淺析電壓型和電流型高壓變頻器

1、第43卷第11期2009年11月電力電子技術(shù)Power ElectronicsVol.43No.11November,2009圖2IGBT直接串聯(lián)高壓變頻器電路淺析電壓型和電流型高壓變頻器文斌(貴州吉榮安全評價有限公司,貴州貴陽550001摘要:介紹了電壓型和電流型高壓變頻器的概念,分析了兩種高壓變頻器的功率器件和主電路結(jié)構(gòu),以及各項性能指標(biāo)和適用范圍上的差異。通過分析可知,電壓型變頻器無論在經(jīng)濟上還是技術(shù)上都比電流型變頻器具有明顯的優(yōu)勢。關(guān)鍵詞:變頻器;器件;性能中圖分類號:TN77文獻標(biāo)識碼:A文章編號:1000-100X(200911-0064-02Analysis of Voltage

2、-source and Current-source High-voltage InverterWEN Bin(Guizhou Ji-Rong Security Appraisal Co.,Ltd.,Guiyang550001,ChinaAbstract:The concept of voltage transducer and current transducer are introduced.The power devices and topology circuits of the two types high-voltage transducers is analyzed,meanwh

3、ile,the differences of properties and application scopes are pre-sented.The analysis shows that the voltage-source inverter is superior to current-source inverter technically and economically. Keywords:inverter;device;property1引言電機是工業(yè)生產(chǎn)中主要的耗電設(shè)備,而高壓大功率電機的應(yīng)用更為突出。這些設(shè)備大部分都存在很大的節(jié)能潛力。所以大力發(fā)展高壓大功率變頻調(diào)速技術(shù)具有時代

4、的必要性和迫切性。由于高壓大功率變頻調(diào)速技術(shù)的日益成熟,原來一直難解決的高壓問題,近年來通過器件串聯(lián)或單元串聯(lián)得到了很好的解決。高壓變頻器的種類層出不窮,其應(yīng)用領(lǐng)域和范圍也越來越廣泛,這為工礦企業(yè)高效、合理地利用能源(尤其是電能提供了先決條件。不同的高壓變頻器的電路拓?fù)浞桨妇哂胁煌募夹g(shù)水平。該水平?jīng)Q定了變頻器和傳動系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及使用壽命、維護費用、性價比等重要指標(biāo)。因此,了解不同種類高壓變頻器的技術(shù)水平,可以在選擇變頻器時達到投入少、節(jié)能回報率高的效果。2高壓變頻器的概念按照國際慣例和我國標(biāo)準(zhǔn)對電壓等級的劃分,供電電壓大于等于10kV為高壓,110kV為中壓。通常習(xí)慣將額定電壓為6

5、kV或3kV的電機稱為“高壓電機”。由于額定電壓110kV的變頻器擁有共同的特征,因此將驅(qū)動110kV交流電動機的變頻器稱為高壓變頻器。高壓變頻器不像一般的變頻器那樣具有成熟的、一致性的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由于功率器件的電壓耐量與高壓使用條件之間存在矛盾,高壓變頻器采用了不同的功率器件和主電路結(jié)構(gòu),因而在各項性能指標(biāo)和適用范圍也存在不同。高壓變頻器可分為:無直流環(huán)節(jié)的變頻器,即AC/AC變頻器和有直流環(huán)節(jié)的變頻器,即AC/DC/ AC變頻器兩類。其中直流環(huán)節(jié)采用大電感以平抑電流脈動的變頻器稱為電流源型變頻器;采用大電容抑制電壓波動的變頻器稱為電壓源型變頻器。電流源型變頻器分為負(fù)載換向式(晶閘管變頻

6、器(LCI和采用自關(guān)斷器件(GTO或SGCT的變頻器。電壓源型變頻器可分為功率器件串聯(lián)二電平直接高壓變頻器、采用IGCT或HV-IGBT的三電平變頻器和采用LV-IGBT的單元串聯(lián)多電平變頻器。各類高壓變頻器的示意圖如圖1所示。3電流型與電壓型變頻器比較3.1AC/DC/AC變頻器的分類圖2示出可四象限運行的IGBT直接串聯(lián)高壓變頻器電路結(jié)構(gòu)。根據(jù)AC/DC/AC變頻器直流端濾波器的型式,可將逆變電路分為電壓型和電流型兩類。電壓型高壓變 頻器是在逆變器的直流供電輸入端并聯(lián)有大電容,一方面可抑制直流電壓的脈動,減少直流電源內(nèi)阻,使其近似為恒壓源;另一方面為來自逆變器側(cè)的無功電流提供導(dǎo)通路徑,因此

7、,將其稱為電壓型逆變電路。圖1各類高壓變頻器的示意圖644結(jié)論分析了太陽能光伏并網(wǎng)中LCL 濾波器的參數(shù)設(shè)計,根據(jù)輸出電流的要求、干擾信號的頻率范圍、諧振頻率以及電感尺寸等來確定濾波器的參數(shù)。由分析和仿真結(jié)果證明了LCL 濾波器的優(yōu)越性。LCL 濾波器造成的諧振以及其他不足之處,還需要在今后的研究中進一步改進。參考文獻1M Liserre ,F Blaabjerg ,S Hansen.Design and Control of an LCL -filter Based Three -phase Active RectifierJ.IEEE Trans.on Industry Applicati

8、ons ,2005,41(5:1281-1291.2H R Karshenas ,H Saghafi.Performance Investigation of LCLFilters in Grid Connected ConvertersA.Transmission &Dis -tribution Conference and Exposition ,2006C.Latin Ameri -ca ,2006:1-6.3張承慧,葉穎,陳阿蓮,等,基于輸出電流控制的光伏并網(wǎng)逆變器電源J.電工技術(shù)學(xué)報,2007,22(8:41-45.4張憲平,李亞西,林資旭,等.LCL 濾波的電壓型PWM 整

9、流器的有源阻尼控制J.電氣傳動,2007,37(11:22-25.5Liserre M ,Dell Aquila A ,Blaabjerg F.Stability Improvementsof an LCL filter Based Three -phase Active Rectifier A.IEEE PESC 02C.2002:1195-1201.圖5LCL 濾波前后輸出電流傅里葉分析圖6 實驗波形另一類是在逆變器直流供電側(cè)串聯(lián)大電感,使直流電源近似為恒流源,該電路為電流型逆變電路。電路中串聯(lián)的電感用以抑制直流電流的脈動,但輸出特 性軟。LCI 變頻器主電路結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。3.2電壓型

10、變頻器與電流型變頻器的特點與區(qū)別(1直流回路的濾波環(huán)節(jié)電壓型逆變器的直流濾波環(huán)節(jié)主要采用大電容,因此電源阻抗小,相當(dāng)于電壓源。電流型逆變器的直流濾波環(huán)節(jié)主要采用大電感,相當(dāng)于恒流源。(2輸出波形電壓型逆變器輸出的電壓波形是SPWM 高頻矩形載波,其電流波形在感性負(fù)載時近似于正弦波,含有部分高次諧波分量,在輸入端采用簡易濾波裝置,便可使輸出波形的諧波含量滿足國家的標(biāo)準(zhǔn)。電流型變頻器輸出的電流波形是一個交變矩形波,其輸出的電壓波形接近于正弦波,含有豐富的高次諧波分量,易使電機發(fā)熱,一般使用時都要選用進口的特制電機。當(dāng)輸入諧波含量較高時,需采用巨大、笨重的濾波器,方能使用。(3四象限運行由于在電流型

11、逆變器直流供電側(cè)串聯(lián)大電感,在維持電流方向不變的情況下,晶閘管整流橋可以改變電壓極性,因此很容易使逆變器運行在整流狀態(tài),從而使整流橋處于逆變狀態(tài),實現(xiàn)四象限運行。電壓型高壓變頻器只有二電平采用IGBT 整流回饋,可四象限運行。(4動態(tài)性能電流型逆變器有大電感,電流動態(tài)響應(yīng)較慢,動態(tài)力矩跟不上,特性軟;電壓型逆變器采用電流反饋環(huán)控制,響應(yīng)速度快,適應(yīng)現(xiàn)代控制理論。在速度開環(huán)的條件下,可高速、高精度地控制電機的磁通力矩,使電機特性可柔、可剛,動態(tài)性能好。(5過流及短路保護電流型逆變器因回路中串聯(lián)大電感,能抑制短路等故障時電流的上升率,故容易實現(xiàn)過流和短路保護。一般的電壓型逆變器實現(xiàn)過流和短路保護較為困難,只有二電平電壓型高壓變頻器設(shè)有直流電感,可抑制d i /d t 的上升速率,易實現(xiàn)過流保護和短路保護。(6對功率開關(guān)管的要求電壓型逆變器中的功率開關(guān)管要求關(guān)斷時間短,但耐壓要求較低;而電流型逆變器中的開關(guān)管對關(guān)斷時間無嚴(yán)格要求,但耐壓要求相對較高。綜上所述,電流源型高壓變頻器是由功率器件直接串聯(lián)并在線路中串聯(lián)大電感構(gòu)成的,但由于需要兩個電感,使開關(guān)管截止時所承受的電壓比電壓型高得多。該方式雖然使用功率器件少、易