一種新型大功率多相變頻驅動系統

王建喬

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一種新型大功率多相變頻驅動系統

王建喬

（臥龍電氣集團有限公司，浙江上虞 312300）

本文在提出多相大功率驅動系統的基礎上，通過分析單元級聯型高壓變頻器和多相并聯型不控整流系統的拓撲結構以及優缺點，提出了一種移相獨立電源的多相變頻系統拓撲結構。此種拓撲具有結構簡單、可靠性高、功率密度大、易于實現大功率、具有更多的控制資源等優點。通過仿真研究和實驗，驗證了該拓撲的可行性。

大功率驅動系統；多相變頻；拓撲結構；移相獨立電源

受傳統的三相和正弦波型供電的限制，大功率變頻器的共同特點是通過提高電動機的輸入電壓或輸入電流來實現大功率，未把變頻電動機與變頻調速系統作為一個系統去考慮。同時，由于三相電動機的特點，追求變頻器輸出電壓為正弦波，導致變頻器結構復雜、可靠性低，只要其中一個器件損壞，將導致整個傳動系統的故障[1]。

隨著電力電子技術的快速發展，變頻調速系統的相數和供電波形已不再是限制條件，變頻調速裝置與電動機完全可以看成一個整體，在電壓與電流兩個設計自由度的基礎上增加相數的自由度，通過這三個自由度的優化組合達到最佳的大功率驅動性 能[2]。采用多相結構，可以在不增大或少增大電壓、電流等級的前提下實現大功率變頻調速。這樣使得變頻調速系統工藝簡化、對器件特性要求降低、結構簡單，從而使得低成本推廣應用大功率變頻調速系統成為可能。

本文通過目前主流的單元級聯型高壓變頻器的拓撲結構和多相并聯型十八脈波不控整流系統拓撲結構和各優缺點的分析，提出了移相獨立電源的多相變頻系統拓撲結構，并對其工作原理和性能進行了仿真研究和實驗驗證。

1 單元級聯型高壓變頻器的拓撲結構

圖1所示為單元級聯型高壓變頻器拓撲結構，該結構最初是由羅賓康公司提出的，在2000年初迅速得到廣泛應用的一種高壓大功率變頻器。其主要由輸入變壓器、功率單元和控制單元三大部分組成。如圖2所示為功率單元原理圖，采用模塊化設計，由于采用功率單元相互串聯的辦法解決了高壓的難題而得名，可直接驅動交流電動機，無需輸出變壓器，更不需要任何形式的濾波器。

移相和單元串聯是這個結構的特點，使它具有了其他多電平結構不具有的優點。這種結構通過多脈波移相變壓器移相整流，解決了整流過程中對電網的諧波污染；通過多段H橋逆變的串聯，解決了功率管耐壓低的問題，串聯的級數越多，變頻器的輸出的電壓越高，可以輕易實現3kV、6kV、10kV乃至更高電壓的變頻；通過移相PWM技術，實現近似正弦的電壓輸出，d/d小，輸出諧波小于3%，對電動機的絕緣沒有特殊要求，適用于普通電動機。

圖1 單元級聯型高壓變頻器拓撲結構

圖2 功率單元原理圖

但同時由于這個結構決定了它的一些缺點，如結構復雜，體積龐大；各H橋基礎電位不同，各功率模塊間必須進行絕緣隔離；不能統一接地，要實現水冷散熱困難，所以做更大功率的困難；各段獨立整流電路濾波電容用量大；功率器件用量為單橋臂電路的兩倍，器件越多，故障概率也就越大；能量回饋困難。

2 多相并聯型不控整流系統拓撲結構

多相電動機傳動系統能夠很好的滿足大功率電氣傳動系統的要求，是電動機技術與電力電子技術的最佳組合之一，尤其適用于軍用船艦等低壓大功率場合。

在過去的20年里，多相傳動系統已經引起工程界和學術界的廣泛興趣，隨著電力電子技術、微電子技術尤其是微處理器（DSP）和復雜可編程邏輯器件（CPLD）的迅速發展，使得復雜的控制策略能夠應用到多相傳動系統中，多相變頻控制技術可以說已經達到了成熟，但是受制于人們三相電動機的使用習慣，未能大量推廣應用。

由于功率與電動機的相數、電壓、電流的乘積有關，在多相電動機系統中電動機的輸入是低壓，要實現大功率，受電動機工藝影響，相數不可能做得很多，因此系統電流比高壓系統會成倍增大，典型的多相電動機傳動系統是并聯型不控整流系統拓撲結構[3]，如圖3所示。

圖3 九相變頻調速系統主回路結構

圖4所示為共直流母線多相逆變原理圖，該并聯型不控整流系統拓撲結構主要包括移相變壓器、并聯型多脈波不控整流電路、平衡電抗器、直流貯能電容、多相輸出逆變器。

圖4 共直流母線多相逆變原理圖

移相變壓器采用多重化技術減小系統的輸入諧波。

并聯型十八脈波不控整流是該系統的特點，多個獨立的并聯型整流電路為該系統提供足夠的輸入電流。

平衡電抗器用于抵消整流橋輸出電壓之間的瞬間交流電壓差，抑制環流產生的直流磁動勢，防止鐵心飽和。

本拓撲結構在原理上通過并聯不控整流電路實現了多相大電流的輸出，解決了當前電力電子器件電壓電流有限的問題，并且已經有較小功率的實驗室產品。

但是實際上由于本拓撲在直流環節上采用的是共母線，移相變壓器副邊繞組在現在的工藝技術下無法做到完全一致，副邊繞組阻抗存在誤差，而移相變壓器阻抗很小，因此并聯的整流橋之間存在一個較大的直流環流。過大的直流環流會導致平衡電抗器鐵心飽和，使得平衡電抗器不能正常工作，而且電流不平衡會縮短電力電子器件壽命，降低系統的可靠性[4-5]。

3 移相獨立電源的多相變頻系統拓撲結構

直流母線在整流側的共用是上述并聯型不控整流多相系統拓撲結構產生母線環流的原因所在，如果直流母線在整流側不共用，那么就解決了母線環流問題，同時從單元串聯型高壓變頻器的移相變壓器的二側繞組經整流電路給逆變電路獨立供電的拓撲結構中，引伸出如圖5所示的拓撲結構。

圖5 移相獨立電源的多相變頻系統拓撲結構

該結構包括移相變壓器、整流電路、多相逆變電路、多相電動機和控制電路，移相變壓器的二側繞組經不控整流電路給逆變電路獨立供電，每個逆變電路的輸出給多相電動機供電，各整流電路的直流母線負端共地連接，如圖6所示為獨立電源的多相逆變原理圖。本文把這種拓撲結構稱之為移相獨立電源的多相變頻系統拓撲結構。

系統的輸出電壓可以是400V、600V或1180V等低電壓等級。

由于不控整流的整流橋可以承受較大的電流，所以一個整流回路可以為2個或多個逆變橋供電，本拓撲還可進一步變化，圖7所示為系統變化圖。

圖6 獨立電源的多相逆變原理圖

圖7 系統變化圖

4 本系統拓撲結構的優勢

本方案汲取了“羅賓康”方案中的多脈波移相變壓整流系統的優點，減少電網側污染，同時實現低壓輸出，給若干個獨立整流電路供電，以避免并聯結構中多個整流電路并聯過程中的器件均流問題和回路震蕩問題。由于采用多相變頻，工作時定子磁場矢量呈現多邊形（2N），即使在某一相出現故障時，通過控制軟件調整也能實現帶故障運行。

4.1 降低成本，提高可靠性

逆變電路為二電平單橋臂逆變電路，簡化了逆變電路結構，逆變電路和整流電路個數與相數相等，整流電路也可以為幾個相共用，與級聯電路相比大大減少了功率器件數量，從而提高了系統可靠性，降低了成本。

表1為兩種拓撲結構功率器件的比較，以500kW電動機為例，用10kV的單元串聯型高壓變頻器與1180V的一對一的九相變頻系統作比較。

10kV≠500kW電動機配600kVA的單元串聯型高壓變頻器,額定電流為34A。

1180V≠500kW電動機配600kVA的本拓撲的九相變頻器,根據電動機功率計算公式：

式中，為電動機相數，取cos=0.86，則電流=108A。

表1 兩種拓撲結構功率器件的比較

4.2 提高系統的功率密度

10kV單元串聯型高壓變頻器需要9級共27個功率單元，本拓撲結構只需9個功率單元，因此結構大大簡化。電動機本體可以按照低壓電動機的規范設計，可以降低絕緣厚度，提高電動機槽面積利用率，從而提升功率密度。

假設3000V的三相電動機，繞組的線電壓為3000V，相電壓為1800V，需要用中壓電動機的絕緣規范要求設計電動機，相對絕緣厚度增加，槽內有效導體面積減少，定子銅耗增大，使電動機效率和功率密度都受到一定的限制。如果做成九相電動機，由于繞組由串聯聯接改成為部分并聯聯接，在單元定子電流相同的情況下，電動機的輸出性能也相同，但每一串繞組的電壓就可以減少到1000V（線）/600V（相），電動機可以按低壓電動機的絕緣規范要求設計電動機，從而絕緣厚度大大降低，定子槽面積利用率大大提高，可以有利于提升電動機的功率密度和效率。

異步電動機運行中奇次諧波產生的效率損失是影響電動機效率的一個重要因素，特別是三次、五次等低次的奇次諧波的能量幅值較高，選用多相電動機設計方案可以有效地抵消低次諧波，當相數足夠多時諧波分量進一步降低，可以直接選擇多相方波供電，與正弦波相比，定子繞組有效電壓可以提高40%，從而進一步提升電動機的功率密度和電動機效率。

4.3 可以采用水冷冷卻，易于實現大功率

冷卻技術是制約大功率變頻驅動的一大原因，隨著國內變頻技術的持續發展，變頻器容量的不斷提高，強迫風冷已不能滿足大功率變頻散熱條件。圖8為兩種拓撲冷卻方式對比，可以看出單元串聯型高壓變頻器，由于各功率模塊間存在電壓差，功率模塊間需要高電壓等級的絕緣，因此在冷卻水不能采用普通的水，而需要特殊的介質或去離子水，使冷卻水系統更為復雜。

圖8 兩種拓撲冷卻方式對比

而本拓撲中，由于逆變電路采用共地連接，各功率模塊可以安裝在同一個散熱器上，因此可以很方便的采用水冷，對冷卻水也沒有特殊要求，冷卻回路簡單。

4.4 具有多相系統的冗余優勢

采用相冗余的概念，提高了系統的可靠性。

三相系統中，當一相故障時，應該立即停機。當多相電動機定子繞組一相（或少幾相）開路或逆變器的一個（或少幾個）橋臂出現故障時，不會造成系統的崩潰，可降載運行而無需停機，適合應用于航空航天、核電站水冷系統等高可靠性要求的場 合[6]。

多相系統具有比三相系統更多的控制資源和潛能，可以使用一些非常規的控制模式。

將傳統三相電動機的控制方法和移相控制模式結合起來，應用于多相逆變器供電的多相交流電動機會大大改進調速系統的性價比[7-9]。

5 系統仿真

圖9所示為多相變頻系統仿真圖。在新拓撲的仿真中，采用900kW的九相變頻驅動系統，變頻輸出額定相電壓為690V，移相變壓器移相角度為6.67°，直流濾波電容取值為10000mF，各逆變單元采用SVPWM控制，調制系數為0.9，開關頻率為6kHz，負載相功率為100kW。

因為系統是54脈波整流，輸入電流諧波含量少，所以對電網污染小。圖10所示為輸入側電流波形。圖11是相輸出電壓波形圖。圖12是相電流波形圖。可見，輸出電流波形比較平滑，再加上相數多，對減少電動機噪音和振動有利。

圖10 輸入側電流波形

圖13為相鄰單元母排電流波形。可見，共地母排上的電流幅值與相電流幅值相當，而且也呈正弦性。

6 實驗驗證

基于上述多相變頻系統的理論分析，制作如圖14所示為多相變頻系統樣機。該樣機功率900kW，額定相電壓690V。圖15所示為實測相電流波形圖，從圖中可以看出，電動機相電流比較平滑，諧波較小。該系統目前運行平穩，可靠性高。

圖11 相電壓波形

圖12 九相電流輸出波形

圖14 多相變頻系統實物圖

7 結論

本文把電動機和驅動器看成一個整體，提出多相變頻驅動系統，該系統是在電壓與電流兩個自由度的基礎上增加了相數的自由度，比其他大功率變頻驅動方案具有更多優勢。通過分析對比單元串聯型高壓變頻器和并聯型多相拓撲結構，提出了移相獨立電源型多相變頻驅動系統的拓撲結構，這種結構汲取了“羅賓康”方案中的多脈波移相變壓整流系統的優點，即減少電網側污染，同時實現低壓輸出，給若干個獨立整流電路供電，以避免并聯結構中多個整流電路并聯過程中的器件均流和回路振蕩，同時具有結構簡單，可靠性和功率密度高等諸多優點，具有很大的社會經濟效益。并用仿真和實驗驗證了本拓撲結構的可行性。

[1] 劉東. 大功率多相感應電機變頻調速系統的研究[D]. 杭州: 浙江大學, 2011.

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[5] 李長明. 水冷大功率高壓變頻器結構特點及其應用[J]. 變頻器應用實例, 2014(1): 76-78.

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The New Large Power Multi-Phase Variable Frequency Driver System

Wang Jianqiao

(Wolong Electric Group Co., Ltd, Shangyu, Zhejiang 312300)

Based on the analysis of the topology and the advantages anddisadvantages of the cascaded high voltage inverter and multi-phase parallel typenon-controlled rectifier system, the topology structure of multi-phase transformation frequency system is presented in this paper. This topology has the advantages of simple structure, high reliability, high power density, easy to realize high power, and more control resources. The feasibility of the topology is verified by simulation study and experiment.

high power driver system; multi-phasevariable frequency; topology structure; phase shifted independent power supply

王建喬（1963-），男，臥龍電氣集團股份有限公司高級工程師，研究方向為電機與驅動控制技術、電源技術、系統集成技術。