基于多重化整流的变频器研制.docxVIP

摘?要：

为满足大功率试验系统的应用需求，开展基于多重化整流的变频器研制。在分析变频器总体原理的基础上，阐述了多重化整流器的原理，重点研究了三电平逆变器控制系统，最后通过半实物仿真试验验证了三电平控制算法和控制系统的可行性，变频器系统实现逆变输出，初步完成变频器的研制。

关键词：

整流器；逆变器；半实物仿真

中图分类号：TM921.51

1?电厂概况

变频器主要由整流器和逆变器组成，通过整流器将电网的工频交流电变换成直流电，经过逆变器将直流电变换成一定频率的交流电，然后驱动电机系统。

为了满足大功率试验系统的进一步需求，开展基于多重化整流的SVPWM（空间矢量脉宽调制）逆变技术的研究。整流部分采用输入电路失真度较低的多重化变压器，减小变频器对电网的谐波污染；逆变部分采用SVPWM技术的逆变器。变频器能够减少电网谐波影响，满足调频范围大、调频精度高等要求，更加适用于大功率试验系统。

1??变频器总体原理分析

变频器为交-直-交电压型变频电源，本文所述变频器主电路原理图如图1所示，主要包括：主回路预充电控制、整流组件、逆变组件、LC低通滤波器以及控制系统。其中变频器整流前端采用多重化整流器，将电网交流电压变换为直流电压，经平波电抗器以及电解电容稳压后，再经逆变器和LC滤波器，实现变频器调频调幅。

逆变器采用三电平逆变技术，开关管承受的电压应力小，功率器件温升小，可产生多阶梯输出电压，谐波含量小，效率高，改善输入电网质量的同时，可在直流电压非恒定情况下保障连续升降调速过程中电压的平稳输出及频率的精确调节。LC低通滤波器能使变频器在额定工况下实现高效率正弦电压输出。控制系统由DSP和触摸显示屏组成，在实现各项控制功能的同时进行变频器与切换柜的控制联络及变频器与监控系统的数字化通信。

2?多重化整流技术

多重化整流技术是由整流变压器采用三分裂形式实现。整流变压器铁芯的选择与电压有关，而导线的粗细直接与发热量有关，变压器的容量只与发热量有关。变压器容量的选择一般从电压、电流及环境条件几个方面考虑，综合而言，应使变压器承受的用电负荷为其额定容量的75%～90%。

变压器设计的基本问题是磁通和电流密度。对于磁通，电磁学的基本关系式如下：

式中：U为电压；f为频率；w为线圈的匝数；Φ为磁通量。

变压器的铁芯一般为三相柱形，铁芯的截面积按照公式可以确定，铁芯窗口大小要把线圈考虑进去。

对于18脉波整流变换，整流变压器绕组采用曲折接线实现，各整流单元并联，共同向负载供电。只要满足m组6脉波整流交流侧的电压u（n）（n=1，2，3，…，m）依次移相α=60（°）/m，即可得到p=6m脉波的多相整流。对于18脉波移相，理论上不含有17、19次及以下谐波，因此很好地减少了低次谐波环流的影响。故采用18脉波整流变压器可以很好地实现整流，满足变频器要求[1]。

3?三电平逆变技术研究

逆变器把直流电压变换成三相交流输出电压，输出频率及输出电压可调。本文所述逆变器采用SVPWM控制。控制器采用瞬时值单环控制策略，实时调整正弦波控制的脉冲宽度来调节三相输出电压[2]。

逆变平台拟采用二极管箝位型三电平逆变器，原理图如图2所示，其中直流电源DC采用多重化整流变压器实现。逆变器主电路采用三相桥式结构，交流侧采用三相对称的无中线连接方式，三相全桥电路由12个功率开关管IGBT反并联续流二级管、箝位二极管、滤波电感L及滤波电容C构成。

如图3所示，三电平逆变试验平台的控制系统硬件电路包括六个部分：DSP控制芯片、模拟量采集电路、故障检测与保护电路、通信接口电路、PWM驱动脉冲电平变换电路、I/O接口电路等。

各部分功能如下：

1）DSP：是整个控制系统的核心，完成逆变器数字化控制，包括电压反馈PI控制、三电平SVPWM算法、中点电位平衡控制及各功能实现等。

2）模拟量采集电路：逆变器交流输出电压、电流经差分电路变换为DSP可采集的实时信号。

3）PWM驱动脉冲电平变换电路：将DSP实时计算生成的3.3V的PWM脉冲转换为IGBT需要的+15V驱动脉冲，并进行滤波。

4）故障检测与保护电路：故障检测与保护电路检测IGBT过压过流并实现对IGBT的保护，同时实现逆变器急停保护。

5）通信接口电路：实现DSP与上位机的通信。

6）I/O接口电路：逆变器所有数字开关量包括启停、急停、停电自启、电压微调、保护等。经过I/O接口电路实现光电隔离，变换为DSP所需3.3V数字信号。

4?半实物仿真试验及结果分析

采用半实物仿真方法进行三电平逆变器试验，主要进行虚拟主回路半实物仿真试验。根据三电平SVPWM控制算法编写DSP程序加载到主控板中，将NPC逆变器主回路模型加载到半实物仿真器（RTBox）中模拟主回路，主控板与RTBox相结合进行虚拟主回路半实物仿真试验，