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IGBT应用于中压变频电源的主电路设计原理分享

2019-08-16 11:17 来源:海飞乐技术 编辑:Janet

中压变频技术泛指3kV、6kV、10kV三个电压等级领域的变频技术。为实现对中压大功率交流电动机的变频调速,人们提出了多种拓扑形式,比较适用并已产品化的有交-交变频、单元串联多电平、三电平,但中压变频技术是建立在电力电子功率器件制造工艺改进和制造水平提高的基础上,尤其是高电压大容量GTO、IGBT、IGCT功率器件的开发成功,使电压型PWM变频调速传动技术得以迅速发展,以使得中压变频技术的性能日益完善。

在中压变频技术的几种拓扑形式中,交-交变频由于采用移相控制方式,功率因数较低,一般仅为0.6~0.7,而且谐波大,但因早期作为中压变频大功率的主要形式,已有较广泛的应用,但就从其发展前途来看有被淘汰的趋势。直接高压方式虽然具有损耗小、无降压/升压变压器等特点,但由于其产生大量的高次谐波,在应用中受到一定的限制。而单元串联多电平形式由于在谐波、效率和功率因数等方面的优势,在不要求四象限运行的负载下有着较广泛的应用前景。三电平控制是今后变流技术发展的一种主要趋势,它具有以下特点:

①采用三电平拓扑能有效地解决电力电子功率器件耐压不高的问题,由于每一个主管承受的关断电压仅为直流测电压的一半,因此它适用于高电压大功率场合。

②三电平拓扑中单个桥能输出三种电平(+Ud/2、-Ud/2和0),线(相)电压有更多的阶梯来模拟正弦波,使得输出波形失真度减小,因此谐波大为减少。

③多级电压梯波减少了du/dt对电机绕组绝缘的冲击。

④三电平PWM方法把第一组谐波分布带移至二倍频开关频率的频带区,利用电机绕组电感能较好地抑制高次谐波对电机的影响。

⑤三电平拓扑形式能产生3×3×3(即27)种空间电压矢量,较两种电平大大增加。矢量的增多带来谐波消除算法的自由度,可得到很好的输出波形。

1. 主流功率器件

中压变频电源一般要求输出电压为3.3kV、6kV或10kV,而现在生产的开关功率器件是开关频率高、损耗小的新型器件,一般都是用IGBT、IGCT。以IGBT为例,器件最高耐压为3.3kV,按变频电源设计要求,需要选择两个功率器件,即要求3倍额定电压,10kV的变频电源就要耐压为30kV的功率器件,而现在的IGBT的最高耐压只有3.3kV,因此必须串联。由于各功率器件的动态电阻和极电容不同,因此存在静态和动态均压问题。如果采用与功率器件并联R和RC的均压措施,会使电路复杂,损耗增加;同时,功率器件的串联对驱动电路的要求也大大提高,要尽量做到串联功率器件同时导通和关断,否则由于各功率器件的开断时间不一,承受电压不均,会导致功率器件损坏甚至使整个变频电源崩溃。应保证每个功率器件同时承受一定耐压,但功率器件动作很快,动作速率可达20kHz。在这样高的速率下要保证10个串联的功率器件同时开通或关断是不可能的,所以在世界上研究直接串联变频电源遇到技术难点时,才出现采用低压IGBT变频电源单元串联多重化的方案。

目前,应用在中压大功率变频领域的电力电子功率器件,已形成GTO、IGCT、OGBT、lEGT相互竞争、不断创新的技术市场。在大功率(1000kW)、低频率(1000Hz)的传动领域,如电力牵引机车领域,GTO、IGCT有着独特的优势,而在高载波频率、高斩波频率下IGBT、IEGT有着广阔的发展前景。在现阶段的中压大功率变频电源领域,将由这4种电力电子功率器件构成其主流功率器件。

IGBT具有快速的开关性能,工作频率可达20kHz,关断过程均匀,不需要缓冲电路,采用同步门驱动器,但其单管面积有限(为2.6cm2),为了提高导通电流和工作电压,也只能将它串并联,做成模块使用,从而增加了设计制造的难度,使变频电源器件数量增加,可靠性降低。高压IGBT的耐压可达3~4.5kV,串联数量相对少一些,但其导电损耗高。

2. 主流结构

目前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。但中压变频电源拓扑结构的分类通常有以下两种方式。

①按功率器件结构分类采用串、并联功率器件的拓扑结构以及采用并、串联功率单元的拓扑结构。

②按直流电压源的个数分类采用单一直流电压源的拓扑结构以及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用IGBT构成的单元串联多电平PWM电压型变频电源。

②用IGCT/SGCT构成的中性点钳位的三电平电压型变频电源。

IGBT应用于中压变频电源的主电路设计原理分享

变频电源主电路结构图

(1)电压源型中-中变频电源

电压源型中-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电压源型变频电源电压时,采用三电平PWM方式,可以避免出现功率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GTO、IGBT或IGCT。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值也有所减小。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距脉动,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侧若不设滤波器,一般需要使用特殊电动机,荐使用普通电动机,应降额应用。

(2)电流源型中-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,输入电流的谐波较高,功率因数低,其功率因数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,其输出电流中谐波成分也较高,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,一般控制在几百赫兹。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,从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,同样三相逆变桥交流侧的输出电流也为120°方波。由于L的作用,能有效地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,将能量返送回交流电网,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逆变桥依靠其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。

(3)功率单元串联及多电平方式

在中-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,供给高压电动机。单元串联的数量决定输出电压的等级,不存在功率器件的均压问题。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(串联5个功率单元,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的开关频率为600Hz,若每相有5个功率单元串联,等效的输出相电压开关频率为6kHz。可以降低开关的损耗,提高变频电源的效率。此种结构的变频电源可适用于任何普通的高压电动机,且电动机不必降额使用。虽然采用这种主电路拓扑结构会使功率器件的数量增加,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,所以能量不能回馈至电网,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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