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大功率諧振過(guò)渡軟開(kāi)關(guān)技術(shù)變頻器研究（1） |
| 作者：輕輕紅過(guò) 欄目：電源技術(shù) |
明正峰1，倪光正1，黃曉東2，周文云2，鐘彥儒2，童建利3 (1浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，浙江 杭州 310027） (2西安理工大學(xué)，陜西 西安 710048） (3西安春日電氣有限公司，陜西 西安 710075） 摘要：對(duì)傳統(tǒng)硬開(kāi)關(guān)技術(shù)大功率變頻器的特點(diǎn)，目前大功率變頻器研究中存在的問(wèn)題，大功率諧振過(guò)渡軟開(kāi)關(guān)變頻器的研究目標(biāo)，降低功率器件開(kāi)關(guān)損耗的途徑，軟開(kāi)關(guān)技術(shù)變頻器擬實(shí)現(xiàn)的有關(guān)性能指標(biāo)等方面的問(wèn)題進(jìn)行了概述。 關(guān)鍵詞：大功率變頻器；諧振過(guò)渡；軟開(kāi)關(guān) 在電力傳動(dòng)領(lǐng)域里，隨著電力電子技術(shù)的不斷完善和工業(yè)領(lǐng)域?qū)Υ蠊β剩哔|(zhì)量變頻器日益迫切的需求，大功率變頻裝置的研究成為科研、開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)，也是電力電子變換技術(shù)在電力驅(qū)動(dòng)方面科研成果轉(zhuǎn)化的重點(diǎn)之一。 1 大功率變頻器的特點(diǎn) 對(duì)于傳統(tǒng)的硬開(kāi)關(guān)技術(shù)變頻器，由于功率器件的發(fā)展，已經(jīng)形成了比較成熟的電路和控制方法。但對(duì)于大功率變頻裝置來(lái)說(shuō)，有著它自己的特點(diǎn)。 1）主電路功率器件上的電流大 如果不考慮高電壓的問(wèn)題，大功率變頻裝置的輸入電壓和輸出電壓額定值通常為三相交流380V的電壓，與小功率的一樣，但由于功率較大，所以主電路中的電流很大，可達(dá)到數(shù)十A到數(shù)百A，這就給電路拓?fù)涞倪x擇、電路元器件的設(shè)計(jì)和制造帶來(lái)了很多特殊問(wèn)題。諸如直流母線的設(shè)計(jì)、吸收電路的設(shè)計(jì)等。 2）電路的耗散功率大，散熱問(wèn)題嚴(yán)重 由于變頻器功率很大，相對(duì)來(lái)說(shuō)，電路損耗的絕對(duì)值很大，因此，變頻器的熱設(shè)計(jì)變得十分重要。如何降低發(fā)熱量，改善散熱條件，降低熱阻是需要認(rèn)真對(duì)待的問(wèn)題。通常情況下需要采用強(qiáng)制風(fēng)冷的措施。 3）可靠性要求高，需要完善的自保護(hù)和負(fù)載保護(hù)功能 由于大功率變頻器主電路元器件的成本較高，而且負(fù)載電機(jī)的制造成本也很高，一旦出現(xiàn)故障影響很大，因此，對(duì)可靠性的要求很高。一般情況下，在提高變頻器可靠性的措施中，一方面在于設(shè)計(jì)中留有足夠的裕量和制造過(guò)程中的嚴(yán)格把關(guān)，另一方面需要在設(shè)計(jì)中考慮到各種故障可能，并采用相應(yīng)的保護(hù)措施，避免危及變頻器本身及負(fù)載電機(jī)的安全。對(duì)變頻器本身的保護(hù)內(nèi)容包括輸入過(guò)壓、輸入欠壓，系統(tǒng)過(guò)熱，系統(tǒng)過(guò)流等；對(duì)負(fù)載電機(jī)的保護(hù)包括輸出過(guò)壓，輸出欠壓，輸出過(guò)流等。 4）控制功能的不斷增加 所有控制方法的最終目的應(yīng)該是保證負(fù)載電機(jī)按設(shè)定轉(zhuǎn)速，設(shè)定轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，有速度傳感器的PID調(diào)節(jié)，矢量控制，直接轉(zhuǎn)矩控制以及現(xiàn)代控制理論（自適應(yīng)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等）的應(yīng)用。還有涉及到變頻器本身的死區(qū)補(bǔ)償，空間矢量調(diào)制等細(xì)節(jié)性的算法等。 2 目前大功率變頻器的研究特點(diǎn) 雖然目前傳統(tǒng)硬開(kāi)關(guān)技術(shù)大功率變頻裝置的設(shè)計(jì)和制造已經(jīng)能夠滿足一般的工業(yè)生產(chǎn)中電力驅(qū)動(dòng)的要求，但也還存在著許多需要探索的地方。 1）開(kāi)關(guān)頻率的提高 很久以來(lái)，人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，如果能將變頻器中功率器件的開(kāi)關(guān)頻率在原有基礎(chǔ)上進(jìn)一步大大提高，將會(huì)帶來(lái)一系列好處。如輸出波形中的低次諧波被更有效地抑制，輸出電壓和電流將更趨于正弦波形，濾波器的尺寸將大大縮小等，變頻器，特別是大功率的變頻器，功率密度和性能將會(huì)得到很大的改善。 2）開(kāi)關(guān)損耗的減少 由于大功率變頻器功率器件開(kāi)關(guān)過(guò)程損耗的絕對(duì)值很大，當(dāng)需要提高開(kāi)關(guān)頻率時(shí)，這種開(kāi)關(guān)損耗將會(huì)更加明顯，所以，大部分的大功率變頻器中功率器件的開(kāi)關(guān)頻率都在幾個(gè)kHz。在某些特殊用途的變頻裝置里，要求輸出頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)工頻，達(dá)到幾個(gè)kHz（2kHz～5kHz），此時(shí)的開(kāi)關(guān)頻率必須達(dá)到幾十kHz，所以，在變頻裝置中如何減少開(kāi)關(guān)頻率提高時(shí)的開(kāi)關(guān)損耗，也是一個(gè)迫切需要解決的問(wèn)題。 3）吸收電路的改善 一般情況下，三相變頻器中需要6個(gè)大功率開(kāi)關(guān)器件，在傳統(tǒng)的強(qiáng)迫換流（硬開(kāi)關(guān)）條件下，和小功率變頻器不同，每一個(gè)開(kāi)關(guān)器件或者一個(gè)逆變橋臂上都需要一個(gè)吸收電路，此時(shí)的吸收電路需要較大電阻、電容和二極管，這不但增大了整個(gè)裝置體積和安裝難度，而且不能節(jié)約能源。如何能夠省掉吸收電路，又能保護(hù)功率器件的安全運(yùn)行，也是人們所關(guān)注的。 4）變頻器體積的縮小 隨著功率器件制造技術(shù)的發(fā)展，在大功率變頻器中，為功率器件散熱而設(shè)計(jì)的散熱器要占很大的體積，從而使得大功率變頻器的體積比較大。對(duì)于一些特殊的應(yīng)用場(chǎng)合，比如電動(dòng)汽車，電力機(jī)車等，要求變頻器功率大，體積小。這就需要解決減小散熱器體積的問(wèn)題。 3 大功率軟開(kāi)關(guān)變頻器的研究目標(biāo) 在有關(guān)的文獻(xiàn)中，對(duì)三相變頻器在電力傳動(dòng)方面期望實(shí)現(xiàn)的有關(guān)性能指標(biāo)進(jìn)行了描述。 1）電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)效率大于98％，在10％額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)效率大于80％ 對(duì)于傳統(tǒng)的硬開(kāi)關(guān)變頻器來(lái)說(shuō)，當(dāng)功率器件為絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）時(shí)，影響效率的主要因素中，必須考慮的兩個(gè)最重要的功耗來(lái)源，就是導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗。軟開(kāi)關(guān)技術(shù)可以消除功率器件的開(kāi)關(guān)損耗，所以，可以使變頻器的運(yùn)行效率達(dá)到最大值。電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，變頻器的輸出功率最大，故其效率達(dá)到最高，電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，輸出功率較小，而變頻器中開(kāi)關(guān)損耗的變化不大，故其效率低。 2）制造成本<US＄10元/kW 相對(duì)于傳統(tǒng)的硬開(kāi)關(guān)技術(shù)變頻器，軟開(kāi)關(guān)技術(shù)變頻器由于要額外地增加輔助的諧振電感和用來(lái)控制諧振發(fā)生和終止的輔助開(kāi)關(guān)（功率器件）以及相關(guān)的控制電路，但是，對(duì)于大功率的變頻器，還可以省掉一些元器件（比如每個(gè)橋臂上原有的吸收電路及有關(guān)的輸出濾波裝置等）。另外，隨著電力電子器件設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的發(fā)展，電力電子器件的價(jià)格也越來(lái)越低，所以，對(duì)于整個(gè)軟開(kāi)關(guān)技術(shù)變頻器來(lái)說(shuō)，其制造成本不會(huì)有明顯的增加。 3）功率密度>100kW/ft3(3.53W/cm3) 軟開(kāi)關(guān)技術(shù)變頻器優(yōu)良特性的最大體現(xiàn)，一是功率器件的開(kāi)關(guān)頻率可以大幅度提高，二是開(kāi)關(guān)損耗的大幅度降低。這就意味著功率器件在工作時(shí)本身的散熱量會(huì)大幅度降低，為功率開(kāi)關(guān)而設(shè)計(jì)的散熱器尺寸會(huì)大大減小，這樣，功率密度肯定會(huì)大大提高。當(dāng)然，輔助諧振網(wǎng)絡(luò)和控制電路的安裝要增大尺寸，但是，輔助開(kāi)關(guān)器件的尺寸只有主開(kāi)關(guān)器件的幾分之一，相對(duì)于傳統(tǒng)的無(wú)源吸收器電路（二極管＋電容＋大電阻），諧振吸收器電路（開(kāi)關(guān)＋電容＋小電感）明顯縮小了。 4）dv/dt<1kV/μs 功率器件上并接的吸收電容能夠大大減小功率器件關(guān)斷時(shí)的dv/dt，但它并不能消除dv/dt，相對(duì)于傳統(tǒng)的硬開(kāi)關(guān)，1kV/μs的電壓變化率已經(jīng)是一個(gè)不錯(cuò)的指標(biāo)了。 5）開(kāi)關(guān)頻率>20kHz 功率器件的開(kāi)關(guān)頻率指標(biāo)定為20kHz以上，是考慮到音頻信號(hào)的頻率在18kHz以下，當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率大于18kHz以后，將不會(huì)產(chǎn)生音頻噪音。 6）可靠性在電機(jī)壽命之內(nèi)沒(méi)有問(wèn)題變頻器的可靠性取決于兩個(gè)方面，一是裝置所用元器件的使用壽命，二是電路設(shè)計(jì)的合理性（主要包括工作原理和保護(hù)設(shè)計(jì)的合理性）。 7）EMI零電磁輻射不產(chǎn)生干擾電磁兼容性是近年來(lái)電力電子設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)備受關(guān)注的問(wèn)題。變頻器的大量使用，帶來(lái)了相互干擾的問(wèn)題，有時(shí)可能導(dǎo)致致命的后果。電磁兼容性（Electromagnetic Compatibility－EMC）包含兩個(gè)方面的內(nèi)容，即電磁敏感性（Electromagnetic Susceptibility－EMS）和電磁干擾（Electromagnetic Interference－EMI），分別表示變頻器抵抗外來(lái)干擾的能力和自身產(chǎn)生的干擾強(qiáng)度。針對(duì)電磁兼容性的國(guó)際和國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)很多，有些要求設(shè)備能夠抵抗一定形式和強(qiáng)度的干擾，另一些要求設(shè)備產(chǎn)生的干擾強(qiáng)度不能超過(guò)一定值。一個(gè)EMC合格的產(chǎn)品應(yīng)該能夠同時(shí)滿足這兩方面的要求。 變頻器是一種能夠產(chǎn)生較強(qiáng)寬頻帶電磁信號(hào)的設(shè)備，很有可能對(duì)其周邊設(shè)備造成干擾。同時(shí)它又是一種比較容易受到干擾的設(shè)備，多數(shù)電子設(shè)備在受到干擾時(shí)僅表現(xiàn)為性能的劣化，而變頻器，特別是大功率的變頻器則不同，一定形式和程度的干擾甚至有可能造成變頻器本身的嚴(yán)重?fù)p壞。因此，其電磁兼容性更應(yīng)該引起充分重視。 4 降低功率器件開(kāi)關(guān)損耗的途徑 傳統(tǒng)的硬開(kāi)關(guān)技術(shù)變頻器在開(kāi)關(guān)切換期間存在著一些問(wèn)題，圖1給出了現(xiàn)在常用的系統(tǒng)構(gòu)成。圖2給出了感性負(fù)載下，三相逆變器中U相橋臂功率器件在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)典型的電流和電壓工作波形。 圖1 用于驅(qū)動(dòng)三相交流電機(jī)的電壓源三相逆變器系統(tǒng)一般構(gòu)成 圖2 一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)功率開(kāi)關(guān)器件和反并聯(lián)二極管上的電流和電壓波形 對(duì)于由兩個(gè)功率開(kāi)關(guān)S1和S4構(gòu)成的一個(gè)逆變橋臂（S1在上，S4在下）來(lái)說(shuō)，當(dāng)S4開(kāi)通時(shí)，通過(guò)感性負(fù)載的電流將開(kāi)始增加。當(dāng)S4被關(guān)斷時(shí)，感性負(fù)載中的電流不可能立刻發(fā)生變化，它必須通過(guò)S1上的反并聯(lián)二極管D1進(jìn)行續(xù)流。 假設(shè)初始電流流過(guò)二極管D1，當(dāng)S4開(kāi)通時(shí)，負(fù)載電流 |
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