一种新型变压器耦合串联中压大功率变频器

O 引言
    近20年来，工业发达国家，尤其是日本、法国、德国都非常重视节能技术的发展和研究。他们一方面在高性能大容量交流电机传动技术的研究和应用方面远远走在了前面，另一方面他们还大力开拓调速技术市场，不断地扩大应用范围，使电动机调速技术成为一个具有相当实力的产业部门。中功率级的变频器已有产品大量投入市场，并应用于电力机车、船舶电力推进、轧钢、造纸等高性能系统中。此外，其他70％的电动机也采用了各式各样的调速节能技术，应用于各个领域，如风机、泵类、压缩机、提升机、运输机、破碎机、滚磨机、轧机、纺织机、卷烟机及空调机等设备的传动中，遍及冶金、化工、发电、机械、建材、石油、交通、纺织、造纸、煤炭、农业等生产领域及国防部门，从而大大降低了单产能耗，并在相当程度上获得了产品质量效益、产量效益和环保效益。
    从20世纪80年代以来，我国在电动机调速技术的开发和应用方面有了较大的发展，但与发达国家相比还相当落后。国内调速装置主要是晶闸管直流电机调速，大多数用于冶金、化工、矿井提升及石油钻机等。这类系统虽然制造技术成熟，但有很多缺点：直流电机造价高，维护工作量大，对电网污染严重，正处于被淘汰状态。在大功率交流调速方面国内也做了一些研究工作，并生产了一些国产交流凋速装置，但大多数是晶闸管交一交变频调速，成本高，性能差，对电网污染严重．功率因数低，无功损耗大。本文介绍一种新型变压器耦合的串联中压大功率变频器，其主要思路是用变压器将3个三相半桥式常规逆变器单元的输出电压叠加起来，实现中压输出。并且3个常规逆变器可以采用同一种控制方式，使电路结构和控制方法大大简化，很适合我国研制生产。
    这种变频器构思巧妙，性能优越。

l 电路组成与工作原理
    2000年E．Cengelci在文献中提出了一种新型的变压器耦合式三相半桥逆变器单元串联叠加的中压大功率变频器电路，其主要原理是：用一个变比为1：l的三相变压器，将3个相同的三相半桥式逆变器相同相位的线电压，同极性地串联在一起进行叠加，以实现中电压输出。3个常规的三相半桥式逆变器可以采用相同的SPWM控制方式，使变频电路大大简化。图1为这种新型变频器的主电路结构与电压电流关系图，其中图l(a)为主电路结构图，图l(b)为变压器绕组图，图1(c)为电压电流关系图。这种新型的变频器由以下3部分组成。

    (1)输入电路 是18脉波整流器，其作用是分别向3个三相逆变器提供直流电源，并提高变频器的市电输入功率因数，减少对市电电源的污染，实现输入电流无谐波。
    (2)逆变电路 由3个相同的三相半桥式逆变器组成，其作用是将3个独立的直流电源，逆变成3组相同的三相交流电。
    (3)三相变压器 由三柑铁芯构成，其作用是将3个半桥式逆变器相同相位的线电压，同极性地串联在一起进行叠加，以实现中电压输出一变压器的变比是1：l，其结构型式如图l(b)所示。

    3个三相半桥式逆变器串联叠加式变频器的电压电流关系如图l(c)所示。由图1(c)可知，考虑到交流电动机的线电压，变频器的电压关系为

由于三相变压器的变比为1：1，所以有

    假设交流电动机的三相电流是平衡的，电流的有效值为I，在不考虑谐波电流的情况下，则

    考虑到变压器的变比为l：1，原边和副边电流相等，可以汁算出N0．1逆变器的三相输出电流为

   
    此外，N0．2、N03两个逆变器的三相输出电流也满足式(5)所不的关系，即

   
    式(6)说明3个三相半桥式逆变器的输出电流，都是完全平衡的。
    由以上得到的电压、电流关系式，很容易得到这种变频器各组成部分之间的功率关系。很显然3个逆变器的视在功率是相等的，整个变频器的视在功率为3个逆变器视在功率之和 。

2 变频器输出电压的表示式及其谐波分析
    由于3个逆变器的电压、电流和功率是完全对称的，因此3个逆变器可以采用完全相同的控制方式，这时加在电机卜的线电压等于一个逆变器输出线电压的3倍。假定3个逆变器都采用两电半SPWM控制，以逆变器N0．1为例，其SPWM工作波形如图2所示，其中图2(a)为NO.1逆变器的电路图，图2(b)为其SPWM工作波形。由于变频器工作在变频状态，SPWM工作在非同步方式，因此采用以载波三角波角频率为基准的双重傅里叶级数分析法。为了方便，把载波三角波用两个“分段线性函数”来表示，它们的斜率为初始值为+Uc和-Uc，这样三角波的数学方程式就可以写成式(7)的形式。

    在图2(b)中，由上面的调制波形得到下面的二阶SPWM波形时，以载波三角波幅值点为界分成N个区间，例如在x=ωct的

用相同的方法可以求出电压ub的表示式为

    用同样的方法也可以求出ubc，ucn的表示式。在这些表示式中载波与载波谐波被消除掉了。式中是消除m和n同时为偶数或奇数的项。
    3个逆变器的控制方法有两种：一种是3个逆变器采用完全相同的SPWM控制方式：另一种是3个逆变器的载波三角波依次滞后120°的SPWM控制方式。对第一种控制方式，由式(13)可知

    相当于一个高压SPWM逆变器，du／dt太大，不宜采用。
    对于第二种SPWM控制方式，由式(13)可得

    串联叠加出来的输出电压uAB的波形如图3所示，这是一种七电平电压波形。为了有效地提高逆变器的开关频率，减少开关损耗和提高直流电压的利用率，可以在正弦调制波中加入15％的3次谐波，使调制度M提高到1．15。

3 变幅值18脉波三重叠加整流电路
    这种变频器，采用了△/YYY接法输入变压器耦合的变幅值18脉波三重叠加的整流电路如图4所示。图4(a)为电路图，图4(b)为波形图。对于输入电流ia的波形，利用Biringer公式可以计算输入电流ia的基波与各次谐波幅值的表示式：

    对上述三式联立求解即可得到参数a=O.575，b=O．881，c=O.2。由a、b、c就可以确定出w1～w5的匝数。
    这样，在变压器初级输入电流ia中，就可以消除5、7、11、13次谐波。方程式(16)中的谐波次数n=18k±l，k=0，1，2，3，……。

4 结语
    从前面分析可知，这种变频器具有如下优点。
    (1)耦合变压器的容量为变频器总容量的比通常采用的高一低一高电路中的输出变压器的容量小
    (2)3个常规的三相半桥式逆变器为核心构成的高压变频器，可以采用常规的SPWM控制法，简化了电路；采用耦合变压器进行线电压串联叠加提高输出电压，消除3mN±1次以下的谐波，构思巧妙，性能优良，减少了直流电源个数。
    (3)3个常规的三相半桥式逆变器甲衡运行，各分担的变频器总功率。
    (4)变频器的输出电压为等效的七电平PWM波，谐波含量小，du／dt低。
    (5)18脉波输入整流电路，输入功率因数高，对市电电源污染小。
    (6)在正弦凋制波中加入15％的三次谐波后，可以使凋制度增大到1．15，提高了直流电压利用率。

    这种变频器，如果应用于线电压为2300V的中压电机，Ud=1090V，可以采用额定电压为l700V的开关器件构成逆变器；对于线电压为4160V的电压电机，Ud=1970V，可以采用额定电压为3300V的开关器件构成逆变器；对于线电压为6600V的电压电机，Ud=3130V，可以采用额定电压为4500V的开关器件构成逆变器。所以，这种变频器具有很强的适应性。此外从技术难度较低来看，这种变频器方案也很适合当前我国的生产水平。