高壓變頻器的研究與應(yīng)用

摘 要：本文主要介紹了高壓變頻器的主要類型特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)，并以此為基礎(chǔ)敘述了高壓變頻器多樣的控制方法。高壓變頻器采用不同的技術(shù)，其相應(yīng)的穩(wěn)定性、可靠性等性能指標(biāo)也不相同。只有不斷的研究探索，才能得到投入少、效率高的理想變頻器。

關(guān)鍵詞：高壓變頻器 控制 市場應(yīng)用 輸入變壓器

中圖分類號：N73T7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）02（c）-0131-01

我們平時所說的高壓變頻器，輸入的電源電壓一般都在3000 V以上，屬于大功率變頻器。就目前的國內(nèi)市場來看，電壓等級從3000～10000 V不等，種類也有高-低-高、低-高和高-高之分。對于傳統(tǒng)的高壓變頻器，主要包含可控硅整流、硅逆變等結(jié)構(gòu)，存在許多不足之處，其產(chǎn)生的諧波將影響到電網(wǎng)和電機(jī)的正常使用。近些年來，電力電子技術(shù)及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)發(fā)展迅速，涌現(xiàn)出了一些新型的器件，改善了原有系統(tǒng)的不足之處，如目前常用的IGBT、IGCT等新型原件。這些新型原件所構(gòu)成的先進(jìn)高頻變壓器性能得到了明顯的提升，可以實(shí)現(xiàn)PWM逆變和PWM整流，而且產(chǎn)生的諧波較小，可以有效的提高功率因數(shù)。

1 高壓變頻器的分類

隨著高壓變頻技術(shù)的不斷發(fā)展，市場上出現(xiàn)了種類繁多的高壓變頻器，其分類方法也不盡相同。如果只關(guān)注變頻器的中間環(huán)節(jié)是否產(chǎn)生直流電，高頻變壓器可以分為交變變頻器和交直交變頻器；如果側(cè)重于所產(chǎn)生直流電的性質(zhì)，就可將高頻變壓器分為電流型和電壓型變頻器；如果按照過程中是否產(chǎn)生低壓回路，可將高壓變頻器分為高高變頻器和高低高變頻器；如果僅僅依據(jù)變頻器的輸出電平數(shù)，可分為兩電平、三電平及多電平變頻器；通用變頻器和高壓變頻器是按照高壓變頻器的等級和用途進(jìn)行分類得到的，二極管嵌位型和電容嵌位型的分類原則是變頻器的嵌位方式。

1.1 高低高變頻器

高低高變頻器的主要原理是利用降壓變壓器結(jié)構(gòu)，將電網(wǎng)中原有的高壓轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛪海椭恋蛪鹤冾l器的額定或是允許的輸入電壓范圍。通過高低高變頻器的轉(zhuǎn)換，形成了交流電，并且交流電的頻率和振幅都可以隨著設(shè)定的不同而改變，然后交流電再經(jīng)過升壓變壓器的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)化為機(jī)器需要的特定電壓數(shù)。高低高變頻器的工作方式，過程中采用了標(biāo)準(zhǔn)的低壓變壓器進(jìn)行降壓，然后通過升壓變壓器進(jìn)行升壓，其優(yōu)點(diǎn)就是可以通過對變壓器的參數(shù)設(shè)定，任意匹配不同登記的電網(wǎng)和電動機(jī)，當(dāng)數(shù)量較小時，其成本比直接高壓變頻的方法低。高低高變頻器的一個主要缺點(diǎn)，就是升壓和降壓的變壓器體積較大，十分笨重，并且容易影響頻率的變化范圍。高低高變頻器通常被劃分了電流型變頻器和電壓型變頻器兩種類型。

1.2 交-交變頻器

交-交變頻器工作過程中不會出現(xiàn)直流環(huán)節(jié)，可以利用晶閘管直接實(shí)現(xiàn)交流到交流的變頻。如果變頻器的工作條件在3000 V以下，每個相需要12只晶閘管，這樣三個相相加就是36只；如果工作電壓大于3000 V，就必須將晶閘管串聯(lián)起來，數(shù)量也就要加倍。交-交變頻器的電路結(jié)構(gòu)主要分為兩類：一種采用的是公共交流母線的進(jìn)線方式；另一種是輸出星形的連接方式。交-交變頻器所具有的優(yōu)點(diǎn)是：過程中沒有直流，只有一次變流，效率較高；由于其輸出特點(diǎn)，可以較為簡單的實(shí)現(xiàn)四個象限同時工作；其輸出的低頻率波與正弦波非常接近，利用率高。交-交變頻器也存在一些不足之處：首先就是電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不利于接線，輸出的頻率相對其他高壓變頻器較低，相應(yīng)的輸出功率因數(shù)就低；另外在諧波方面，輸出電流中諧波含量大，形成的頻率譜較為復(fù)雜。就目前我國的應(yīng)用情況來看，交—交變頻器主要應(yīng)用于50萬或是100萬瓦以上的大功率低轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速電路之中。

2 高壓變頻器的控制方法與策略

通過對我國高壓變頻器市場的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，其控制方法主要有以下幾種。

電動機(jī)穩(wěn)態(tài)模型。通過多種PWM調(diào)制技術(shù)的應(yīng)用，改變電機(jī)的工作頻率，同時控制電動機(jī)的電壓或電勢。在V/f協(xié)調(diào)控制之下，可以將磁通量近似的穩(wěn)定在一個常態(tài)，方法簡單可行，通過這種方式可以控制電動機(jī)的開環(huán)速度。由于低速狀態(tài)下，異步電動機(jī)定子電阻壓降所占比重增加較大，不能再忽略不計(jì)，所以現(xiàn)在應(yīng)用中存在的主要問題是低速性能較差。還有，由于V/f協(xié)調(diào)控制是在穩(wěn)態(tài)的基礎(chǔ)上得出的，因而在動態(tài)情況下性能就會相應(yīng)的下降。

當(dāng)保持磁通量在一個穩(wěn)定的狀態(tài)下時，通過異步電動機(jī)穩(wěn)態(tài)的等效電路和轉(zhuǎn)矩的公式進(jìn)行推導(dǎo)，可以對轉(zhuǎn)差頻率進(jìn)行控制。這樣得到的推到結(jié)果只是用于轉(zhuǎn)速變化較慢的情況，因而在轉(zhuǎn)速變化快的情況下轉(zhuǎn)矩的控制性能差。

電動機(jī)動態(tài)模型。矢量控制技術(shù)的基礎(chǔ)條件是坐標(biāo)變換后的電動機(jī)動態(tài)模型，通過坐標(biāo)變換，使得交流電機(jī)在理論上能像直流電機(jī)一樣分別對勵磁分量與轉(zhuǎn)矩分量進(jìn)行獨(dú)立控制，使得電動機(jī)的動態(tài)性能如直流電動機(jī)一樣良好。這種轉(zhuǎn)換的不足之處在于，矢量控制需要確定轉(zhuǎn)子的具體位置，為了保證電動機(jī)的工作狀態(tài)，還需要控制磁鏈的幅值。這些參數(shù)都與電動機(jī)有直接的關(guān)系，并且在機(jī)器實(shí)際工作情況下，這些參數(shù)并不是固定值，會隨著周圍溫度和勵磁條件而不斷的變化。這些都會嚴(yán)重影響控制系統(tǒng)的動態(tài)性能，甚至?xí)苯訉?dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)。這一問題是國內(nèi)外專家研究的重點(diǎn)問題之一。

動態(tài)模型還可以采用直接轉(zhuǎn)矩，對異步電動機(jī)和磁鏈分別進(jìn)行控制。不像矢量控制系統(tǒng)那樣億轉(zhuǎn)子磁鏈為基礎(chǔ)，直接轉(zhuǎn)矩控制的對象是定子磁鏈。這種控制方式省去了坐標(biāo)變換的步驟，也不會受到轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的干擾，整個結(jié)構(gòu)簡單可靠，動態(tài)、靜態(tài)性能都比較良好。

3 結(jié)語

高壓變頻器以及一些與其相關(guān)的產(chǎn)品是電力電子行業(yè)中一個尚未得到良好解決的難題，近些年來也受到了全世界業(yè)內(nèi)人事的廣泛關(guān)注。高壓變頻器不僅涉及大功率交流電動機(jī)的各類負(fù)載的調(diào)速和節(jié)能，還涉及到一些其他事關(guān)國計(jì)民生的重點(diǎn)領(lǐng)域。因此，我們應(yīng)該加速對高壓變頻器電路和控制技術(shù)的探索，開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的、性能優(yōu)異的高壓變頻器，不斷發(fā)展我國的高壓變頻器技術(shù)。

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