試論高壓變頻器過電壓保護與控制

梁元龍

摘 要：隨著電子技術的發展，中性點箝位三電平的高壓變頻器的拓撲結構逐漸受到人們關注，對于應用研究也在增多。但由于受到半導體材料的影響，電子器件的承受電壓能力十分有效，這樣不僅使其過電壓承受能力降低，還使過電壓保護設計更具難度。因此，文章將研究高壓變頻器過電壓保護與控制，希望能為高壓變頻器拓撲結構研究帶來一定啟發。

關鍵詞：高壓變頻器；過電壓保護；控制

前言

要研究高頻變頻器外部過電壓保護最重要的就是全面了解其工況，并細致分析其耐壓能力，這樣也有助于明確ZnO壓敏電阻接入位置，同時也可以方便了解應采取何種接線辦法，做好計算分析工作，便于對ZnO壓敏電阻的選型。此外還能深入了解高壓變頻器的調速器，使其在實際工作中應用更加便捷。

1 高壓變頻器過電壓保護

1.1 高壓變頻器的耐壓分析

過電壓產生的內部原因在于電力電子裝置內部器件的開關過程，主要是換相過電壓和關斷過電壓。在高壓變頻器中電力電子器件（如IGBT等）屬于最重要、最貴重的器件，同時它也很容易損壞，特別容易受到過電壓影響。因此，對于高壓變頻器的過電壓保護主要是保護電力電子器件[1]。在保護電力電子器件器件中最有效的辦法就是為所有器件設計獨立的ZnO（氧化鋅）壓敏電阻，并量ZnO壓敏電阻與電力電子器件器件聯系在一起。但這樣優勢使系統中的ZnO壓敏電阻增對，致使系統結構復雜，體積擴大，整體成本也會上升，再加上電力電子器件的耐壓能夠較為有限，這樣一來就使ZnO壓敏電阻殘壓又得以進一步提升，也使計算選型出現很多困難。

對于高壓變頻器的保護工作應按照一定步驟進行，首先要保證直流母線具有充足電壓，以便使電力電子器件能夠得到有效控制，并將其投入到高壓變頻器中使用。在母線充電完成以后，電力電子器件就會接受控制脈沖。為避免出現直通情況，電力電子開關只能處于兩個狀態之間轉換，禁止跳躍[2]。

1.2 ZnO壓敏電阻接入位置的確定

ZnO壓敏電阻接入位置是高壓變頻器過電保護工作的要點，不僅要分析在過電壓發生以后是否及時發生動作，還要分析ZnO壓敏電阻發生相應動作以后是否能夠真正限制過電壓。為保護高壓變頻器系統，ZnO壓敏電阻應該處于接入24脈波整流前以前以及輸出濾波器以后位置（如圖1中1、2位置所示）。為限制母線過電壓，ZnO壓敏電阻應處于直流環節與逆變部分中間（即圖1中的3、4位置）；如果要防止逆變部分出現過電壓就要將ZnO壓敏電阻安置在逆變部分和輸出濾波中間（即圖1中的4、5位置）。

在ZnO壓敏電阻處于1的位置時，就能完成高壓變頻器的限制工作，防止過電壓對其產生不良影響。但如果其中有殘壓存在，就又會提升直流電容兩端的電壓。因此，在位置1中安裝ZnO壓敏電阻整體效果較差。而最好的辦法是將ZnO壓敏電阻安置在位置4、5中，即便應短路導致電流、電壓瞬間增大，也不會使高壓變頻器受到影響，這樣就能實現保護高壓變頻器的目的，真正達到過電壓保護目的。

1.3 ZnO壓敏電阻的接線形式

在確定了ZnO壓敏電阻的最佳接線位置以后，就要分析其接線形式。最好的接線形式是將ZnO壓敏電阻接在位置5中，這樣就會保護高壓變頻器，主要接線方法有三種，分別為三只ZnO壓敏電阻實現三相星形連接、四只ZnO壓敏電阻實現三相四線連接以及三只ZnO壓敏電阻三相實現三角形連接。其中最好的接線方式應為三只ZnO壓敏電阻三相實現三角形連接，為進一步強化其過電壓保護能力，就要保證它的三只ZnO壓敏電阻具有相同的參數，只有這樣才能真正實現高壓變頻器的過電壓保護目的。

2 高壓變頻器的控制方式

2.1 無輸入變壓器多相電動機與獨立定子繞組的應用

如何在不使用移動性相變壓器情況下，以耐壓較低的電子元件減壓為多個輸出，即將高壓輸入整流轉變為多個同水平更低電壓直流輸出是無輸入變壓器多相電動機設計技術要點、難點。整流部分采用拓撲結構設計是當前最常用的解決該問題的方式，設立N個低壓直流便需應用N個單相整流橋，為使整個整流橋與電網連通，還需設立三項級聯，為實現三相功率平衡，要求均衡分布串聯的單相整流橋個數，據此計算無輸入變壓器多相電動機高壓變頻器低壓輸出應為相數3的倍數，負載多相電動機的相數也為3的倍數。為規避傳統接法產生的電子換流，相應對的定子繞組接法也應相互獨立[3]。從以上的拓撲結構來看，無輸入變壓器多相電動機高壓變頻器、串聯多重化高壓變頻器基本原理基本相同，兩者高低壓輸出與輸入端發生了改變，前者采用單相整流、負載獨立定子繞組多相電動機，通過高-低-高電壓轉化實現電子器件耐壓降低，后者采用三相整流、負載傳統三相電動機，無需移相變壓。

2.2 無輸入變壓器九相電動機高壓變頻器的設計與仿真

為系統說明無輸入變壓器多相電動機高壓變頻器的參數設計，以9相設計為例，其參數為PN=1MW、UN=1kV、IN=131A，功率因數0.85，使用三相交，6kV輸入電壓，有9個單相整流橋、逆變橋，每相串聯的單相整流橋為3，其單相整流橋輸入電壓有效值為1155V，整流橋直流環節電壓1470V，單個電力電子元件耐壓峰值1634V，故選擇耐壓2kV電力元件作為最低要求，則負載通態電流有效值約200A元件，遠低于三電平高壓變頻器中電力電子器件。以RL等效電路模擬電動機定子繞組，計算單相無功功率約為68865Var，單相無功功率和額定電流計算出單相電感為12.8mH，單相電阻為6.5Ω，以二極管不控整流方式模擬單相整流橋，電網電源為6kV三相交流，以恒壓頻比SPWM控制單相逆變橋的控制脈沖，將逆變橋1的調制波為初始相角為0°正弦波，逆變橋2為40°正弦波，其余逆變橋以此類推，根據逆變橋控制方式，任意選擇三個逆變橋將其看作三相電動機等效定子繞組，考慮到三相對稱，對比點壓、電流波形便可驗證整個機器工作效益[4]。仿真實驗表明，各相整流橋滿足三相變頻器輸出電流、電壓波形要求，2s后，機器穩定在50Hz，直流電容電壓波動減小，其峰值基本穩定在1470V，證實仿真正確、可行。

3 結束語

通過以上研究得知，做好高壓變頻器的過電保護工作可以使中性點箝位三電壓處于良好工作狀態，促進高壓變頻器的使用。因此一定要重視高壓變頻器的過電保護與控制工作，減少不良問題的出現，綜合提高其應用能力，以便為國家發展做出貢獻。

參考文獻

[1]方晶，毛承雄，陸繼明，王丹等.ZnO壓敏電阻在高壓變頻器過電壓保護中的應用[J].電工技術學報，2012，4：145-152.

[2]張文俊.中性點箝位三電平高壓變頻器的過電壓保護研究[J].西部資源，2012，6：178-183.

[3]何柏巖.IGBT串聯均壓高壓變頻器的研究[D].哈爾濱理工大學，2014.

[4]姜茹，解險峰.火電廠高壓變頻器控制與保護設計分析[J].電氣應用，2014，6：59-63.