功率单元结构如图6-26c所示,变压器二次绕组经过熔断器,接到三相二极管整流桥的输入侧,整流后经滤波电容滤波形成直流母线电压,由于输入变压器阻抗设计得较大,所以直流环节不必设置低压变频器那样的预充电限流电阻。当功率单元额定电压为690V时,直流母线电压为900V左右。逆变器由4个耐压为1700V的IGBT模块组成H桥式单相逆变电路,通过PWM控制,在T1和T2两端得到变压变频的交流输出,输出电压为单相交流0~690V,频率为0~50Hz(根据电动机的额定频率,可以相应地调整,最高达120Hz)。对于额定电压为480V的功率单元,直流母线电压为600V左右,可采用1200V的IGBT模块。对于额定电压为1275V的功率单元,直流母线电压为1800V左右,可采用3300V的IGBT模块。
根据功率单元逆变电路结构可知,每个功率单元存在4种不同的开关组合:VT1和VT4同时导通,T1、T2之间输出正的直流母线电压;VT2和VT3同时导通,输出负的直流母线电压;VT1和VT3同时导通,或者VT2和VT4同时导通,输出电压为0。所以,4种不同的开关状态,输出3种不同的电平,分别为+U、0和-U(U为单元直流母线电压)。实际上,为了防止同一桥臂上下管子同时导通,必须设定互锁延时,即存在一定的死区时间,在死区时间内,上下桥臂IGBT均处于截止状态,输出电压由输出电流的方向决定(电流方向决定电流流经哪个续流二极管,从而决定输出电压极性),严格来说,此时输出电压处于不可控状态,当然也不外乎上述三种电平。由于单元内PWM的载波频率较低,所以死区电压引起的误差占的比例很小,可以忽略不计,不必采用像低压变频器那样的死区电压误差补偿电路。
如果设逆变单元串联级数为N,输出总电平数为M,则M=2N+1。对于2300V电压等级的变频器,每相由三个功率单元串联而成,串联而成的相电压共有7种不同的电平:0,±U,±2U,±3U。对于6kV电压等级的变频器,则有0,±U,±2U,±3U,±4U,±5U共11种电平,而对应的线电压则有21种电平,如图6-33所示。而一般的三电平变频器输出相电压仅有3种电平。输出电压电平数越多,输出电压波形越接近正弦波。
图6-33 6kV单元串联多电平变频器输出线电压电平
下面以2300V电压等级的变频器为例,分析多电平PWM控制原理。
图6-34 U相电压形成
由于每相由3个功率单元串联而成,根据图6-34,采用3对(每对含正反相信号)依次相移为120°的三角载波和参考波进行调制,参考波由主控系统给出。RU表示U相的参考波形,载波频率为600Hz,当输出参考波频率为60Hz时,每个参考波周期内刚好有10个载波波形。L1为RU与第一个载波(无相移)比较结果,当RU大于载波时,L1为高电平,RU小于载波时,L1为低电平。L1用来控制U相第一功率单元U1中左桥臂VT1、VT2的通断,L1为高电平时,VT1导通,VT2截止,T1为正直流母线电位,L1为低电平时,VT1截止,VT2导通,T1为负直流母线电位。RU和第一个载波的反向信号比较产生的R1用于控制VT3、VT4的通断,当RU大于反向载波时,R1为低电平,反之,R1为高电平。R1为高电平时,VT3导通,VT4关断,反之亦然,由此可决定输出电压波形,实际上,L1与R1之差,就代表了输出端T1与T2之间的电压波形,也即U相第一单元的输出电压uU1。uU1具有0,+U和-U三种电平。根据同样道理,uU2和uU3分别表示U相的第二和第三功率单元的输出电压波形,它们是用移相120°和240°的两对载波分别和U相参考波RU比较的结果。uU1、uU2和uU3串联相加,即得到U相的相电压输出波形uUN,uUN有7种不同的电平。(www.xing528.com)
V相和W相的调制采用同样的原理,只是参考波RV、RW依次相移120°。uUN与uVN之差,形成电动机线电压uUV。应该注意的是uUN是U相输出对单元串接后形成的中心点N的电压,而不是对电动机中心点的电动机相电压。
图6-35 UV相线电压形成
改变参考波的幅值和频率,即可实现变压变频的高压输出。实际上,为了提高电压利用率,参考波并非严格的正弦波,而是注入一定的谐波(比如三次谐波)成为“马鞍形”的波形(见图6-36),以降低参考波峰值,而三次谐波电压是共模电压,电动机内部不会产生电流,所以不会影响电动机的运行。
图6-36 马鞍形参考电压
对于3300V电压等级的变频器,每相由4个功率单元串联而成,采用4对依次相移为90°的三角载波和参考波进行调制。对于电压等级为4160V、6kV和10kV的变频器,则采用5对依次相移为72°的三角载波或更多数目的相应相移的三角载波。
功率单元旁路技术,是在每个功率单元输出端T1,T2之间并联一个双向晶闸管(或反并联2个SCR),当功率单元发生故障时,封锁对应功率单元IGBT的触发信号,然后让SCR导通,保证电动机电流能流过,仍形成通路。当然,为了保证三相输出电压对称,在旁路故障功率单元的同时,另外两相对应的两个功率单元也同时旁路。对于6kV的变频器而言,每相由5个功率单元串联而成,当每相1个单元被旁路后,每相剩下4个功率单元,输出最高电压为额定电压的80%,输出电流仍可达到100%,这样,输出功率仍可达80%左右,对于风机、水泵等平方转矩负载而言,转矩仍可达92%以上,基本能维持生产要求,大大提高系统运行的可靠性。然后可以在生产允许的条件下,有准备地停止变频器,更换新的功率单元或对单元进行维修。如果负载十分重要,还可以进行冗余设计,安装备用功率单元。例如,对6kV的变频器,本来每相由5个功率单元串联而成,现可以设计成每相6个功率单元串联,正常工作时,每个单元输出电压仅为原来的5/6,如果出现功率单元故障,一组单元(每相各一个)被旁路后,单元的输出电压恢复正常,总的输出电压仍可达到100%,变频器还能满载运行。
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