王建喬

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一種新型大功率多相變頻驅(qū)動系統(tǒng)

王建喬

（臥龍電氣集團(tuán)有限公司，浙江上虞 312300）

本文在提出多相大功率驅(qū)動系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過分析單元級聯(lián)型高壓變頻器和多相并聯(lián)型不控整流系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及優(yōu)缺點(diǎn)，提出了一種移相獨(dú)立電源的多相變頻系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。此種拓?fù)渚哂薪Y(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、功率密度大、易于實(shí)現(xiàn)大功率、具有更多的控制資源等優(yōu)點(diǎn)。通過仿真研究和實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該拓?fù)涞目尚行浴?/p>

大功率驅(qū)動系統(tǒng)；多相變頻；拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；移相獨(dú)立電源

受傳統(tǒng)的三相和正弦波型供電的限制，大功率變頻器的共同特點(diǎn)是通過提高電動機(jī)的輸入電壓或輸入電流來實(shí)現(xiàn)大功率，未把變頻電動機(jī)與變頻調(diào)速系統(tǒng)作為一個(gè)系統(tǒng)去考慮。同時(shí)，由于三相電動機(jī)的特點(diǎn)，追求變頻器輸出電壓為正弦波，導(dǎo)致變頻器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性低，只要其中一個(gè)器件損壞，將導(dǎo)致整個(gè)傳動系統(tǒng)的故障[1]。

隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，變頻調(diào)速系統(tǒng)的相數(shù)和供電波形已不再是限制條件，變頻調(diào)速裝置與電動機(jī)完全可以看成一個(gè)整體，在電壓與電流兩個(gè)設(shè)計(jì)自由度的基礎(chǔ)上增加相數(shù)的自由度，通過這三個(gè)自由度的優(yōu)化組合達(dá)到最佳的大功率驅(qū)動性 能[2]。采用多相結(jié)構(gòu)，可以在不增大或少增大電壓、電流等級的前提下實(shí)現(xiàn)大功率變頻調(diào)速。這樣使得變頻調(diào)速系統(tǒng)工藝簡化、對器件特性要求降低、結(jié)構(gòu)簡單，從而使得低成本推廣應(yīng)用大功率變頻調(diào)速系統(tǒng)成為可能。

本文通過目前主流的單元級聯(lián)型高壓變頻器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和多相并聯(lián)型十八脈波不控整流系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和各優(yōu)缺點(diǎn)的分析，提出了移相獨(dú)立電源的多相變頻系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并對其工作原理和性能進(jìn)行了仿真研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 單元級聯(lián)型高壓變頻器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1所示為單元級聯(lián)型高壓變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)最初是由羅賓康公司提出的，在2000年初迅速得到廣泛應(yīng)用的一種高壓大功率變頻器。其主要由輸入變壓器、功率單元和控制單元三大部分組成。如圖2所示為功率單元原理圖，采用模塊化設(shè)計(jì)，由于采用功率單元相互串聯(lián)的辦法解決了高壓的難題而得名，可直接驅(qū)動交流電動機(jī)，無需輸出變壓器，更不需要任何形式的濾波器。

移相和單元串聯(lián)是這個(gè)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，使它具有了其他多電平結(jié)構(gòu)不具有的優(yōu)點(diǎn)。這種結(jié)構(gòu)通過多脈波移相變壓器移相整流，解決了整流過程中對電網(wǎng)的諧波污染；通過多段H橋逆變的串聯(lián)，解決了功率管耐壓低的問題，串聯(lián)的級數(shù)越多，變頻器的輸出的電壓越高，可以輕易實(shí)現(xiàn)3kV、6kV、10kV乃至更高電壓的變頻；通過移相PWM技術(shù)，實(shí)現(xiàn)近似正弦的電壓輸出，d/d小，輸出諧波小于3%，對電動機(jī)的絕緣沒有特殊要求，適用于普通電動機(jī)。

圖1 單元級聯(lián)型高壓變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2 功率單元原理圖

但同時(shí)由于這個(gè)結(jié)構(gòu)決定了它的一些缺點(diǎn)，如結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大；各H橋基礎(chǔ)電位不同，各功率模塊間必須進(jìn)行絕緣隔離；不能統(tǒng)一接地，要實(shí)現(xiàn)水冷散熱困難，所以做更大功率的困難；各段獨(dú)立整流電路濾波電容用量大；功率器件用量為單橋臂電路的兩倍，器件越多，故障概率也就越大；能量回饋困難。

2 多相并聯(lián)型不控整流系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

多相電動機(jī)傳動系統(tǒng)能夠很好的滿足大功率電氣傳動系統(tǒng)的要求，是電動機(jī)技術(shù)與電力電子技術(shù)的最佳組合之一，尤其適用于軍用船艦等低壓大功率場合。

在過去的20年里，多相傳動系統(tǒng)已經(jīng)引起工程界和學(xué)術(shù)界的廣泛興趣，隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)尤其是微處理器（DSP）和復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）的迅速發(fā)展，使得復(fù)雜的控制策略能夠應(yīng)用到多相傳動系統(tǒng)中，多相變頻控制技術(shù)可以說已經(jīng)達(dá)到了成熟，但是受制于人們?nèi)嚯妱訖C(jī)的使用習(xí)慣，未能大量推廣應(yīng)用。

由于功率與電動機(jī)的相數(shù)、電壓、電流的乘積有關(guān)，在多相電動機(jī)系統(tǒng)中電動機(jī)的輸入是低壓，要實(shí)現(xiàn)大功率，受電動機(jī)工藝影響，相數(shù)不可能做得很多，因此系統(tǒng)電流比高壓系統(tǒng)會成倍增大，典型的多相電動機(jī)傳動系統(tǒng)是并聯(lián)型不控整流系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[3]，如圖3所示。

圖3 九相變頻調(diào)速系統(tǒng)主回路結(jié)構(gòu)

圖4所示為共直流母線多相逆變原理圖，該并聯(lián)型不控整流系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要包括移相變壓器、并聯(lián)型多脈波不控整流電路、平衡電抗器、直流貯能電容、多相輸出逆變器。

圖4 共直流母線多相逆變原理圖

移相變壓器采用多重化技術(shù)減小系統(tǒng)的輸入諧波。

并聯(lián)型十八脈波不控整流是該系統(tǒng)的特點(diǎn)，多個(gè)獨(dú)立的并聯(lián)型整流電路為該系統(tǒng)提供足夠的輸入電流。

平衡電抗器用于抵消整流橋輸出電壓之間的瞬間交流電壓差，抑制環(huán)流產(chǎn)生的直流磁動勢，防止鐵心飽和。

本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在原理上通過并聯(lián)不控整流電路實(shí)現(xiàn)了多相大電流的輸出，解決了當(dāng)前電力電子器件電壓電流有限的問題，并且已經(jīng)有較小功率的實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)品。

但是實(shí)際上由于本拓?fù)湓谥绷鳝h(huán)節(jié)上采用的是共母線，移相變壓器副邊繞組在現(xiàn)在的工藝技術(shù)下無法做到完全一致，副邊繞組阻抗存在誤差，而移相變壓器阻抗很小，因此并聯(lián)的整流橋之間存在一個(gè)較大的直流環(huán)流。過大的直流環(huán)流會導(dǎo)致平衡電抗器鐵心飽和，使得平衡電抗器不能正常工作，而且電流不平衡會縮短電力電子器件壽命，降低系統(tǒng)的可靠性[4-5]。

3 移相獨(dú)立電源的多相變頻系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

直流母線在整流側(cè)的共用是上述并聯(lián)型不控整流多相系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生母線環(huán)流的原因所在，如果直流母線在整流側(cè)不共用，那么就解決了母線環(huán)流問題，同時(shí)從單元串聯(lián)型高壓變頻器的移相變壓器的二側(cè)繞組經(jīng)整流電路給逆變電路獨(dú)立供電的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，引伸出如圖5所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖5 移相獨(dú)立電源的多相變頻系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)包括移相變壓器、整流電路、多相逆變電路、多相電動機(jī)和控制電路，移相變壓器的二側(cè)繞組經(jīng)不控整流電路給逆變電路獨(dú)立供電，每個(gè)逆變電路的輸出給多相電動機(jī)供電，各整流電路的直流母線負(fù)端共地連接，如圖6所示為獨(dú)立電源的多相逆變原理圖。本文把這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)稱之為移相獨(dú)立電源的多相變頻系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

系統(tǒng)的輸出電壓可以是400V、600V或1180V等低電壓等級。

由于不控整流的整流橋可以承受較大的電流，所以一個(gè)整流回路可以為2個(gè)或多個(gè)逆變橋供電，本拓?fù)溥€可進(jìn)一步變化，圖7所示為系統(tǒng)變化圖。

圖6 獨(dú)立電源的多相逆變原理圖

圖7 系統(tǒng)變化圖

4 本系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)勢

本方案汲取了“羅賓康”方案中的多脈波移相變壓整流系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，減少電網(wǎng)側(cè)污染，同時(shí)實(shí)現(xiàn)低壓輸出，給若干個(gè)獨(dú)立整流電路供電，以避免并聯(lián)結(jié)構(gòu)中多個(gè)整流電路并聯(lián)過程中的器件均流問題和回路震蕩問題。由于采用多相變頻，工作時(shí)定子磁場矢量呈現(xiàn)多邊形（2N），即使在某一相出現(xiàn)故障時(shí)，通過控制軟件調(diào)整也能實(shí)現(xiàn)帶故障運(yùn)行。

4.1 降低成本，提高可靠性

逆變電路為二電平單橋臂逆變電路，簡化了逆變電路結(jié)構(gòu)，逆變電路和整流電路個(gè)數(shù)與相數(shù)相等，整流電路也可以為幾個(gè)相共用，與級聯(lián)電路相比大大減少了功率器件數(shù)量，從而提高了系統(tǒng)可靠性，降低了成本。

表1為兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)功率器件的比較，以500kW電動機(jī)為例，用10kV的單元串聯(lián)型高壓變頻器與1180V的一對一的九相變頻系統(tǒng)作比較。

10kV≠500kW電動機(jī)配600kVA的單元串聯(lián)型高壓變頻器,額定電流為34A。

1180V≠500kW電動機(jī)配600kVA的本拓?fù)涞木畔嘧冾l器,根據(jù)電動機(jī)功率計(jì)算公式：

式中，為電動機(jī)相數(shù)，取cos=0.86，則電流=108A。

表1 兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)功率器件的比較

4.2 提高系統(tǒng)的功率密度

10kV單元串聯(lián)型高壓變頻器需要9級共27個(gè)功率單元，本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)只需9個(gè)功率單元，因此結(jié)構(gòu)大大簡化。電動機(jī)本體可以按照低壓電動機(jī)的規(guī)范設(shè)計(jì)，可以降低絕緣厚度，提高電動機(jī)槽面積利用率，從而提升功率密度。

假設(shè)3000V的三相電動機(jī)，繞組的線電壓為3000V，相電壓為1800V，需要用中壓電動機(jī)的絕緣規(guī)范要求設(shè)計(jì)電動機(jī)，相對絕緣厚度增加，槽內(nèi)有效導(dǎo)體面積減少，定子銅耗增大，使電動機(jī)效率和功率密度都受到一定的限制。如果做成九相電動機(jī)，由于繞組由串聯(lián)聯(lián)接改成為部分并聯(lián)聯(lián)接，在單元定子電流相同的情況下，電動機(jī)的輸出性能也相同，但每一串繞組的電壓就可以減少到1000V（線）/600V（相），電動機(jī)可以按低壓電動機(jī)的絕緣規(guī)范要求設(shè)計(jì)電動機(jī)，從而絕緣厚度大大降低，定子槽面積利用率大大提高，可以有利于提升電動機(jī)的功率密度和效率。

異步電動機(jī)運(yùn)行中奇次諧波產(chǎn)生的效率損失是影響電動機(jī)效率的一個(gè)重要因素，特別是三次、五次等低次的奇次諧波的能量幅值較高，選用多相電動機(jī)設(shè)計(jì)方案可以有效地抵消低次諧波，當(dāng)相數(shù)足夠多時(shí)諧波分量進(jìn)一步降低，可以直接選擇多相方波供電，與正弦波相比，定子繞組有效電壓可以提高40%，從而進(jìn)一步提升電動機(jī)的功率密度和電動機(jī)效率。

4.3 可以采用水冷冷卻，易于實(shí)現(xiàn)大功率

冷卻技術(shù)是制約大功率變頻驅(qū)動的一大原因，隨著國內(nèi)變頻技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，變頻器容量的不斷提高，強(qiáng)迫風(fēng)冷已不能滿足大功率變頻散熱條件。圖8為兩種拓?fù)淅鋮s方式對比，可以看出單元串聯(lián)型高壓變頻器，由于各功率模塊間存在電壓差，功率模塊間需要高電壓等級的絕緣，因此在冷卻水不能采用普通的水，而需要特殊的介質(zhì)或去離子水，使冷卻水系統(tǒng)更為復(fù)雜。

圖8 兩種拓?fù)淅鋮s方式對比

而本拓?fù)渲校捎谀孀冸娐凡捎霉驳剡B接，各功率模塊可以安裝在同一個(gè)散熱器上，因此可以很方便的采用水冷，對冷卻水也沒有特殊要求，冷卻回路簡單。

4.4 具有多相系統(tǒng)的冗余優(yōu)勢

采用相冗余的概念，提高了系統(tǒng)的可靠性。

三相系統(tǒng)中，當(dāng)一相故障時(shí)，應(yīng)該立即停機(jī)。當(dāng)多相電動機(jī)定子繞組一相（或少幾相）開路或逆變器的一個(gè)（或少幾個(gè)）橋臂出現(xiàn)故障時(shí)，不會造成系統(tǒng)的崩潰，可降載運(yùn)行而無需停機(jī)，適合應(yīng)用于航空航天、核電站水冷系統(tǒng)等高可靠性要求的場 合[6]。

多相系統(tǒng)具有比三相系統(tǒng)更多的控制資源和潛能，可以使用一些非常規(guī)的控制模式。

將傳統(tǒng)三相電動機(jī)的控制方法和移相控制模式結(jié)合起來，應(yīng)用于多相逆變器供電的多相交流電動機(jī)會大大改進(jìn)調(diào)速系統(tǒng)的性價(jià)比[7-9]。

5 系統(tǒng)仿真

圖9所示為多相變頻系統(tǒng)仿真圖。在新拓?fù)涞姆抡嬷?，采?00kW的九相變頻驅(qū)動系統(tǒng)，變頻輸出額定相電壓為690V，移相變壓器移相角度為6.67°，直流濾波電容取值為10000mF，各逆變單元采用SVPWM控制，調(diào)制系數(shù)為0.9，開關(guān)頻率為6kHz，負(fù)載相功率為100kW。

因?yàn)橄到y(tǒng)是54脈波整流，輸入電流諧波含量少，所以對電網(wǎng)污染小。圖10所示為輸入側(cè)電流波形。圖11是相輸出電壓波形圖。圖12是相電流波形圖?？梢?，輸出電流波形比較平滑，再加上相數(shù)多，對減少電動機(jī)噪音和振動有利。

圖10 輸入側(cè)電流波形

圖13為相鄰單元母排電流波形?？梢?，共地母排上的電流幅值與相電流幅值相當(dāng)，而且也呈正弦性。

6 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

基于上述多相變頻系統(tǒng)的理論分析，制作如圖14所示為多相變頻系統(tǒng)樣機(jī)。該樣機(jī)功率900kW，額定相電壓690V。圖15所示為實(shí)測相電流波形圖，從圖中可以看出，電動機(jī)相電流比較平滑，諧波較小。該系統(tǒng)目前運(yùn)行平穩(wěn)，可靠性高。

圖11 相電壓波形

圖12 九相電流輸出波形

圖14 多相變頻系統(tǒng)實(shí)物圖

7 結(jié)論

本文把電動機(jī)和驅(qū)動器看成一個(gè)整體，提出多相變頻驅(qū)動系統(tǒng)，該系統(tǒng)是在電壓與電流兩個(gè)自由度的基礎(chǔ)上增加了相數(shù)的自由度，比其他大功率變頻驅(qū)動方案具有更多優(yōu)勢。通過分析對比單元串聯(lián)型高壓變頻器和并聯(lián)型多相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提出了移相獨(dú)立電源型多相變頻驅(qū)動系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)汲取了“羅賓康”方案中的多脈波移相變壓整流系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，即減少電網(wǎng)側(cè)污染，同時(shí)實(shí)現(xiàn)低壓輸出，給若干個(gè)獨(dú)立整流電路供電，以避免并聯(lián)結(jié)構(gòu)中多個(gè)整流電路并聯(lián)過程中的器件均流和回路振蕩，同時(shí)具有結(jié)構(gòu)簡單，可靠性和功率密度高等諸多優(yōu)點(diǎn)，具有很大的社會經(jīng)濟(jì)效益。并用仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可行性。

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The New Large Power Multi-Phase Variable Frequency Driver System

Wang Jianqiao

(Wolong Electric Group Co., Ltd, Shangyu, Zhejiang 312300)

Based on the analysis of the topology and the advantages anddisadvantages of the cascaded high voltage inverter and multi-phase parallel typenon-controlled rectifier system, the topology structure of multi-phase transformation frequency system is presented in this paper. This topology has the advantages of simple structure, high reliability, high power density, easy to realize high power, and more control resources. The feasibility of the topology is verified by simulation study and experiment.

high power driver system; multi-phasevariable frequency; topology structure; phase shifted independent power supply

王建喬（1963-），男，臥龍電氣集團(tuán)股份有限公司高級工程師，研究方向?yàn)殡姍C(jī)與驅(qū)動控制技術(shù)、電源技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)。