基于多重化整流的變頻器研制

摘 要：為滿足大功率試驗系統的應用需求，開展基于多重化整流的變頻器研制。在分析變頻器總體原理的基礎上，闡述了多重化整流器的原理，重點研究了三電平逆變器控制系統，最后通過半實物仿真試驗驗證了三電平控制算法和控制系統的可行性，變頻器系統實現逆變輸出，初步完成變頻器的研制。

關鍵詞：整流器；逆變器；半實物仿真

中圖分類號：TM921.51" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2023）14-0054-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.14.013

0" " 引言

變頻器主要由整流器和逆變器組成，通過整流器將電網的工頻交流電變換成直流電，經過逆變器將直流電變換成一定頻率的交流電，然后驅動電機系統。

為了滿足大功率試驗系統的進一步需求，開展基于多重化整流的SVPWM（空間矢量脈寬調制）逆變技術的研究。整流部分采用輸入電路失真度較低的多重化變壓器，減小變頻器對電網的諧波污染；逆變部分采用SVPWM技術的逆變器。變頻器能夠減少電網諧波影響，滿足調頻范圍大、調頻精度高等要求，更加適用于大功率試驗系統。

1" " 變頻器總體原理分析

變頻器為交-直-交電壓型變頻電源，本文所述變頻器主電路原理圖如圖1所示，主要包括：主回路預充電控制、整流組件、逆變組件、LC低通濾波器以及控制系統。其中變頻器整流前端采用多重化整流器，將電網交流電壓變換為直流電壓，經平波電抗器以及電解電容穩壓后，再經逆變器和LC濾波器，實現變頻器調頻調幅。

逆變器采用三電平逆變技術，開關管承受的電壓應力小，功率器件溫升小，可產生多階梯輸出電壓，諧波含量小，效率高，改善輸入電網質量的同時，可在直流電壓非恒定情況下保障連續升降調速過程中電壓的平穩輸出及頻率的精確調節。LC低通濾波器能使變頻器在額定工況下實現高效率正弦電壓輸出。控制系統由DSP和觸摸顯示屏組成，在實現各項控制功能的同時進行變頻器與切換柜的控制聯絡及變頻器與監控系統的數字化通信。

2" " 多重化整流技術

多重化整流技術是由整流變壓器采用三分裂形式實現。整流變壓器鐵芯的選擇與電壓有關，而導線的粗細直接與發熱量有關，變壓器的容量只與發熱量有關。變壓器容量的選擇一般從電壓、電流及環境條件幾個方面考慮，綜合而言，應使變壓器承受的用電負荷為其額定容量的75%～90%。

變壓器設計的基本問題是磁通和電流密度。對于磁通，電磁學的基本關系式如下：

U=4.44fwΦ

式中：U為電壓；f為頻率；w為線圈的匝數；Φ為磁通量。

變壓器的鐵芯一般為三相柱形，鐵芯的截面積按照公式可以確定，鐵芯窗口大小要把線圈考慮進去。

對于18脈波整流變換，整流變壓器繞組采用曲折接線實現，各整流單元并聯，共同向負載供電。只要滿足m組6脈波整流交流側的電壓u（n）（n=1，2，3，…，m）依次移相α=60（°）/m，即可得到p=6m脈波的多相整流。對于18脈波移相，理論上不含有17、19次及以下諧波，因此很好地減少了低次諧波環流的影響。故采用18脈波整流變壓器可以很好地實現整流，滿足變頻器要求[1]。

3" " 三電平逆變技術研究

逆變器把直流電壓變換成三相交流輸出電壓，輸出頻率及輸出電壓可調。本文所述逆變器采用SVPWM控制。控制器采用瞬時值單環控制策略，實時調整正弦波控制的脈沖寬度來調節三相輸出電壓[2]。

逆變平臺擬采用二極管箝位型三電平逆變器，原理圖如圖2所示，其中直流電源DC采用多重化整流變壓器實現。逆變器主電路采用三相橋式結構，交流側采用三相對稱的無中線連接方式，三相全橋電路由12個功率開關管IGBT反并聯續流二級管、箝位二極管、濾波電感L及濾波電容C構成。

如圖3所示，三電平逆變試驗平臺的控制系統硬件電路包括六個部分：DSP控制芯片、模擬量采集電路、故障檢測與保護電路、通信接口電路、PWM驅動脈沖電平變換電路、I/O接口電路等。

各部分功能如下：

1）DSP：是整個控制系統的核心，完成逆變器數字化控制，包括電壓反饋PI控制、三電平SVPWM算法、中點電位平衡控制及各功能實現等。

2）模擬量采集電路：逆變器交流輸出電壓、電流經差分電路變換為DSP可采集的實時信號。

3）PWM驅動脈沖電平變換電路：將DSP實時計算生成的3.3 V的PWM脈沖轉換為IGBT需要的+15 V驅動脈沖，并進行濾波。

4）故障檢測與保護電路：故障檢測與保護電路檢測IGBT過壓過流并實現對IGBT的保護，同時實現逆變器急停保護。

5）通信接口電路：實現DSP與上位機的通信。

6）I/O接口電路：逆變器所有數字開關量包括啟停、急停、停電自啟、電壓微調、保護等。經過I/O接口電路實現光電隔離，變換為DSP所需3.3 V數字信號。

4" " 半實物仿真試驗及結果分析

采用半實物仿真方法進行三電平逆變器試驗，主要進行虛擬主回路半實物仿真試驗。根據三電平SVPWM控制算法編寫DSP程序加載到主控板中，將NPC逆變器主回路模型加載到半實物仿真器（RT Box）中模擬主回路，主控板與RT Box相結合進行虛擬主回路半實物仿真試驗，驗證主控板中真實DSP程序。

三電平逆變器虛擬強電回路半實物仿真試驗目標為輸出線電壓為五階梯波形，且輸出頻率為50 Hz。儀器之間的連接情況如圖4所示，其中PC機與RT Box用網線連接，模擬逆變器主回路；通過轉接板分別擴展RT Box中AO（模擬輸出接口）和DI（數字輸入接口），進而與DSP28335控制板相連，作為主控單元，并用示波器監測輸出逆變電壓波形。

如圖5所示，在PLECS中建立逆變器主回路模型，并在主回路中添加了5個模擬量接口，分別為三相輸出交流電壓、直流電壓和中點電壓，以及12路PWM數字輸入量，以便接入主控板的PWM輸出信號。

將主回路模型加載到RT Box模擬逆變器主回路，與含有真實控制程序的主控板相結合，進行半實物仿真試驗，示波器測得輸出電壓波形如圖6所示，達到指令電壓值，且輸出頻率50 Hz，實現逆變器輸出目標，從而驗證了主控板中真實DSP程序。

5" " 結論

本文基于多重化整流和三電平SVPWM逆變技術開展變頻器的研制，其中整流器采用18脈波整流變壓器實現，逆變器采用三電平SVPWM控制方式。通過半實物仿真方法實現逆變器控制算法的驗證，通過試驗可以看出，系統輸出電壓頻率、波形達到試驗要求，實現逆變輸出，初步完成變頻器的研制。

[參考文獻]

[1] 張華強，李泉慧，孟凡剛，等.一種帶隔離變壓器的串聯型18脈波整流器[J].電機與控制學報，2019，23（12）：23-31.

[2] 陳國呈.PWM模式與電力電子變換技術[M].北京：中國電力出版社，2016

收稿日期：2023-03-28

作者簡介：高恒（1989—），男，河北昌黎人，工程師，研究方向：專用電源研制。

焦開洲（1989—），男，湖北大冶人，碩士研究生，工程師，研究方向：專用電源研制。