楊弘喆

（華中科技大學(xué)文華學(xué)院，湖北武漢 430074）

0 引言

變頻器是由交流變直流、濾波、直流變交流、制動(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)單元以及檢測(cè)單元微處理單元等組成。通過(guò)改變電源的頻率來(lái)達(dá)到改變電源電壓的目的，根據(jù)電機(jī)的實(shí)際需要來(lái)提供其所需要的電源電壓，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能、調(diào)速的目的，另外，變頻器還有很多的保護(hù)功能，如過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)載保護(hù)等。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)快速發(fā)展，再加上一些配套軟件的使用，不僅增強(qiáng)了電器元件設(shè)計(jì)以及動(dòng)畫模擬等一些實(shí)用性功能，而且還能更加精確仿真的分析結(jié)果，使其在電器元件設(shè)計(jì)當(dāng)中尤其是在變頻器中的得到了更為廣泛的應(yīng)用前景。

1 變頻器主回路的構(gòu)成

1.1 變頻器的基本概念

變頻器VFD（Variable Frequency Drive）是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過(guò)改變電機(jī)工作電源頻率方式來(lái)控制交流電動(dòng)機(jī)的電力傳動(dòng)設(shè)備。變頻器的主要結(jié)構(gòu)包括整流、濾波、逆變、制動(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)單元、檢測(cè)單元以及微處理單元組成。變頻器的主電路可以分為電壓型和電流型兩大部分，其中電壓型是指將電壓源的直流轉(zhuǎn)換成交流的變頻器，此時(shí)的直流回路的濾波是電容；而電流型則是將電流源的直流直接傳換成交流的變頻器，此時(shí)的直流回路濾波是電感。電流型變頻器的主要結(jié)構(gòu)是由整流器、平波回路以及逆變器三大部分構(gòu)成，其中整流器是將工頻電源變換為直流功率，平波回路是吸收在變流器和逆變器產(chǎn)生的電壓脈動(dòng)，而逆變器則是將直流功率變換為交流功率。

1.2 變頻器主回路結(jié)構(gòu)

變頻器主回路結(jié)構(gòu)多為單元化結(jié)構(gòu)或者模塊化結(jié)構(gòu)，其主要組成部分包括三相或者單相整流橋、平滑電容器、濾波電容器、IPM逆變橋、限流電阻以及接觸器件等。三電平變頻器主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

從圖中可以看出整個(gè)三電平變頻器主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的整流環(huán)節(jié)和逆變環(huán)節(jié)左右對(duì)稱的形式，每一相橋臂都是由四個(gè)絕緣柵雙極型晶體管 IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）開(kāi)關(guān)和兩個(gè)鉗位二極管構(gòu)成，而且在每一個(gè)絕緣柵雙極型晶體管的內(nèi)部都并聯(lián)著續(xù)流二極管，圖1中給出的三電平變頻器主回路一共使用了二十四個(gè)絕緣柵雙極型晶體管，每一個(gè)絕緣柵雙極型晶體管都具有相同的耐壓和電流強(qiáng)度，承受電壓值的大小為直流側(cè)母線電壓的1/2。圖中的Q11、Q14和Q12、Q13分別代表主開(kāi)關(guān)管和輔助開(kāi)關(guān)管，依次開(kāi)通（Q11，Q12）、（Q12，Q13）、（Q13，Q14），此時(shí)每一相橋臂的輸出相電壓的大小為＋Vdc/2、0、－Vdc/2三個(gè)電平，整流部分總共有27個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)，線電壓有＋Vdc、＋Vdc/2、0、－Vdc/2、－ Vdc 五個(gè)電平。其中（Q11，Q13）互鎖、（Q12，Q14）互鎖，直流環(huán)節(jié)則是由兩個(gè)相同的電容串聯(lián)而成。其中O代表直流側(cè)的中點(diǎn)，與整流器、逆變器各相鉗位二極管的中點(diǎn)連接。

2 變頻器主回路的設(shè)計(jì)與仿真

基于三電平變流器1140V變頻器的主回路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)其優(yōu)點(diǎn)是在三電平變流器中，主電路中的每一個(gè)開(kāi)關(guān)器件僅承受整個(gè)電路一般的直流側(cè)電壓，因此可以很輕易地實(shí)現(xiàn)高電壓、大容量的電力輸出。而且三電平變流器的主回路結(jié)構(gòu)環(huán)節(jié)相對(duì)簡(jiǎn)單，雖然為電壓源型結(jié)構(gòu)，但是能夠?qū)崿F(xiàn)能量反饋。此外，三電平變流器在1140V變頻器上的應(yīng)用不僅能夠提高變頻器電壓輸出的穩(wěn)定性，而且還能有效地節(jié)約能耗，為企業(yè)帶來(lái)更大的經(jīng)濟(jì)效益以及社會(huì)效益。

本文研究的1140V變頻器的主回路采用的是三電平型變流器的結(jié)構(gòu)形式，即使用鉗位電路，解決兩只功率期間的串聯(lián)問(wèn)題，使相電壓輸出具有三個(gè)電平。以下就對(duì)基于三電平變流器的1140V變頻器主回路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真進(jìn)行深入分析：

2.1 絕緣柵雙極型晶體管的設(shè)計(jì)

基于三電平變流器的1140V變頻器主回路設(shè)計(jì)包括絕緣柵雙極型晶體管IGBT、鉗位二極管以及直流電容的設(shè)計(jì)。其中常見(jiàn)絕緣柵雙極型晶體管的電壓等級(jí)有1200 V、1700 V以及2500 V，因此在選取的過(guò)程中需要根據(jù)變頻器的實(shí)際使用情況而定，其輸入線的電壓大小為（1140±0.1）V。絕緣柵雙極型晶體管承受電壓值的大小為直流側(cè)母線電壓的1/2，其門極管斷電電壓值（VCES）的計(jì)算公式為：

公式中α表示安全系數(shù)，Vdc表示直流母線電壓，ΔVmax表示三相整流器直流側(cè)電壓的最大動(dòng)態(tài)壓降。

2.2 電容器設(shè)計(jì)

1140V變頻器主回路的電容器設(shè)計(jì)需要著重考慮電容器的容量以及耐壓值的大小。在基于三電平變流器的1140V變頻器的電容容量（CP）的計(jì)算公式為：CP≥4／3π3·INTS／ΔVP

公式中IN表示三電平變頻器在額定負(fù)載的情況下相電流的有效值，表示TS相電流的采用周期，ΔVP表示電容在采樣周期內(nèi)的最大波動(dòng)值。三相電平變頻器的耐壓值大小為UC＞Vdc（1＋10%）×1.2=2340V。

2.3 輸入整流電抗器的設(shè)計(jì)

基于三電平變流器的1140V變頻器的輸入整流電抗器在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮電流響應(yīng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能。根據(jù)1140V變頻器整流器工作環(huán)境的需要，在計(jì)算出直流側(cè)母線的電壓值后，可以根據(jù)以下公式計(jì)算出輸入整流電抗器的電抗值大?。?/p>

公式中em表示電網(wǎng)相電壓峰值，Im表示交流側(cè)相電流峰值，Vm表示交流側(cè)相電壓矢量，M表示相電壓的利用率，ω表示電源電壓角頻率。值得注意的是，在設(shè)計(jì)輸入整流電抗器的過(guò)程中，還應(yīng)該注意瞬態(tài)，即不用考慮各種參數(shù)隨時(shí)間的變化的情況下對(duì)電流跟蹤以及抑制電流諧波的具體要求?；谌娖阶兞髌鞯?140V變頻器的電阻設(shè)計(jì)必須要能夠限制直流側(cè)電容的充電電流，最大允許范圍的計(jì)算公式為：

公式中的R表示充電電阻，通常情況下選擇電阻值為200Ω的鋁殼電阻。

2.4 采樣傳感器的設(shè)計(jì)

基于三電平變流器的1140V變頻器要想獲得穩(wěn)定的輸出，就必須擁有反饋控制系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)中主要是通過(guò)采樣傳感器對(duì)變頻器系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行采樣分析并且進(jìn)行信息反饋。采樣傳感器的設(shè)計(jì)需要綜合考慮系統(tǒng)內(nèi)的各個(gè)采樣數(shù)據(jù)，主要包括輸入三相交流電壓和電流、直流側(cè)的兩個(gè)電容器電壓以及輸出三相交流電流等數(shù)據(jù)。通過(guò)三相隔離變壓器以及交流電壓和電流通用互感器對(duì)輸入三相交流電壓的數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，三相隔離變壓器的電壓值為4500V，功率為200W，交流電壓和電流通用互感器的抗電強(qiáng)度為3000V/min，絕緣電阻常態(tài)要大于1000MΩ，額定電流為6mA，輸出電壓小于1.2V。使用霍爾電流傳感器對(duì)1140V變頻器的輸入端的三相交流電流進(jìn)行采樣，霍爾電流傳感器的電流轉(zhuǎn)換率為1∶1000，額定電流的有效值為50A，測(cè)量電流值的區(qū)間為0～±70A，傳感器的供電電壓取值范圍應(yīng)該控制在±12～±15V，線性度小于0.2%。然后可以通過(guò)霍爾電壓傳感器對(duì)三電平1140V變頻器的直流側(cè)電壓進(jìn)行采樣分析，霍爾電壓傳感器的電流轉(zhuǎn)換率為2500∶1000，額定電流的有效值為25mA，傳感器的供電電壓值大小為±5V，電流有效值為10mA，檢測(cè)范圍在0～±14mA區(qū)間之內(nèi)。

此外，控制電路設(shè)計(jì)是三電平1140V變頻器主回路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。變頻器具有過(guò)電流、過(guò)電壓、欠電壓、接地、過(guò)熱、過(guò)載以及缺相等自我保護(hù)功能對(duì)電機(jī)能夠起到很好的保護(hù)作用。但是在變頻器與電網(wǎng)的接入端需要進(jìn)行合理的電路設(shè)計(jì)，以防止高電壓對(duì)變頻器造成的損傷。

3 變頻器主回路設(shè)計(jì)的仿真結(jié)果分析

計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)在圖形設(shè)計(jì)以及仿真計(jì)算中所發(fā)揮出的作用越來(lái)越大，在基于三電平變流器的1140V變頻器主回路設(shè)計(jì)的過(guò)程中，運(yùn)用圖像建模的形式可以更加直觀。簡(jiǎn)明的反應(yīng)出設(shè)計(jì)模型的信息。本文主要使用的是MATLAB專業(yè)軟件，作為一種專業(yè)的機(jī)械設(shè)計(jì)類軟件，它具有元件設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)選擇、設(shè)計(jì)庫(kù)的運(yùn)用、色彩渲染和動(dòng)畫模擬以及有限元分析等更加全面的基礎(chǔ)模塊，不僅在功能是能夠表現(xiàn)出強(qiáng)大的優(yōu)越性，而且在圖像處理方面還具有一般二維軟件所無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。仿真分析的三電平1140V變頻器輸出相電壓、輸出線電壓以及輸出相電流的波形。

圖4 三電平1140V變頻器輸出相電流波形圖

基于三電平變流器的1140V變頻器輸出相電壓波形的周期為20ms，頻率為50Hz。三電平變頻器輸出線電壓波形為五階梯波形，圖4中三電平變頻器輸出相電流波形更加接近于正弦波相。而輸出相電壓波形與輸出相電流波形在結(jié)構(gòu)上存在一定的角度差，主要是由于感性負(fù)載造成的（由于感性負(fù)載在接通電源或者斷開(kāi)電源的一瞬間，會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)電壓，這種電壓的峰值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于車載交流供電器所能承受的電壓值，容易引發(fā)逆變器的瞬時(shí)超載）。根據(jù)圖像分析，總體上基于三電平變流器的1140V變頻器的主回路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了耐高壓、諧波小以及功率大的特點(diǎn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，隨著電氣工程以及電子技術(shù)的快速發(fā)展以及變頻器技術(shù)的日趨成熟，使得變頻器的研究進(jìn)入了一個(gè)新的高度。本文著重研究了基于三電平變流器的1140V變頻器主回路設(shè)計(jì)與仿真分析。首先介紹了變頻器的結(jié)構(gòu)特定以及工作原理，并且對(duì)三電平變流器變頻器主回路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及設(shè)計(jì)進(jìn)行相信說(shuō)明。然后通過(guò)MATLAB進(jìn)行仿真分析，對(duì)變頻器的主回路設(shè)計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了三電平變頻器耐高壓、諧波小以及功率大的優(yōu)點(diǎn)為日后關(guān)于變頻器主回路的設(shè)計(jì)與研究提供可靠的理論依據(jù)。

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