基于電力電子變壓器的高壓變頻器預(yù)充電方法及裝置

司 偉

（中冶華天南京工程技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210019）

1 背景技術(shù)

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和高壓變頻器技術(shù)研究的深入，高壓變頻器日益廣泛地被應(yīng)用于風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)等大功率機(jī)械設(shè)備的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。特別是級(jí)聯(lián)型高壓變頻器，作為適合中國(guó)國(guó)情、性能優(yōu)異的變頻器，受到了眾多變頻器生產(chǎn)廠商、科研院所、工程技術(shù)人員以及用戶等的青睞。

此種高壓變頻器在每次開機(jī)運(yùn)行時(shí)，需要先建立直流母線電壓。由于級(jí)聯(lián)型高壓變頻器的每相電壓都是由多個(gè)功率單元串聯(lián)輸出構(gòu)成的，而每個(gè)獨(dú)立功率單元也有許多電容，因此整個(gè)系統(tǒng)在上電時(shí)，對(duì)巨大的輸入沖擊電流進(jìn)行抑制十分必要，迫切地需要一種預(yù)充電電路來減小沖擊電流，使其對(duì)電網(wǎng)和本系統(tǒng)的沖擊降低到合理范圍，從而提高系統(tǒng)的可靠度，也減小對(duì)電網(wǎng)的干擾。

目前，在普通級(jí)聯(lián)型高壓變頻器中，對(duì)上電沖擊電流的控制方法主要有兩種。一種方法是在變頻器的高壓輸入側(cè)安裝激磁涌流抑制電路。該電路由限流電阻和與之并聯(lián)的高壓開關(guān)組成，串聯(lián)在高壓電源與高壓變頻器的輸入端之間。在高壓上電前，高壓開關(guān)處于斷開狀態(tài)，通過限流電阻對(duì)高壓變頻器進(jìn)行充電，充電完成后閉合高壓開關(guān)，充電工程結(jié)束。由于該電路屬于高壓電路，所用的器件為高壓器件，所用成本高，且因?yàn)橥ㄟ^限流電阻對(duì)高壓變頻器進(jìn)行充電，能耗大。另一種方法是通過低壓電源和限流電阻向整流變壓器的輔助繞組供電，通過變壓器在副邊繞組上產(chǎn)生感應(yīng)電壓，對(duì)功率單元的直流電容進(jìn)行充電。隨著充電過程的進(jìn)行，逐漸用接觸器旁路掉部分限流電阻。充電完成后，斷開充電電路，閉合高壓開關(guān)[1]。

2 高壓變頻器預(yù)充電方法及裝置研究

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提出一種由單相低壓電源輸入的預(yù)充電裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓變頻器的預(yù)充電。該裝置可靠性高，且裝置的組成單元都是低壓元器件，成本低廉。

為達(dá)到上述目的，提出的高壓變頻器預(yù)充電裝置包括預(yù)充電單元和預(yù)充電控制單元。其中，預(yù)充電單元包括單相橋式脈沖寬度調(diào)制電路、高頻變壓器、多組單相橋式不控整流串聯(lián)電路3 個(gè)部分；預(yù)充電控制單元包括采樣電路、補(bǔ)償電路、驅(qū)動(dòng)電路、信號(hào)輸送電路以及單片機(jī)5 個(gè)部分。

本文提出的高壓變頻器預(yù)充電裝置，首先將輸入的單相低壓交流電源經(jīng)單相橋式脈沖寬度調(diào)制電路、高頻變壓器、單相橋式不控整流電路，即經(jīng)過了AC/AC、AC/DC 的變換，再將多組單相橋式不控整流電路輸出的直流電壓串聯(lián)起來，得到的總的直流電壓給變頻器直流母線電容充電；其次，通過控制單相橋式脈沖寬度調(diào)制電路中4 個(gè)開關(guān)器件的導(dǎo)通、關(guān)斷及導(dǎo)通時(shí)間，使變頻器直流母線電容充電所用的直流電壓幅值以一定的斜率由低升高，直至電容兩端電壓達(dá)到所需要的閾值；最后，切斷預(yù)充電單元，同時(shí)發(fā)送預(yù)充電完成信號(hào)給變頻器控制系統(tǒng)。

該預(yù)充電裝置還通過檢測(cè)所述的直流電壓進(jìn)行閉環(huán)控制，確保電容兩端電壓幅值按要求升高，避免出現(xiàn)尖峰電流或電壓，造成設(shè)備損壞。

本文提出的高壓變頻器預(yù)充電裝置，與其他預(yù)充電技術(shù)方案相比，優(yōu)勢(shì)在于：

（1）由于充電電壓通過電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)控制，省去了充電電阻，在預(yù)充電過程中幾乎沒有能量損耗；

（2）高頻變壓器原、副邊都是低壓電路，體積小，成本低廉；

（3）通過改變基準(zhǔn)電壓信號(hào)、高頻變壓器副邊分繞組的個(gè)數(shù)以及線圈匝數(shù)，提出的高壓變頻器預(yù)充電裝置可適用于不同類型及功率大小的高壓變頻器；

（4）利用高頻變壓器將預(yù)充電電路與變頻器主電路隔離，安全可靠，預(yù)充電電路出現(xiàn)故障也不影響變頻器的主電路安全[2]。

3 具體實(shí)施方式

提出的高壓變頻器預(yù)充電裝置包括預(yù)充電單元和預(yù)充電控制單元。

預(yù)充電單元包括單相橋式脈沖寬度調(diào)制電路、高頻變壓器、多組單相橋式不控整流串聯(lián)電路3 個(gè)部分，如圖1 所示。采用低壓?jiǎn)蜗嘟涣麟娫碅C 220 V 輸入，經(jīng)過單相橋式脈沖寬度調(diào)制電路，輸出脈寬可控的高頻交流方波V1加在高頻變壓器原邊繞組N0上。高頻變壓器副邊由多個(gè)分繞組組成，分別為N1～Nn，感應(yīng)生成電壓V1～Vn，將V1～Vn經(jīng)對(duì)應(yīng)的單相橋式不控整流電路得到的直流電壓串聯(lián)起來得到總的直流電壓VΣ，用于給高壓變頻器直流母線電容充電。

圖1 高壓變頻器預(yù)充電裝置的結(jié)構(gòu)框圖

高壓變壓器副邊每個(gè)分繞組的線圈匝數(shù)盡可能相等，具體匝數(shù)根據(jù)單相橋式不控整流電路中的低壓功率元器件的工作電壓確定。分繞組的數(shù)量由所需的高壓變頻器直流母線電容充電電壓VΣ和每個(gè)分繞組的線圈匝數(shù)確定。

所述預(yù)充電控制單元，如圖2 所示。首先給定一個(gè)基準(zhǔn)電壓信號(hào)UREF，其電壓信號(hào)幅值以一定的斜率由低到高；其次，通過采樣電路得到所述直流電壓VΣ的采樣信號(hào)UF，將UF與基準(zhǔn)電壓UREF比較，并經(jīng)補(bǔ)償電路調(diào)節(jié)后得到控制信號(hào)UC；最后，單片機(jī)根據(jù)輸入信號(hào)UC發(fā)出PWM 控制脈沖波信號(hào)UPWM，UPWM經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路控制所述單相橋式脈沖寬度調(diào)制電路中的開關(guān)器件的導(dǎo)通、關(guān)斷及導(dǎo)通時(shí)間，由此實(shí)現(xiàn)所述直流電壓VΣ的幅值按照基準(zhǔn)電壓信號(hào)UREF的幅值斜率由低升高。

圖2 高壓變頻器預(yù)充電裝置中預(yù)充電控制單元控制系統(tǒng)圖

在所述的直流電壓VΣ按要求達(dá)到所需要的閾值時(shí)，單片機(jī)停止發(fā)出PWM 控制脈沖波信號(hào)UPWM，切斷預(yù)充電單元，同時(shí)發(fā)出控制信號(hào)USSR。USSR通過信號(hào)輸送電路將預(yù)充電完成信號(hào)發(fā)送給高壓變頻器控制系統(tǒng)，高壓變頻器控制系統(tǒng)根據(jù)此信號(hào)接通變頻器主電路電源，高壓變頻器便可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)[3]。

4 結(jié) 論

本文的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在所述的技術(shù)范圍內(nèi)的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本文的保護(hù)范圍。因此，本文的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求所界定的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。