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1、硕士学位论文单元串联式高压变频器直接磁场定向矢量控制系统的研究Research on Sensorless Vector Control System of Induction Motor for High-Power Cell-Cascaded InverterA thesis submitted toXian Jiaotong Universityin partial fulfillment of the requirementfor the degree ofMaster of Engineering ScienceByYueping Zhang (Control Theory and
2、Control Engineering)Supervisor: Associate Prof. Chuanwen Shen June. 2009（学位论文原创性声明与版权使用授权书）学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有
3、关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名： 日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日论文题目： 串联式高压变频器直接磁场定向矢量控制系统的研究学科专业： 控制理论与控制工程申 请 人： 指导教师： 摘 要本文针对高压变频调速系统，从高压变频器现状和趋势出发，分析了目前几种高压变频器的调制策略和拓扑结构的优、缺点，并给出了目前国内最常用高压变频器的优势所在。在高压变频器的串联拓扑和水平SPWM调制方法的基础
4、上，对串联式高压变频器无速度传感器矢量控制系统进行了深入的研究。即无速度传感器矢量控制中的速度辨识和磁通观测，及上电参数自检测。磁通观测中，首先列举了电压、电流磁通观测模型和有限补偿后的电压模型磁通观测模型，并依次给出了三种模型的优、缺点，并给出选择有限补偿电压模型的依据。速度辨识中，分析了直接计算法和模型参考自适应法的优、缺点，并对模型参考自适应法的纯积分进行改进。纯积分的积分漂移，是制约模型参考自适应(MRAS)在无速度传感器矢量控制应用的一个难点。本文提出了用一个一阶低通环节和一阶高通环节组成一个闭环代替纯积分环节，仿真结果证明了该方案的可行性。本文对串联式无速度传感器矢量控制系统的设计
5、原理进行了详细地分析，同时利用MATLAB7.0/SIMULINK建立了感应电机的无速度传感器矢量控制仿真平台，并得到了良好的仿真波形。在上述理论分析、仿真研究的基础上，本文以TI公司的DSP TMS320LF2812数字信号处理器和ALTERA公司的CYCLONEII系列FPGA做平台，组成了全数字化控制器，并在一台5kW感应电机上进行了实验研究，实验结果验证了上面算法的正确性和可行性。关 键 词: 单元串联表示非汉语主题词；变频器；无速度传感器*；矢量控制；模型参考自适应*；论文类型: 应用研究Title: Research on Sensorless Vector Control Sys
6、tem of Induction Motor for High-Power Cell-Cascaded InverterSpeciality: Control Theory and Control EngineeringApplicant: Yueping ZhangSupervisor: Associate. Prof. Chuanwen ShenABSTRACTFrom the status and trends of high-power motor adjustable-speed drive systems, the paper do some analysis of the cur
7、rent high-voltage inverter modulation strategies and topologies of advantages and disadvantages, and gives the most commonly used the advantages of high-voltage inverter . Based on the topology and the SPWM modulation method,the paper have an in-depth research high-voltage inverter cascade speed sen
8、sorless vector control system. These are speed identification and the rotor flux estimation. In the flux observation, the paper list some flux observation models, and analyse the advantages and disadvantages of these models. In the speed identification,the paper introduce two scheme,which are direct
9、 calculation and model reference adaptive system(MRAS).And the analysis,about the advantages and disadvantages of those identification,is given by detailed proof. Drift in the integral integrals is a key for accuracy in model reference adaptive system(MRAS).This paper instead a pure integral, with a
10、 closed-loop negative feedback,which include one first-order low-pass and one first-order high-pass,and a very good simulation results show the feasibility of the program. The design of sensorless vector control system was analyzed in detail, and we build the platform of High-Power Cell-Cascaded Inv
11、erter using MATLAB/SIMULINK. while the simulation gets a good vector control results. On the basis of the above theory and simulation,we build the hardware platform of the High-Power Cell-Cascaded Inverter, which include TIs DSP TMS320LF2812 and CYCLONEII Series of ALTERA companies.This platform mak
12、e up the all-digital controller, and experiments are got in a 5kW induction motor.And the experimental results verify the feasibility of the above algorithm.KEY WORDS: Cell-Cascaded; Converter; Sensorless; Vector ControlTYPE OF THESIS: Application Research目 录1 绪论11.1 研制高压变频器意义11.2 高压变频器的发展现状和趋势21.3
13、课题来源和本文主要内容62 串联高压变频器结构及控制策略72.1 串联高压变频器拓扑结构72.2 串联高压变频器的组成92.2.1移相变压器102.2.2功率单元112.2.3串联输出112.3 串联高压变频器的PWM控制方法132.4 小结153 串联高压变频器无速度传感器电机参数检测、转速辨识和磁通观测方案研究163.1 无速度传感器矢量控制的转速辨识163.1.1动态速度估测器173.1.2基于扩展卡尔曼滤波器的转速辨识(EKF)183.1.3基于模型参考自适应(MRAS)的转速辨识183.1.4基于PI自适应法的速度辨识213.1.5对于模型参考自适应(MRAS)速度辨识的改进213.
14、2 无速度传感器矢量控制的转子磁通观测233.2.1电流模型转子磁通观测器233.2.2电压模型转子磁通观测器243.2.3电压模型观测转子磁通存在问题分析及改进243.3 电机参数自检测的研究273.4 小结294 串联高压变频器控制系统设计与仿真研究304.1 感应电机矢量控制的数学模型与坐标变换304.2 基于转子磁场定向矢量控制基本策略334.3 无速度传感器矢量控制系统原理设计354.4 感应电机无速度传感器矢量控制系统控制原理374.5 串联高压变频器无速度传感器矢量仿真研究384.5.1仿真框架394.5.2仿真结果434.6 小结485 串联高压变频器实验系统研制495.1 实
15、验系统组成495.2 系统硬件设计515.2.1控制电路硬件设计515.2.2检测电路设计545.2.3功率单元设计555.3 系统软件设计575.4 小结596 实验结果与分析606.1 硬件平台606.2 实验结果636.3 小结647 结论与展望657.1 结论657.2 存在的不足与今后工作展望65参考文献67致 谢69声 明CONTENTS1 Preface11.1 Significance of the development of High-voltage inverter11.2 Status and trends of High-voltage inverter21.3 Ma
16、in subject of the source and content of this article62 Topology and Control strategies of High-voltage inverter72.1 Topology of High-voltage inverter72.2 Composed of High-voltage inverter92.2.1 Phase-shifting transformer102.2.2 Cell112.2.3 Output of concatenation112.3 High-voltage inverter PWM contr
17、ol method132.4 Summary153 Research on motor parameters, speed identification and rotor flux observer163.1 Speed Identification of Sensorless Vector Control System163.1.1 Dynamic Speed Estimation173.1.2 Speed Estimation Using the Extended Kalman Filter(EKF)183.1.3 Speed Estimation Based MRAS183.1.4 S
18、peed Estimation Based PI control213.1.5 Improvement on model reference adaptive system213.2 Rotor Flux Observer of Sensorless Vector Control System233.2.1 Current Model Flux Observer233.2.2 Voltage Model Flux Observer243.2.3 Voltage model rotor flux observation analysis and improvement of problems24
19、3.3 Study of detection of the motor parameters273.4 Summary294 Design and Simulation of Sesorless Vector Control System304.1 Vector Control and Coordinate Transform of Induction Motor304.2 Design of Rotor Flux Oriented Vector Control System334.3 Design principle of speed sensorless vector control sy
20、stem354.4 Control Principle of the Whole System374.5 Simulation of Vector Control in Cell- Cascaded System384.5.1 Overall Framework394.5.2 Simulation Results434.6 Summary485 Design of Experimental System of Cell- Cascaded Inverter495.1 A Overall Intruduction of Experimental System495.2 Design of Sys
21、tems Hardware515.2.1 Design of Control Circuit515.2.2 Design of Analog Signal Measurement Circuit545.2.3 Design of Cell Control and Drive Circuit555.3 Design of Systems Software575.4 Summary596 Platfom and Experiments606.1 Hardware Platfom606.2 Results of the Experiments636.3 Summary647 Conclusions
22、and Prospect657.1 Conclusions657.2 Shortcomings and Prospect65References67Acknowledgements69Declaration1 绪论1.1 研制高压变频器意义目前，我国发电总量已达到39225亿，但其 65%是被各类传动电机做功所消耗。在工业领域，钢铁工业的轧钢机，石油化工生产用的压缩机，电力工业给水泵，引风机以及城市自来水厂的供水厂的供水泵等驱动电动机都缺少调速手段，每天浪费大量的电能。我国电机效率低于世界平均水平的10%20%。如果全国普遍采用调速技术，达到发达国家目前的电机平均能耗水平，则每年可省电4000
23、 亿，相当于我国三峡电站竣工后年发电总量876亿的4.5倍。目前，常规电压和中小功率(200kW)的风机和水泵应用变频调速传动技术已经成熟，取得了很好效果，这类变频器已经产业化。而200kW以上的大中功率传动系统占市场70%以上，节电潜力巨大。我国现有的交流电动机200kW以下是低压380V，200kW以上电机电压等级多为6kV 和10kV。由于受功率器件耐压水平和载流能力的限制，传统两电平逆变器的变换装置难以满足高压大功率电能变换的要求1。高压变频器除了应具备通用变频器所具有的各项技术性能之外，由于功率较大的缘故，在低压小功率变频器中并不是重要问题，在这里却显得很重要，而作为评价变频器的重要
24、内容2。1） 与电网电压的关系由于变频器功率较大，其功率可能占到电网容量的相当大的一部分，因此其开、停机和运行可能对电网电压造成影响。一方面要求对电网供电线路进行合理的设计，另一方面也希望变频器对电网电压的波动范围的容忍度大一些。2） 谐波对电网的影响同样因为大功率的关系，其谐波畸变必须控制在标准规定的范围内，不应对电网中其它负载的正常工作造成影响。3） 输入功率因数和系统效率变频器的输入功率因数和效率将直接决定变频器使用的经济效益，效率低的系统还会带来散热等一系列麻烦。4） 输出谐波成分如果高压变频器输出的高次谐波成分过高，会造成电机过热，电机必须“降额”使用。此外，变频器输出的共模电压和等
25、，则会使电机绝缘受到“疲劳”损害，影响到电机使用寿命。因此，世界各著名高压变频器制造商都不断努力，在元器件、线路结构、控制模式等方面下功夫，使高压变频器的性能不断改进提高。但在国内做这方面工作的人很少。高压变频器的设计技术的落后已制约了我国交流变频调速技术的发展。因此，急需研制适合高压变频器。由于近年来国内、外电力半导体器件性能价格比的提高，采用三相异步电动机进行变频调速的经济效益日益显著。同时，此研究项目的推广将极大促进我国变频调速制造厂的技术改造及电机产品的更新换代，因而有极大的社会效益。但目前我国各电机厂普遍不具有变频交流调速系统的设计技术，特别是高压大功率变频器还不是很完善。在高压变频
26、交流调速系统中主要存在以下几个问题3：1） 变频器对电网的谐波污染；2） 谐波引起电动机的效率下降和温升提高；3） 谐波引起电磁噪音与振动；4） 低速时的冷却效果差；为了减小对电机的影响和冲击，提高整个调速系统性能和效率，我们需改进，设计和研发出与三相异步电动机相匹配的变频器，来提高整体系统性能和效率，以达到节能降耗，降低产品成本的目的。特别在中国加入世贸组织后，这对提高国内企业的市场竞争能力的有着重要的意义。1.2 高压变频器的发展现状和趋势随着电气传动技术，尤其是变频调速技术的发展，大容量传动的高压变频调速技术也得到了广泛的应用。根据高低压组成方式可分为直接高压型和高-低-高型，根据有无中
27、间直流环节来分，可以分为交交变频器和交直交变频器，在交直交变频器中，按中间直流环节所用储能元件的不同，可分为电压源型和电流源型。高-低-高型变频器实质上还是低压变频器，只不过从电网和电机两端来看是高压的，存在中间低压环节电流大，结构复杂，效率较低，可靠性下降等缺点。常规的交交变频器由于受到输出最高频率的限制，只用在一些低速、大容量的场合。下文将对目前使用较为广泛的几种直接高压交直交型变频器及其派生方案进行分析和比较， 指出各自的优缺点。评价高压变频调速技术的指标主要有：成本、可靠性、对电网的谐波污染、输入功率因数、输出谐波、共模电压、系统效率和是否能四象限运行等。目前，主流的高压变频器产品主要
28、有三种类型：1） 电流源型变频器2，4电流源型变频器如图1-1，其优点是能量可以回馈电网，系统可以实现四象限运行。由于存在大的平波电抗器和快速电流调节器，所以过电流保护比较容易。电源侧常采用三相桥式晶闸管整流电路，输入电流的谐波较大，为了降低谐波成分，可采取多重化，有时还必须加输入滤波装置。输入功率因数一般较低，且随转速的下降而降低，通常要附加功率因数补偿装置。另外，电流源型变频器还会产生较大的共模电压，当没有输入变压器时，共模电压会影响电机的绝缘。此类变频器的输出电流谐波较高，会引起电机的额外发热和转矩脉动，必要时也可采取输出12脉冲方案和设置输出滤波器。系统对电网电压波动较为敏感。由于驱动
29、功率、均压电路等固定损耗较大，系统效率会随着负载的降低而下降。 图1-1 电流源型变频器2） 三电平PWM电压源型变频器3，5三电平型变频器如图1-2，采用钳位电路，解决了两只功率器件的串联的问题，并使相电压输出具有三个电平。三电平逆变器的主回路结构环节少，虽然为电压源型结构，但易于实现能量回馈。 图1-2 三电平PWM电压源型变频器整流电路采用二极管， 逆变部分功率器件采用GTO、IGBT或IGCT。每个桥臂虽由4个功率器件串联，但是不存在同时导通或关断以及由此引起的动态均压问题。当器件耐压为6kV时，输出电压最高可达交流4160V。与普通的两电平PWM 变频器相比，由于输出相电压电平数增加
30、到3个，每个电平幅值下降，且提高了谐波消除算法的自由度，可使输出波形比两电平PWM 变频器有较大的提高，输出也有所减少。若输入也采用对称的PWM结构，可以做到系统功率因数可调，输入谐波也很低，且可四象限运行。为减少输出谐波和转矩脉动，希望有较高的开关频率，但这样会导致变频器损耗增加，效率下降，开关频率一般不超过2kHz。三电平变频器的输出若不设置滤波器，一般需要特殊电机，或使普通电机降额使用。三电平变频器在国内市场遇到的最大难题是电压问题，其最大输出电压达不到6KV，所以往往需要采用变通的方法，要么改变电机的电压，要么在输出侧加升压变压器。这一弱点限制了它的应用。3） 单元串联多电平PWM电压
31、源型变频器1，5采用若干个低压PWM变频功率单元串联的方式实现直接高压输出如图1-3，电网电压经过二次绕组多重化的隔离变压器降压后给功率单元供电，单相变频功率单元的输出端串联起来，实现变压变频的高压输出，直接供给高压电动机，单元串联的数量决定输出电压的等级。由于不是采用传统的器件串联来实现高压输出，所以不存在器件均压问题。以3kV变频器为例，每相由3个额定电压为570V的功率单元串联而成。变压器共有9个二次绕组，采用延边三角形接法，分为3种互差20度的绕组，形成18脉冲的二极管整流电路结构，总的输入谐波电流失真率可以降到很低，输入功率因数可达90%以上，因此不必采用输入滤波器和功率因数补偿装置
32、。 图1-3 单元串联式多电平PWM电压源型变频器逆变器采用多电平移相式PWM技术，同一相的功率单元输出相同的基波电压，但串联各单元的3对载波(每对含正反向信号)之间互差，实现多电平PWM，每个功率单元的IGBT开关频率为1kHz，每相3个功率单元串联时，等效的输出相电压开关频率为6kHz，且有7个不同的电平。功率单元采用低的开关频率可以降低开关损耗， 提高变频器效率。而高的等效输出开关频率和多电平则可大大改善输出波形，降低输出谐波、噪声、和转矩脉动。所以这种变频器可用于任何普通的高压电机， 且不必降额使用。虽然采用这种主电路拓扑结构会使器件的数量增加。但由于驱动功率下降， 开关频率较低，且不
33、必采用均压电路，使系统在效率方面仍具有较大的优势，一般可高达95%。由于采用模块化结构，所有功率单元可以互换，维修也比较方便。由于采用二极管整流电路，所以能量不能回馈电网，不能四象限运行，主要的应用领域为风机和水泵。单元串联型拓扑结构是最有发展前景的一种拓扑结构，也最受工业现场青睐。单元串联高压变频器具有多电平逆变器的诸多优点，除此之外，单元串联高压变频器还有自己独到的优点3：（1） 无需均衡电容电压二极管钳位型逆变器的多电平是由多个电容分压得到的，工作时需要保证电容电压稳定。而在串联型变频器中，各隔离直流电源在充放电上是完全解耦的，只要各直流电源容量足够，无需特别的均衡控制。（2） 结构上易
34、于模块化和扩展串联型变频器是一种松散的串联结构，每个H桥臂结构相同，易于模块化生产。逆变器拆卸和扩展都很方便，这是其他多电平变频器所不具有的。串联型变频器除具有多电平变频器共同的线电压冗余特性外，还具有相电压冗余特性。对于每相某一输出电压，存在多种串联单元的状态组合。各串联单元的工作是完全独立的，其输出只影响输出总电压，不会对其他串联单元造成影响。相电压冗余可用于均衡各单元的利用率。串联型变频器从原理上各器件的利用率可以达到一致。（3） 便于实现软开关技术通过对H桥加入谐振电感、电容，采用适当的控制策略比较容易实现软开关，从而可以去除缓冲电路，减少散热装置的体积。单元串联式多电平变频器的主电路
35、拓扑和总体控制策略已基本成熟，出于对可靠性、寿命、成本、控制性能等几方面的要求，在以下几个方面会有一定的发展3。（1） 故障诊断与容错控制高压变频器使用场合的重要性决定了其对可靠性有很高的要求。串联型逆变器由于采用了较多的电源和器件，发生故障的概率增大了。但和同等容量的单重逆变器相比，故障的危险性大大降低了，这是因为内部输出回路经过了多个开关器件，多个器件同时短路的可能性极小。而对于单个H桥而言，由于输入直流源的电压较低，H桥短路的危险性大大降低了。文献3分析了多单元变换器(Multicell Converter)的故障管理，得出故障危险性降低的结论，这一结论完全适用于串联型逆变器。（2） 无
36、速度传感器矢量控制无速度传感器矢量控制技术能在基本不增加硬件成本的情况下，大大提高变频器的性能，拓展变频器的应用领域。即使用在风机水泵等稳态和动态要求相对较低的负载场合，无速度传感器矢量控制具有的转矩限幅、快速转速跟踪再起动等功能有效地防止加速过程的过电流停机和减速过程中的过电压停机和其它不正常的停机现象，对于保证变频器的可靠运行有非常重要的意义。由于单元串联式多电平高压变频器输出电压、电流波形比较理想，有利于无速度传感器矢量控制的实现。（3） 大容量化随着应用领域的扩展和相关技术及工艺的进步，高压变频器容量逐步增大。冷却问题随着容量的增大变得十分重要。在大容量领域，水冷技术是比较合适的选择，
37、国外水冷技术的变频器输出电流可达到1400A。水冷技术对结构设计和热设计提出了很高的要求，同时对基础制造业也提出了挑战，目前国际上空冷功率单元成熟产品的最大电流为600A左右。在某些大容量应用领域，也可以采用多绕组电动机，用多台变频器分别供电，协调控制，以达到扩展容量和冗余设计的目的。1.3 课题来源和本文主要内容本课题是应北京动力源股份有限公司要求，开发的串联式直接转子定向无速度传感器矢量控制高性能高压变频调速装置样机。本文主要对串联式直接转子定向无速度传感器矢量控制系统进行了研究，全文主要内容如下：第一章首先介绍了本课题研究背景和意义，然后介绍了三种主流的高压变频器产品，然后分析三种高压变
38、频器的优缺点和以后高压变频器发展方向，最后给出了课题来源和全文主要内容。第二章首先介绍了串联高压变频器的结构原理，然后从其拓扑结构、组成和PWM调制策略三个方面进行了详细的说明，并对现有的拓扑和PWM调制策略的优、缺点进行了详细的分析。第三章主要分析讨论了无速度传感器矢量控制几种常见的转速辨识和磁通观测方法。首先列举了四种常用的速度观测的方法，并指出各种速度观测的优、缺点，并提出了一种对模型参考自适应改进的方法；然后对常用的二种磁通观测的方法进行比较，选择了适合的转子磁通观测方法；最后，介绍了通用的电机参数自检测的方法。第四章详细地分析了无速度传感器矢量控制的设计原理，并开发了一套单元串联高压
39、变频器的仿真平台，在此平台上进行了矢量控制的仿真。第五章为全文的软、硬件平台介绍。首先给出了系统的硬件设计框架，然后介绍了包括以TI公司的DSP芯片TMS320F2812为核心的主控制器，以CPLD为核心的单元控制及驱动电路，模拟量检测电路和部分保护电路。它们和实验电机、移相变压器、PLC触摸屏一起构成实验平台。最后阐述了矢量控制的软件设计，给出了整体软件设计的框架和每步的任务。第六章为介绍了硬件平台调试和试验结果。第七章为对全文的总结和今后的展望。(Next) Section 1 * MERGEFORMAT 2 串联高压变频器结构及控制策略单元串联多电平PWM电压源型变频器(Cell Ser
40、ies Multi-lell PWM: CSML)又称完美无谐波变频器，其性能达到甚至超过了IEEE-519国际谐波标准。单元串联多电平PWM电压源型变频器采用若干个低压PWM变频功率单元串联的方式实现直接高压输出。该变频器对电网谐波污染小，输入功率因数高，不必采用输入滤波器和功率因数补偿装置。输出的波形好，不存在由谐波引起的电动机附加发热和转矩脉动、噪声、输出、共模电压等问题，可以使用普通的异步电动机。2.1 串联高压变频器拓扑结构单元串联多电平技术就是采用多组低电压小功率IGBT(绝缘栅双极型晶体管)，PWM变频单元串联输出为高压变频器，实现大功率集成。其特点是由低压的功率器件所组成的功率
41、单元串联，从而实现高压的输出。由于采用的是功率单元进行串联，因此不存在元件之间的动态和静态均压问题，并且该方案设计的变频器具有模块化的结构，便于更换和维护。各变频单元由一个多绕组的隔离变压器供电，并以高速微处理机和光导纤维实现控制和通信。其输出电压为2.310kV，功率为50kW5MW。以6kV输出电压等级变频器为例，电网电压经过二次侧多重化的隔离变压器降压后向功率单元供电，功率单元为三相输入、单相输出的交直交PWM 电源型逆变器结构。将相邻功率单元的输出端串接起来，形成Y型结构，实现变压变频的高压直接输出，供给高压电动机。各功率单元分别由输入变压器的一组二次绕组供电，功率单元之间及变压器二次
42、绕组间相互绝缘。6kV变频器的输入变压器实行多重化设计，以达到降低输入谐波电流的目的。变压器副边有15个二次绕组，采用延边三角形联结，分为5个不同的相位组，互差电角度。每相由5个功率单元串联而成时，形成30脉波的二极管整流电路结构。所以理论上29次以下的谐波都可以消除，输入电流波形接近正弦波，总的谐波电流失真率可低于1%。在变压器二次绕组分配时，组成同一相位组的每三个二次绕组，分别给属于电动机三相的功率单元供电。这样，即使在电动机电流出现不平衡的情况下，也能保证每个相位组的电流基本相同，达到理想的谐波抵消效果。每相由5个额定电压为690V的功率单元串联而成，输出相电压最高可达3450V，线电压
43、可达6kV左右，如图2-1所示。每个功率单元承受全部的输出电流，但只提供1/5的相电压和1/15的输出功率。变压器的15个二次绕组经过熔断器，分别接到每个功率单元三相二极管整流桥的输入端，功率单元的结构如图2-2所示，功率单元的电压等级和串联数量决定了变频器输出电压，功率单元的额定电流决定变频器输出电流。三相交流电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(一般为8%左 图2-1 功率单元串联型高压变频器结构简图图2-2 功率单元串联型高压变频器拓扑图右)，直流环节不必设置限流电阻。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
44、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0690V，频率为050Hz (根据电动机的额定功率，可以响应调整，最高可达120Hz)。由于变频器不是用传统的器件串联的方式来实现高压输出，而是采用整个功率单元串联，所以不存在器件串联引起的均压问题。单元串联多电平SPWM电压源型变频器的拓扑结构，包括移相输入变压器、变频器主电路和中高压电动机三大部分。按照这种主电路形式拓扑构成的高压变频器可以解决两个技术难题：（1） 高可靠性每一个功率单元都是一个小型的低压变频器，每相的电压由功率单元的输出电压叠加而成，当一个功率单元出现故障
45、后，只会使相电压降低，通过旁路切除后系统能继续运行，不会出现一个单元损坏而导致其它单元损坏的连环故障。这是一个突出的优点，也是功率元件直接串联所不能比拟的。功率元件直接串联，只要有一个功率元件出现故障，就会导致整个系统不能工作，所以可靠性较差。（2） 解决了对电网的污染问题它的功率因数高，每相由多个低压变频功率单元相互串联来实现高压输出。功率单元供电的二次绕组相互存在一个相位差，以实现输入电压多样化。以6kV高压变频器为例，每相由5个额定电压为690V的功率单元串联，三相共有15个功率单元，分别由输入隔离变压器的二次绕组供电。15个二次绕组分3组，每组之间存在相位差，形成相当于15个脉冲整流，
46、使得电压总畸变率只有3%，电流总畸变率小于4%。2.2 串联高压变频器的组成图2-3 功率单元串联型高压变频器结构平面图图2-3为高压变频器结构平面图，其主要由旁路柜、变压器柜、功率柜和控制柜组成。旁路柜实现整体旁路功能；变压器柜安放移相变压器，为每个功率单元供电；功率柜安放功率单元，为高压变频器的主要工作部分，实现多脉冲整流输入和高压变频输出；控制柜为变频器的核心控制部件，控制变频器的运行、停止等。下文主要论述其中3个部分：移相变压器、功率单元和串联输出。2.2.1移相变压器由于高压变频器直接与电网相连接，若是采用传统的三相6脉动整流，则输入电流中含有6k1(k =1,2,3)次谐波，这样将
47、对电网造成严重的谐波污染。所以对于高压变频器系统，为了减少对电网的谐波污染，必须采用更多级脉冲的整流电路。在该高压变频器系统中多重化移相变压器起到输入电压变换的作用，为整个变频器的每个功率单元提供独立的电源。该变压器的输入直接与6-10KV的电网相联结，而输出为三相15路输出(采用五级功率单元串联时)。其中每三路为一组，它们输出电压的相位角相等。而五组绕组的相角分别为、。这样对于电网来说，整个变频系统的输入相当于30脉波整流，理论上在输入电流谐波中不含有29次以下谐波。所以，串联型多电平变频器对电网的谐波污染是非常低的，该系列变频器的输入侧不必另外设置输入滤波器进行滤波，这样就简化了系统的结构，同时也提高了整个系统的效率。该多重化移相
