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一种新型高压大功率变频器
作 者:南京航空航天大学航空电源航空科技重点实验室 蒋雪峰 黄文新 西南交通大学 李洁

1 引言
随着电力电子技术的飞速发展和高压变频器技术的深入研究,高压大功率变频器被日益广泛地应用于压缩机、水泵、风机等大功率机械设备的驱动系统中,高压大功率变频器以其优越的性能和良好的节电效果,使其越来越受青睐,显示出了其方兴未艾的市场前景。但当前的高压大功率变频器仍存在许多不足之处,特别是在预充电技术上,还有待于进一步的改进,才能使高压大功率变频器的性能和使用效果变得更好[1-4]

2 当前高压大功率变频器在预充电技术中存在的不足
2.1 整流移相变压器中存在的不足
当前高压大功率变频器在上电控制时,一般在整流移相变压器中不设低压预充电电路,因此在高压电路部分必须设置开关器件和限流元件,从而使上电过程变得复杂化,而且会频繁地受到上电的冲击电流,使高压大功率变频器非常容易产生故障,这样就大大降低了系统的可靠性[4-6]
2.2 功率单元中存在的不足
由于高压大功率变频器在每次开机运行时,需要先建立直流母线电压。而一般的高压大功率变频器都为级联型,其每相电压都是由多个功率单元串联输出而构成,然而每个独立单元同时又包含多个电容,因此系统在上电时,对巨大的输入冲击电流进行有效地抑制是非常必要的。此时就更迫切地需要一种具有良好性能的预充电电路来减小存在的冲击电流,使其对本系统和电网的冲击降低到一个合理的范围,从而提高系统的可靠性,同时减小对电网的干扰。


图1 传统高压大功率变频器的功率单元结构图

当前级联型高压大功率变频器主要是由功率电阻和继电器构成的较为传统的预充电电路,如图1所示。其存在的问题在于:高压型的继电器的成本较高、体积较大、动作时会产生较大噪音以及机械触点容易接触不良;同时,也易发生由于不能准确切除限流电阻而引起火灾的危险,以至于影响了整个系统的可靠性和安全性[7-10]

3 新型高压大功率变频器的设计
3.1 新系统整体设计框图
其新系统整体设计框图如图2所示,新型高压大功率变频器由新型整流移相变压器、具有新型预充电电路的功率单元、控制单元、输入单元、显示器、输出单元、远程通讯单元和保护单元组成。


图2 新系统整体设计框图

3.2 新型整流移相变压器的设计
为了解决当前整流移相变压器中存在的不足,本文对其做了如下改进:如图3所示,在新型整流移相变压器中除了原有的高压绕组a、b、c和高压接触器外,新增加了一组低压线圈a、b、c,且低压线圈与低压接触器和串联限流元件l1、l2、l3组成预充电电路。


图3 改进后的新型整流移相变压器

3.3 对功率单元的改进设计
由于单纯地对整流移相变压器进行改进,变频器的整体预充电效果还不是最佳,这在于利用整流移相变压器的固有漏感来抑制各功率单元的上电冲击电流时,其高压大功率移相变压器的漏感很难精确计算和调节,这样将造成在实际应用时,很难达到对冲击电流有效抑制的效果。对此为了能更好地预充电,还需要对其功率单元进行改进设计。
为此,本文针对当前功率单元中存在的不足,对其做了如下改进:如图4所示,将当前采用的二极管整流桥改造为三相半控桥式整流电路,同时在输入端增加输入过压吸收电路,中间段设计了平波电感l,高频电容c1和直流母线电容c2。


图4 改进后的功率单元结构图

其中,输入端的输入过压吸收电路是由三个压敏电阻rv用星型接法相互连接构成;三相半控桥式整流电路由三个完全相同相互并联连接的支路构成,每个支路由一个晶闸管和一个二极管构成(如vt1和d4),每个晶闸管左边并联有rc吸收电路,该rc吸收电路由一个电容和一个电阻组成,每个晶闸管右边并联有充电支路,该充电支路由一个二极管和一个电阻组成;中间段由平波电感l和两个并联的高频电容c1与直流母线电容c2组成,其后面部分保持当前的不变。

4 改进后新设计的有益效果
从理论上分析可知,对整流移相变压器的改进设计,将使得该新型高压大功率变频器只需每次在系统上电时,先接通低压接触器,为各功率单元先进行预充电,等完成功率单元中滤波电容的充电过程之后,再断开低压接触器将预充电电路切除,最后将高压开关闭合,使系统进入正常工作状态。这样该预充电电路就能有效地减少变频器及电网的上电冲击。此外,由于使用的预充电电路工作在低压回路,不需要高压开关,使电源回路得到了简化,调试时用低压电就能进行,给调试带来了极大的方便。同时,它也使运行程序得到简化,使其具有很好的经济性和操作性。
另外,对功率单元的改进设计,由于采用了三相半控桥式整流,能通过预充电电路使功率单元中的直流母线被预充电至额定电压值,从而能避免上电时母线电容因承受过高di/dt值而使其提前失效;同时也避免了其整流二级管因承受过高di/dt值而造成损坏,从而引起整个单元故障而退出。因此对功率单元的改进设计提高了系统的可靠性与安全性,同时其成本也较为低廉,便于广泛应用。可见,改进后的新型高压大功率变频器在预充电技术上将有更好的控制效果。

5 结束语
本文首先针对当前高压大功率变频器在预充电技术上存在的不足,对其进行了深入分析。然后,从系统整体设计、新型整流移相变压器、功率单元等方面同时着手,提出了其具体的改进方案,设计出了一种新型高压大功率变频器。该新型高压大功率变频器具有更优的预充电功能,无需高压开关,低压即可调试,调试方便,操作性好,有着更好的系统可靠性和安全性,成本低廉,便于广泛应用。

作者简介
蒋雪峰(1987-)男 南京航空航天大学航空电源航空科技重点实验室硕士研究生,研究方向为电力电子与电力传动、电机与电器。
黄文新(1966-)男 南京航空航天大学航空电源航空科技重点实验室教授、博士生导师,主要研究方向为电力电子与电力传动、电机与电器。

参考文献
[1]中国电器工业协会变频器分会.高压变频器应用手册[m].北京:机械工业出版社,2009.
[2]张选正,张金远.变频器应用技术与实践[m].北京:中国电力出版社,2009.
[3]李燕,廖义奎,王永等.图解变频器应用[m].北京:中国电力出版社,2009.
[4]项立峥.高压变频节能技术发展趋势[j].上海节能,2009.
[5]周德贤.高压大功率变频器应用中六项要点[j].变频器世界,2007.
[6]喻国强,李爱武.用低压电源预充电的高压大功率变频器[p].实用新型,2009.
[7]张福钧.变频器预充电单元改造[j].今日科苑,2008.
[8]苏建徽,姚俊等.一种新型级联型高压变频器预充电电路[p].实用新型,2009.
[9]康华光.电子技术基础模拟部分(第五版)[m].高等教育出版社,2005.
[10]贺益康,潘再平.电力电子技术[m].科学出版社,2009.

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