,等效的输出相电压开关频率为6kHz,可以降低开关的损耗,提高变频电源效率,此种结构的变频电源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,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,所以能量不能回馈电网,不能实现四象限运行,其应用领域受到一定的限制。


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