淺析高壓變頻器功率單元的技術原理及應用

侯玉光

Analysis of the Technical Principle and Application of High Voltage Inverter Power Unit

摘要：現在的工業中運用高壓變頻器的地方隨處可見；隨著全控型電力電子器件的出現，交-直-交PWM型高壓變頻器以其諧波小，穩定性好迅速占領市場。而交-直-交變頻器普遍采用單元級聯式多電平變頻器。

Abstract： Nowadays， the high-voltage inverters are widely used in industry. With the emergence of fully-controlled power electronics， AC-DC-AC PWM high-voltage inverters dominate the market with their small harmonics and good stability. The AC-DC-AC frequency converters commonly use cell cascade multilevel inverters.

關鍵詞：高壓變頻器；交-直-交；單元級聯式多電平

Key words： high-voltage frequency converter；AC-DC-AC；unit cascade multilevel

中圖分類號：TM921.51 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）15-0182-02

0 引言

自從1994年美國羅賓康公司推出第一臺單元級聯式多電平高壓變頻器，其他電氣公司也相繼推出屬于自己的產品，直到2000年北京利德華福電氣技術有限公司推出第一臺國產的單元級聯式多電平高壓變頻器[1]。在國內的高壓變頻器市場上，利德華福的占有率高達30%。

1 高壓變頻器的結構

①控制柜：控制柜由主控制器、人機界面（嵌入式工控機）、PLC三大部分構成，三大部分各有分工，又互相通訊、協同工作。

②變壓器柜：移相變壓器為干式變壓器，H級絕緣，系統溫度可達185℃，能夠完全消除電網側電壓、電流諧波。

③旁路柜：變頻器出現故障停機時，風機水泵等切換到旁路柜直接啟動。

④功率柜：三相都由多個功率單元級聯而成，每個功率單元都是變頻器主回路的骨架。

2 功率單元的技術原理

高壓功率單元主要由整流橋，電解電容，均壓電阻，IGBT模塊，旁路，溫度繼電器，單元控制板，驅動板組成。（圖1）

①整流橋由二極管三相全橋進行不控全波整流，其作用是將移相變壓器副邊繞組輸出的690V交流電轉變成980V的直流電。

②電解電容具有濾波和儲能的作用。從移相變壓器副邊繞組輸出的交流電是一個畸波電流，只有通過電解電容對其進行平滑濾波之后，才會得到較好的直流波形。

③均壓電阻是為了保證同一功率單元內電解電容分壓一致，通常在每一個電解電容的兩端都并聯一個均壓電阻。

④IGBT模塊作為大功率電子器件，其具有工作頻率高、驅動功率小、開關能耗小等優點。在一個功率單元里有兩個IGBT模塊，他們共同組成功率模塊的逆變電路。控制系統通過對兩只IGBT模塊開關時間的控制，來達到改變功率單元輸出頻率的目的，也是它將980V的直流電轉換成0-690V的交流電。

⑤旁路是在每個功率單元的輸出端之間并聯一個旁路電路，當某個功率單元故障時，封鎖對應功率單元IGBT的觸發信號，然后讓旁路SCR導通，保證電機電流能通過，仍形成通路。

從變頻器系統類型上區分旁路，可以劃分為兩類，一類是同級旁路；一類是單模塊旁路[2]。

同級旁路：當某個模塊發生故障時，該模塊旁路運行，同一級上的另外兩個模塊也要同時旁路運行[3]。同級旁路的優點是：每個功率單元輸出電壓一致，三相相電壓平衡，中性點不需要偏移，主控邏輯算法簡單，可以滿足用戶特定時間內不能停機的需求。同級旁路的缺點是：需要降額運行，且不能長時間運行，有些場合無法達到用戶的要求。

單模塊旁路：當某個模塊發生故障時，該模塊旁路，其他模塊正常運行[4]。單模塊旁路的優點是：可以同時損壞兩個功率單元不停機，保持設備在特定功率內可以降額運行，三相線電壓平衡，可以滿足用戶特定時間內不能停機的需求。單模塊旁路的缺點是：需要降額運行，引用中性點偏移技術，主控邏輯運算復雜，且不能長時間運行，有些場合無法達到用戶要求。

⑥溫度繼電器安裝在功率單元內IGBT模塊之間，主要用于測量功率單元的溫度，且每一個功率單元里并聯安裝了兩個溫度繼電器。

功率單元內一般并聯兩個常閉式溫度繼電器，當溫度上升到80℃時溫度繼電器斷開，功率單元就會出現過熱保護。當兩個溫度繼電器都損壞或者沒有接線時都會出現過熱保護。

⑦單元控制板是系統的控制器與功率單元之間的通訊接口。控制器發給功率單元的命令，由單元控制板接受并轉發；功率單元需要傳遞給控制器的信號（如功率單元報過壓、欠壓、過熱、過流、光纖等故障，或者啟動旁路信號）都需要單元控制板轉發給控制器。

⑧驅動板的作用是給IGBT模塊發出驅動信號，給旁路里的可控硅發出觸發信號。

3 功率單元的應用

現在市場上存在的高壓變頻器多數屬于單元級聯式變頻器，所以功率單元在整個變頻器中有不可或缺的作用。而且單個功率單元里面的各元器件之間聯系也很緊密。比如旁路功能的實現就必須滿足幾個條件：①功率單元驅動板及單元控制板正常。②旁路組件正常。③旁路驅動電路正常。④功率單元到控制系統通訊正常。⑤功率單元及各板件供電正常。隨著科學技術的日益發展，市場已經出現不需要單元級聯的變頻器，但是功率單元的位置無法被取代。

4 結束語

伴隨著高壓變頻器步入一個無需級聯的時代，功率單元的設計原理和結構也將會有明顯的更新；但是近5-10年單元級聯式變頻器還會是市場的主流產品。科技的進步一定會讓高壓變頻器的性能更穩定，從兩電平-三電平-多電平的變化使得變頻器穩定性更好，讓應用者更加放心。

參考文獻：

[1]倚鵬.高壓大功率變頻器技術原理與應用[M].人民郵電出版社，2008，2.

[2]繩偉輝，干永革.H橋級聯型高壓變頻器單元旁路技術的研究[J].全國冶金自動化信息網，2014，5.

[3]臧義，孫紅鴿，徐彬.級聯逆變器單元故障處理方法研究[J].電氣傳動，2009（07）.

[4]王旭，臧義，徐彬，林家泉.基于開關管的級聯H橋逆變器故障處理方法[J].中國電機工程學報，2007（07）.