基于三電平變流器的1140V變頻器的主回路設(shè)計(jì)與仿真

楊弘喆

（華中科技大學(xué)文華學(xué)院，湖北武漢 430074）

0 引言

變頻器是由交流變直流、濾波、直流變交流、制動單元、驅(qū)動單元以及檢測單元微處理單元等組成。通過改變電源的頻率來達(dá)到改變電源電壓的目的，根據(jù)電機(jī)的實(shí)際需要來提供其所需要的電源電壓，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能、調(diào)速的目的，另外，變頻器還有很多的保護(hù)功能，如過流、過壓、過載保護(hù)等。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)快速發(fā)展，再加上一些配套軟件的使用，不僅增強(qiáng)了電器元件設(shè)計(jì)以及動畫模擬等一些實(shí)用性功能，而且還能更加精確仿真的分析結(jié)果，使其在電器元件設(shè)計(jì)當(dāng)中尤其是在變頻器中的得到了更為廣泛的應(yīng)用前景。

1 變頻器主回路的構(gòu)成

1.1 變頻器的基本概念

變頻器VFD（Variable Frequency Drive）是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變電機(jī)工作電源頻率方式來控制交流電動機(jī)的電力傳動設(shè)備。變頻器的主要結(jié)構(gòu)包括整流、濾波、逆變、制動單元、驅(qū)動單元、檢測單元以及微處理單元組成。變頻器的主電路可以分為電壓型和電流型兩大部分，其中電壓型是指將電壓源的直流轉(zhuǎn)換成交流的變頻器，此時(shí)的直流回路的濾波是電容；而電流型則是將電流源的直流直接傳換成交流的變頻器，此時(shí)的直流回路濾波是電感。電流型變頻器的主要結(jié)構(gòu)是由整流器、平波回路以及逆變器三大部分構(gòu)成，其中整流器是將工頻電源變換為直流功率，平波回路是吸收在變流器和逆變器產(chǎn)生的電壓脈動，而逆變器則是將直流功率變換為交流功率。

1.2 變頻器主回路結(jié)構(gòu)

變頻器主回路結(jié)構(gòu)多為單元化結(jié)構(gòu)或者模塊化結(jié)構(gòu)，其主要組成部分包括三相或者單相整流橋、平滑電容器、濾波電容器、IPM逆變橋、限流電阻以及接觸器件等。三電平變頻器主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

從圖中可以看出整個(gè)三電平變頻器主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的整流環(huán)節(jié)和逆變環(huán)節(jié)左右對稱的形式，每一相橋臂都是由四個(gè)絕緣柵雙極型晶體管 IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）開關(guān)和兩個(gè)鉗位二極管構(gòu)成，而且在每一個(gè)絕緣柵雙極型晶體管的內(nèi)部都并聯(lián)著續(xù)流二極管，圖1中給出的三電平變頻器主回路一共使用了二十四個(gè)絕緣柵雙極型晶體管，每一個(gè)絕緣柵雙極型晶體管都具有相同的耐壓和電流強(qiáng)度，承受電壓值的大小為直流側(cè)母線電壓的1/2。圖中的Q11、Q14和Q12、Q13分別代表主開關(guān)管和輔助開關(guān)管，依次開通（Q11，Q12）、（Q12，Q13）、（Q13，Q14），此時(shí)每一相橋臂的輸出相電壓的大小為＋Vdc/2、0、－Vdc/2三個(gè)電平，整流部分總共有27個(gè)開關(guān)狀態(tài)，線電壓有＋Vdc、＋Vdc/2、0、－Vdc/2、－ Vdc 五個(gè)電平。其中（Q11，Q13）互鎖、（Q12，Q14）互鎖，直流環(huán)節(jié)則是由兩個(gè)相同的電容串聯(lián)而成。其中O代表直流側(cè)的中點(diǎn)，與整流器、逆變器各相鉗位二極管的中點(diǎn)連接。

2 變頻器主回路的設(shè)計(jì)與仿真

基于三電平變流器1140V變頻器的主回路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)其優(yōu)點(diǎn)是在三電平變流器中，主電路中的每一個(gè)開關(guān)器件僅承受整個(gè)電路一般的直流側(cè)電壓，因此可以很輕易地實(shí)現(xiàn)高電壓、大容量的電力輸出。而且三電平變流器的主回路結(jié)構(gòu)環(huán)節(jié)相對簡單，雖然為電壓源型結(jié)構(gòu)，但是能夠?qū)崿F(xiàn)能量反饋。此外，三電平變流器在1140V變頻器上的應(yīng)用不僅能夠提高變頻器電壓輸出的穩(wěn)定性，而且還能有效地節(jié)約能耗，為企業(yè)帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益以及社會效益。

本文研究的1140V變頻器的主回路采用的是三電平型變流器的結(jié)構(gòu)形式，即使用鉗位電路，解決兩只功率期間的串聯(lián)問題，使相電壓輸出具有三個(gè)電平。以下就對基于三電平變流器的1140V變頻器主回路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真進(jìn)行深入分析：

2.1 絕緣柵雙極型晶體管的設(shè)計(jì)

基于三電平變流器的1140V變頻器主回路設(shè)計(jì)包括絕緣柵雙極型晶體管IGBT、鉗位二極管以及直流電容的設(shè)計(jì)。其中常見絕緣柵雙極型晶體管的電壓等級有1200 V、1700 V以及2500 V，因此在選取的過程中需要根據(jù)變頻器的實(shí)際使用情況而定，其輸入線的電壓大小為（1140±0.1）V。絕緣柵雙極型晶體管承受電壓值的大小為直流側(cè)母線電壓的1/2，其門極管斷電電壓值（VCES）的計(jì)算公式為：

公式中α表示安全系數(shù)，Vdc表示直流母線電壓，ΔVmax表示三相整流器直流側(cè)電壓的最大動態(tài)壓降。

2.2 電容器設(shè)計(jì)

1140V變頻器主回路的電容器設(shè)計(jì)需要著重考慮電容器的容量以及耐壓值的大小。在基于三電平變流器的1140V變頻器的電容容量（CP）的計(jì)算公式為：CP≥4／3π3·INTS／ΔVP

公式中IN表示三電平變頻器在額定負(fù)載的情況下相電流的有效值，表示TS相電流的采用周期，ΔVP表示電容在采樣周期內(nèi)的最大波動值。三相電平變頻器的耐壓值大小為UC＞Vdc（1＋10%）×1.2=2340V。

2.3 輸入整流電抗器的設(shè)計(jì)

基于三電平變流器的1140V變頻器的輸入整流電抗器在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮電流響應(yīng)的動態(tài)和靜態(tài)性能。根據(jù)1140V變頻器整流器工作環(huán)境的需要，在計(jì)算出直流側(cè)母線的電壓值后，可以根據(jù)以下公式計(jì)算出輸入整流電抗器的電抗值大小：

公式中em表示電網(wǎng)相電壓峰值，Im表示交流側(cè)相電流峰值，Vm表示交流側(cè)相電壓矢量，M表示相電壓的利用率，ω表示電源電壓角頻率。值得注意的是，在設(shè)計(jì)輸入整流電抗器的過程中，還應(yīng)該注意瞬態(tài)，即不用考慮各種參數(shù)隨時(shí)間的變化的情況下對電流跟蹤以及抑制電流諧波的具體要求。基于三電平變流器的1140V變頻器的電阻設(shè)計(jì)必須要能夠限制直流側(cè)電容的充電電流，最大允許范圍的計(jì)算公式為：

公式中的R表示充電電阻，通常情況下選擇電阻值為200Ω的鋁殼電阻。

2.4 采樣傳感器的設(shè)計(jì)

基于三電平變流器的1140V變頻器要想獲得穩(wěn)定的輸出，就必須擁有反饋控制系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)中主要是通過采樣傳感器對變頻器系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行采樣分析并且進(jìn)行信息反饋。采樣傳感器的設(shè)計(jì)需要綜合考慮系統(tǒng)內(nèi)的各個(gè)采樣數(shù)據(jù)，主要包括輸入三相交流電壓和電流、直流側(cè)的兩個(gè)電容器電壓以及輸出三相交流電流等數(shù)據(jù)。通過三相隔離變壓器以及交流電壓和電流通用互感器對輸入三相交流電壓的數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，三相隔離變壓器的電壓值為4500V，功率為200W，交流電壓和電流通用互感器的抗電強(qiáng)度為3000V/min，絕緣電阻常態(tài)要大于1000MΩ，額定電流為6mA，輸出電壓小于1.2V。使用霍爾電流傳感器對1140V變頻器的輸入端的三相交流電流進(jìn)行采樣，霍爾電流傳感器的電流轉(zhuǎn)換率為1∶1000，額定電流的有效值為50A，測量電流值的區(qū)間為0～±70A，傳感器的供電電壓取值范圍應(yīng)該控制在±12～±15V，線性度小于0.2%。然后可以通過霍爾電壓傳感器對三電平1140V變頻器的直流側(cè)電壓進(jìn)行采樣分析，霍爾電壓傳感器的電流轉(zhuǎn)換率為2500∶1000，額定電流的有效值為25mA，傳感器的供電電壓值大小為±5V，電流有效值為10mA，檢測范圍在0～±14mA區(qū)間之內(nèi)。

此外，控制電路設(shè)計(jì)是三電平1140V變頻器主回路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。變頻器具有過電流、過電壓、欠電壓、接地、過熱、過載以及缺相等自我保護(hù)功能對電機(jī)能夠起到很好的保護(hù)作用。但是在變頻器與電網(wǎng)的接入端需要進(jìn)行合理的電路設(shè)計(jì)，以防止高電壓對變頻器造成的損傷。

3 變頻器主回路設(shè)計(jì)的仿真結(jié)果分析

計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)在圖形設(shè)計(jì)以及仿真計(jì)算中所發(fā)揮出的作用越來越大，在基于三電平變流器的1140V變頻器主回路設(shè)計(jì)的過程中，運(yùn)用圖像建模的形式可以更加直觀。簡明的反應(yīng)出設(shè)計(jì)模型的信息。本文主要使用的是MATLAB專業(yè)軟件，作為一種專業(yè)的機(jī)械設(shè)計(jì)類軟件，它具有元件設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)選擇、設(shè)計(jì)庫的運(yùn)用、色彩渲染和動畫模擬以及有限元分析等更加全面的基礎(chǔ)模塊，不僅在功能是能夠表現(xiàn)出強(qiáng)大的優(yōu)越性，而且在圖像處理方面還具有一般二維軟件所無法比擬的優(yōu)勢。仿真分析的三電平1140V變頻器輸出相電壓、輸出線電壓以及輸出相電流的波形。

圖4 三電平1140V變頻器輸出相電流波形圖

基于三電平變流器的1140V變頻器輸出相電壓波形的周期為20ms，頻率為50Hz。三電平變頻器輸出線電壓波形為五階梯波形，圖4中三電平變頻器輸出相電流波形更加接近于正弦波相。而輸出相電壓波形與輸出相電流波形在結(jié)構(gòu)上存在一定的角度差，主要是由于感性負(fù)載造成的（由于感性負(fù)載在接通電源或者斷開電源的一瞬間，會產(chǎn)生反電動勢電壓，這種電壓的峰值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于車載交流供電器所能承受的電壓值，容易引發(fā)逆變器的瞬時(shí)超載）。根據(jù)圖像分析，總體上基于三電平變流器的1140V變頻器的主回路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了耐高壓、諧波小以及功率大的特點(diǎn)。

4 結(jié)束語

綜上所述，隨著電氣工程以及電子技術(shù)的快速發(fā)展以及變頻器技術(shù)的日趨成熟，使得變頻器的研究進(jìn)入了一個(gè)新的高度。本文著重研究了基于三電平變流器的1140V變頻器主回路設(shè)計(jì)與仿真分析。首先介紹了變頻器的結(jié)構(gòu)特定以及工作原理，并且對三電平變流器變頻器主回路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及設(shè)計(jì)進(jìn)行相信說明。然后通過MATLAB進(jìn)行仿真分析，對變頻器的主回路設(shè)計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了三電平變頻器耐高壓、諧波小以及功率大的優(yōu)點(diǎn)為日后關(guān)于變頻器主回路的設(shè)計(jì)與研究提供可靠的理論依據(jù)。

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