高压变频器综述

1.引言[1]
高压变频器是指输入电源电压在3KV以上的大功率变频器，主要电压等级有3000V、3300V、6000V、6600V、10000V等电压等级的高压大功率变频器，高压变频器由高－低－高；低－高；高－高之分。

以前的高压变频器，由可控硅整流，可控硅逆变等器件构成，缺点很多，谐波大，对电网和电机都有影响。

随着现代电力电子技术及计算机控制技术的迅速发展，一些新型器件将改变这一现状，如IGBT、IGCT、IECT[1]等等。

由它们构成的高压变频器，性能优异，可以实现PWM逆变以及PWM整流。

不仅谐波小，功率因数也有很大程度的提高。

本文在介绍高压变频器类型及其拓扑结构的基础上，分析了各种拓扑结构的优缺点。

最后本文综述了目前针对高压变频器的一系列控制方法。

2.高压变频器分类[1]
高压变频器的种类繁多，其分类方法也多种多样。

按着中间环节有无直流部分，可分为交交变频器和交直交变频器；按着直流部分的性质，可分为电流型和电压型变频器；按着有无中间低压回路，可分为高高变频器和高低高变频器；按着输出电平数，可分为两电平、三电平、五电平及多电平变频器；按着电压等级和用途，可分为通用变频器和高压变频器；按着嵌位方式，可分为二极管嵌位型和电容嵌位型变频器等等。

2.1高低高
原理是通过降压变压器，将电网电压降到低压变频器额定或允许的电压输入范围内，经变频器的变换形成频率和幅度都可变的交流电，再经过升压变压器变换成电机所需要的电压等级。

如图1所示，这种方式，由于采用标准的低压变频器，配合降压，升压变压器，故可以任意匹配电网及电动机的电压等级，容量小的时侯（<500KW）改造成本较直接高压变频器低。

缺点是升降压变压器体积大，比较笨重，频率范围易受变压器的影响。

一般高低高变频器可分为电流型和电压型两种。

图1高低高电流型变频器
2.2交—交变频器[2]
交—交变频器是采用晶闸管实现的无直流环节的直接由交流到交流的变频器，也叫做周波换流器。

当电压在3kV以下时，每相要用12只晶闸管，三相共36只；当电压超过3kV时，晶闸管必须串联使用，所用的晶闸管要成倍增加。

它有两种电路结构：一是公共交流母线进线方式，一是输出星形联结方式，如图2所示。

交交变频的优点是：只用一次变流，效率高；可方便地实现四象限工作；低频输出波形接近正弦波。

其缺点是：接线复杂，输出频率较低；输入功率因数较低；输入电流谐波含量大，频谱复杂。

主要用于500KW或1000KW以上大功率低转速交流调速电路中。

图2输出星形联结交交变频器
2.3电流源型高压变频器
电流源型变频器又可以分为：负载换向式（晶闸管）变频器（LCI）；采用自关断器件（GTO或SGCT）的变频器。

电流型变频器采用SCR、GTO 或IGCT元件串联的办法，直流部分用电抗器储存能量，实现直接的高压变频，有可回馈能量的优点。

电流源型变频器输入侧的功率因数比较低，电抗器的发热量较大，效率比电压源型变频器低，输出滤波器的设计比较麻烦，变频器的共模电压和谐波、dv/dt问题较为突出，所以对电机的要求较高。

同时，器件串联对驱动电路的要求也大大提高，要尽量做到串联器件同时导通和关断，否则，由于各器件通、断时间不一，承受电压不均，会导致器件损坏，甚至整个装置崩溃。

电流源型变频器的市场竞争能力已经逐渐变弱。

2.4电压源型高压变频器
2.4.1两电平
两电平电压型变频器，电路结构采用IGBT直接串联技术，也叫直接器件串联型高压变频器。

简化电路如图3所示，其在直流环节使用高压电容进行滤波和储能，输出电压可达6kV。

其优点是可以采用较低耐压的功率器件，串联桥臂上的所有IGBT作用相同，能够实现互为备用，或者进行冗余设计，当采用PWM整流电路可以实现四象限运行。

缺点是电平数较低，仅为两电平，输出电压du/dt也较大，需采用特种电动机或者加高压正弦波滤波器，此类变频器同样需要解决器件的均压问题，一般需特殊设计驱动电路和缓冲电路。

适用于轧机、起重机械、电力机车牵引、船舶主传动、风机、水泵和压缩机等。

图3两电平高压变频器
2.4.2三电平
三电平逆变电路也称作中心点钳位逆变器[2]（Nerural Point Clamped—NPC），于1980由日本人nabae首先提出。

这种三电平中性点钳位结构与普通的两电平结构相比，输出相电压电平数由2个增加至3个，每个电平幅值相对降低，输出线电压电平数则由3个增加至5个，解决了两只功率器件串联的问题，在同等开关频率的条件下，可使输出波形质量有较大改善，输出du/dt相应下降。

根据目前IGCT及高压IGBT的耐压水平,三电平逆变器的最高输出电压等级为4.16kV,当输出电压要求为6kV时,采用12个功率器件已不能满足要求,必须采用器件串联,除了增加成本外,必然会带来均压问题，失去了三电平结构的优势。

2.4.3多电平单元串联叠加型高压变频器
级联型多电平变频器[1]采用若干个独立的低压功率单元串联来实现高压输出,10kV输出电压等级的变频器主电路结构如图4所示。

这种级联式变频器内部是由十八个相同的单元模块构成，每六个模块为一组，分别对应高压回路的三相。

功率单元全是种单相桥式变换器（图5），由移相切分变压器的副边绕组供电。

经整流、滤波后由4个IGBT以PWM方法进行控制,功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘。

对于额定输出电压为10kV的变频器,每相由5个额定电压为1275V的功率单元串联而成,输出相电压6375V,对应的线电压可达10kV,如图6所示。

采用单元串联的方式来实现高压输出,不存在器件串联引起的均压问题。

逆变器采用多电平移相脉宽调制(PWM)技术,同一相各串联单元的调制波幅值、相位均相同,载波之间依次移相72°,A、B、C三相的调制波依次相差120°。

移相变压器具有15个二次绕组,采用延边三角形连接,分为5个不同的相位组,每个相位组互差12°的电角度,从而形成30脉波的二极管整流电路。

这样的电路输入电流中仅含30K±1次谐
高压变频器综述
中国矿业大学（徐州）信电学院李晓迅
［摘要］本文介绍了高压变频器主要类型特点及其拓扑结构，在次基础上综述了高压变频器不同的控制方法。

随着现代电力电子技术及计算机控制技术的迅猛发展，由一些新型器件如IGBT、IGCT、SGCT等等构成的高压变频器已经获得了广泛应用，大功率传动领域巨大的节能需求得到了释放。

［关键词］高压变频器拓扑结构PWM整流矢量控制
无速度传感器
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波,所以理论上30脉波的整流电路可以将29次以下的谐波都消除,从而提高输入的功率因数。

该变频器优点：采用多重化PWM方式控制，输出电压波形接近正弦波；整流电路的多重化，脉冲数多达30或36，功率因数高，输入谐波小；模块化设计，结构紧凑，维护方便，增强了产品的互换性；直接高压输出，无需输出变压器；极低的dv/dt输出，无需任何形式的滤波器；采用光纤通讯技术，提高了产品的抗干扰能力和可靠性。

该变频器的缺点：变压器内部环流大，发热量高，变压器效率低，在低于额定负载时，谐波增加很快，这时电机抖动及发热较大，噪声也较高。

图410KV变频主电路结构
图5功率单元结构
图610KV变频器拓扑结构
3.整流电路[2]
目前高压变频器的整流电路主要有三种，一种是普通的晶闸管相控整流电路或二极管整流电路，第二种是多重化整流电路，第三种是PWM整流电路。

多重化整流电路在采用相同器件时可以达到更大的功率，更重要的是它可以减少交流侧输入电流的谐波并且能提高功率因数，从而减小对供电网络的干扰。

但是由于功率器件的单相导电性，整流器能量不能反向流动，使得变频器无法四象限运行。

PWM整流器是用全控型器件构成，采用与逆变电路同样的脉宽调制技术。

通过对它的适当控制，可以使输入电流近似为正弦波，且电流和电压同相位，功率因数近似为1，并且可以实现能量的双向流动。

PWM整流器也可采用三电平电路，在相同的开关频率下，其输入电流谐波比二电平电路要小得多。

它不仅可做到单位功率因数，它同时可以进行有功功率和无功功率的双向传输，实现电动和能量反馈的四象限传动。

4.高压变频器的控制策略[1,3]
高压变频调速同低压变频调速一样，有下列几种控制方式：
4.1基于电动机稳态模型
4.1.1开环恒压频比（V/F=常数）控制
在各种PWM调制技术的基础上，在改变电机的频率，对电机的电压或电势同时进行控制，即实现变压变频（VVVF）。

V/f协调控制可近似保持稳态磁通恒定，方法简单，可进行电机的开环速度控制。

主要问题是低速性能较差。

因为低速时，异步电动机定子电阻压降所占比重增加，已不能忽略，不能认为U≈E，这时V/f协调控制已不能保持φ恒定。

由于V/f协调控制是依据稳态关系得出，因而动态性能较差。

如欲改善V/f协调控制的性能，需对磁通进行闭环控制。

4.1.2转速闭环转差频率控制
转差频率控制是从异步电动机稳态等效电路和转矩公式出发的，因此保持磁通恒定只在稳态情况下成立。

一般说来，它只适用于转速变化缓慢的场合，而在要求电动机转做出快速响应的动态过程中，转矩控制性能差。

4.2基于电动机动态模型
4.2.1矢量控制
矢量控制技术以经过3/2坐标变换的电机的动态模型为基础，利用坐标旋转变换技术实现了定子电流励磁分量与转矩分量的解藕，使得交流电机在理论上能像直流电机一样分别对励磁分量与转矩分量进行独立控制，采用这样的双闭环调速系统使其获得像直流电机一样良好的动态性能。

但是，矢量控制需要确定转子磁链的具体位置，同时为了使电机工作在合理的工作状态下，磁链幅值也必须加以控制。

而磁链一般不直接检测，因此在矢量控制系统中用电机参数计算出磁链的位置角或利用磁链观测器观测磁链。

这些方法都与电机参数有关，而在电机运行过程中，电机参数会随着环境温度和励磁条件的变化，在一定范围变动。

这将严重影响控制系统的动态性能，甚至导致系统不稳定。

为了解决这类问题，国内外学者应用现代控制理论，如模型参考自适应控制、卡尔曼滤波等，对电机参数(定、转子电阻、转动惯量等)进行动态辨识。

4.2.2直接转矩控制
直接转矩控制也是分别控制异步电动机的转矩和磁链，只是它选择定子磁链作为被控制的对象，而不像矢量控制系统那样选择了转子磁链，因此可以直接在定子坐标上计算与控制交流电动机的转矩。

即通过实时检测磁通幅值和转矩值，分别与给定值比较，由磁通和转矩调节器直接输出，共同形成PWM逆变器的空间电压矢量，实现对磁链和转矩的直接闭环控制。

它不需要分开的电压控制和频率控制，也不追求单相电压的正弦，而是把逆变器和电机视为整体，以三相波形总体生成为前提，使磁通、转矩跟踪给定值，磁链逼近圆形旋转磁场。

直接转矩控制不需要坐标变换，也不受转子参数变化的影响，控制器结构简单，而仍具有良好的静、动态性能。

4.2.3无速度传感器控制
无传感器矢量控制技术是在上述矢量控制方案的基础上利用电机定子边较易测得的电量(电压或电流)推算出电机的转速和磁通，进而实现对转速的控制。

无速度传感器的控制系统无需检测硬件，免去了速度传感器带来的种种麻烦，提高了系统的可靠性，降低了系统的成本；另一方面，使得系统的体积小、重量轻，而且减少了电机与控制器的连线，使得采用无速度传感器的异步电机的调速系统在工程中的应用更加广泛。

无传感器矢量控制系统的核心问题是对转子的转速进行估计，系统性能的好坏取决于速度辨识的精度和转速辨识的范围。

目前的速度估算方法有动态速度估算法、PI自适应控制器法、模型参考自适应法、扩展卡尔曼滤波法、神经网络法等。

5.结束语
高压大功率变频器及其相关衍生产品是电力电子行业中尚未最后成功地解决的一个难题，也是近年来全世界范围内该行业竞相关注的热点。

它不仅涉及大功率交流电动机的各类负载的调速和节能，而且也与其它一些关系国计民生的重点行业的技术发展与进步息息相关，所以要加速对高压变频器的主电路拓扑结构和控制技术的研发、创新，开发具有自主知识产权的高性能高压变频器，以不断的推动我国高压变频器的技术发展。

参考文献
［1］张皓，续明进，杨梅.高压大功率交流变频调速技术［M］.北京：机械工业出版社，2006.7.
［2］王兆安，黄俊.电力电子技术［M］.北京：机械工业出版社，2004.
［3］陈伯时.电力拖动自动控制系统［M］.北京：机械工业出版社，
1997.4.
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