（機(jī)械工程專(zhuān)業(yè)論文）高壓大容量h橋串聯(lián)型變頻器的研究.pdf

西安建筑科技大學(xué) 高壓大容量h 橋串聯(lián)型變頻器的研究 專(zhuān)業(yè)：機(jī)械工程 碩士生：孫洪斌 指導(dǎo)老師：陳宜通副教授 摘要 我國(guó)是能源生產(chǎn)和消費(fèi)的大國(guó)，但是長(zhǎng)期以來(lái)一直都存在著嚴(yán)重的能源浪費(fèi) 的問(wèn)題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)風(fēng)機(jī)、水泵年耗電量占全國(guó)發(fā)電量的約4 0 。理論分析和 實(shí)際應(yīng)用都表明，如果采用調(diào)速技術(shù)，至少可節(jié)約2 0 以上的電能，有些情況下 甚至可節(jié)電7 0 。本文以太鋼某廠額定功率2 2 4 0 k w ，額定電壓6 3 0 0 v 注水泵電 機(jī)變頻調(diào)速科研工程為背景，從理論分析、計(jì)算機(jī)仿真和裝置實(shí)驗(yàn)幾方面入手， 對(duì)高電壓大容量串聯(lián)h 橋多電平變頻器的理論和工程應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行較深入研究。 串聯(lián)h 橋多電平變頻器的主回路從結(jié)構(gòu)上可分為三相電容濾波不可控整流電 路和單相電壓型全橋逆變電路。對(duì)于整流電路，由于采用變壓器移相多重化整流， 在理論上可以實(shí)現(xiàn)曲折變壓器一次繞組中低于6 m _ 1 次諧波電流相互抵消( m 為 串聯(lián)單元個(gè)數(shù)) ；對(duì)于逆變電路，由于采用移相p w m 控制方式，等效開(kāi)關(guān)頻率提 高m 倍，因此輸出電壓接近正弦波，諧波含量較小。 串聯(lián)h 橋多電平變頻器具有輸出電壓高、功率大，輸入側(cè)和輸出側(cè)諧波含量 小，輸入功率因數(shù)高等特點(diǎn)。另外，采用模塊化設(shè)計(jì)，易于提高電壓、處理故障， 維護(hù)也比較簡(jiǎn)單。還有，變頻器對(duì)電機(jī)無(wú)特殊要求，適于普通電機(jī)，有利于舊系 統(tǒng)改造。 本文綜述了高電壓大容量變頻器技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，給出了串聯(lián)h 橋多電平變 頻器的主回路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理。重點(diǎn)分析了變壓器曲折接法和移相多重化 整流對(duì)網(wǎng)側(cè)諧波的影響及移相p w m 控制方式對(duì)減少輸出側(cè)諧波的作用，并給出 理論計(jì)算結(jié)果和計(jì)算機(jī)仿真波形。本文最后給出了系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)參數(shù)和實(shí)驗(yàn)波 形。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，實(shí)際結(jié)果與理論分析是一致的。目前該裝置已在太鋼試運(yùn) 行。 關(guān)鍵詞：高電壓大容量，串聯(lián)h 橋，變頻器，p w m ，諧波 論文類(lèi)型：應(yīng)用研究 a b s t r a c t t h e e n e r g y s o u r c e p r o d u c t i o na n dc o n s u m p t i o n a r e h u g e i n c h i n a ，b u tt h es i t u a t i o no fw a s t i n ge n e r g ys o u r c ei s as e r i o u s i s s u ef o ral o n gt i m e a c c o r d i n gt ot h es l a t i s t i c a ld a t a ，i nc h i n a o n l yt h ep o w e rc o n s u m p t i o no ff a n sa n dp u m p st a k et h e4 0 o fa n n u a l e l e c t r i c p o w e rp r o d u c t i o n i t h a sb e e n p r o v e db yt h e o r y a n d p r a c t i c e t h a tv a r i a b l e s p e e d m o t o rd r i v ec a na t1 e a s ts a v e e l e c t r i cp o w e rm o r et h a n2 0 ，e v e nt o7 0 i ns o m es i t u a t i o n s t h e b a c k g r o u n d o ft h i sd i s s e r t a t i o ni sb a s e do na p r o j e c t o f r e s e a r c h i n g a n d d e v e l o p i n g a h i g hv o l t a g e s e r i e s h - b r i d g e m u l t i l e v e lc o n v e r t e r ，w h i c hd r i v e sa ni n d u c t i o nm o t o ro f5 3 0 0 v ， 2 2 4 0 k wf o rd r i v i n gaw a t e rf l o o d i n gp u m pi nt a i g a n g t h er e s e a r c h w o r ko nh i g hv o l t a g eh i g hp o w e rs e r i e sh - b r i d g em u l t i l e v e l c o n v e r t e rh a sb e e nc a r r i e do u tb yt h e o r ya n a l y s i s ，c o m p u t e r s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t s t h es e r i e sh - b r i d g em u l t i l e v e lc o n v e r t e r sp o w e rc i r c u i t is c o m p o s e do fu n c o n t r o l l e dr e c t i f i e rw i t hf i l t e r i n gc a p a c i t o ra n d s i n g l ep h a s eh - b r i d g ev o l t a g e t y p e i n v e r t e r a sar e s u l to f e m p l o y i n g m u l t i l e v e l p h a s e s h i f l e d m e t h o dw i t h z i gz a g c o n n e c t i o ni nt r a n s f o r m e rs e c o n d a r y ，i nt h ep r i m a r yt h ec u r r e n t h a r m o n i c st h e i ro r d e r sa r el o w e rt h a n6 m la r ee l i m i n a t e d ( mi s t h en u m b e ro fp o w e rc e l le a c hp h a s e ) ，i nt h ei n v e r t e r ls i d eb e c a u s e o f u s i n g p u l s es h i f t i n gp 州c o n t r 0 1 t h ee q u i v a l e n t s w i t c h f r e q u e n c yo fo u t p u t i smt i m e sa sh i g ha so n eh b r i d g e ，s ot h e o u t p u tv o l t a g ew a v e f o r mo ft h ei n v e r t e r i sn e a rs i n ew i t hl e s s h a r m o n i c s t h es e r i e sh - b r i d g em u l t i l e v e lc o n v e r t e rh a st h ea d v a n t a g e s o fh i g ho u t p u tv o l t a g e ，h i g hp o w e r ，l o w e rh a r m o n i cc o n t e n ti nli n e a n dm o t o rs i d e sa n dh i g hi n p u tp o w e rf a c t o r i na d d i t i o n ，b e c a u s e o fb l o c k i n gd e s i g n ，i ti se a s i e rt or a i s eo u t p u tv o l t a g e ，t r o u b l e s h o o t i n ga n dm a i n t a i n s m o r e o v e r ，t h ec o n v e r t e rh a sn os p e c i a l i n l sd l s s e r t a t l o n o v e r v i e w st h e c u r r e n t d e v e l o p m e n t s i t u a t i o no fh i g hv o l t a g eh i g hp o w e rc o n v e r t e r ，a n di n t r o d u c e s t h et o p o l o g ys t r u c t u r ea n dw o r k i n g p r i n c i p l e i nt h ep a p e rit m a k e sf o c a lp o i n t so ft h e z i g - z a gt r a n s f o r m e r i n f l u e n c e so n t h eh a r m o n i c so fl i n es i d ea n dp u l s es h i f t i n gc o n t r o li n f l u e n c e o i lt h eh a r m o n i co fm o t o rs i d e ，t h et h e o r e t j c a lc o m p u t a t i o na n d c o m p u t e rs i m u f a t i o nw a v e f o r m sa r e p r e s e n t e d f i n a l1 yt h e e n g l n e e r l n gd e s l g np a r a m e t e r so ft h e s y s t e ma n dt h e e x p e r l m e n t a lw a v e r o r m sa r eg i v e n f r o me x p e r i m e n t a lr e s u l t sw e c a ns e et h a tt h e r e a lt e s tr e s u l t sa r ec o n s i s t e n t w i t ht h e t h e o r e t i c a i a n a l y s i s t h e e q u i p m e n t o fs e r i e s h b r i d g e c o n v e r t e rh a sb e e nt e s t r u n n i n gn o wi nt a i g a n g k e yw o r d s ：h i g hv o l t a g eh i g hp o w e r ，s e r i e sh - b r i d g e ，c o n v e r t e r p w m ，h a r m o n i c s p a p e rt y p e ：a p p l i c a t i o nr e s e a c h 聲明 本人鄭重聲明我所呈交的論文足我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工 作及取得的研究成果。盡我所知，除i 7 ，文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外， 論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果，也不包含本人或其他 人在其它單位已i 忙請(qǐng)學(xué)位或?yàn)槠渌黤 l j 途使用過(guò)的成果。與我f d 工作的同 志對(duì)本研究所做的所有貢獻(xiàn)均已往滄文r i 伊r i 列確的澆明并表j ；7 致謝。 申請(qǐng)學(xué)位論文與資料若韻一：實(shí)之處本人承擔(dān)一切相關(guān)責(zé)任。 論文作者簽名：永，z 狀 | _ ：l 蚓：二棚筍，g ，占 關(guān)于論文使用授權(quán)的說(shuō)明 本人完全了解西安建筑科技火￥：f j 戈保留、使學(xué)位論文的規(guī)定，即； 學(xué)校有權(quán)保留送交淪文的復(fù)印件，允許論文被查閱和借閱；學(xué)?？梢怨?論文的全部或部分內(nèi)容，、j 以采用影| = i 】、縮印或者萸它復(fù)制手段保存論文。 ( 保密的論：艾在論文解密后應(yīng)遵守此規(guī)定) 論文作者簽名鹵：z 趴導(dǎo)師簽名：可龜咯適 日期：2 一f ，g i = ：i = ：請(qǐng)將此頁(yè)附在滄文酋頁(yè)。 西安建筑科技大學(xué) 1 、緒論 在近二十年來(lái)，隨著電力電予技術(shù)、微電予技術(shù)及控制理論的發(fā)展，交流變頻 調(diào)速技術(shù)已廣泛用于交流電動(dòng)機(jī)速度控制中。采用變頻技術(shù)可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，滿(mǎn)足 生產(chǎn)工藝過(guò)程對(duì)電機(jī)調(diào)速控制的要求，以提高產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，又可大幅度節(jié)約 電能，降低生產(chǎn)成本。使用變頻調(diào)速器的優(yōu)越性已逐漸為國(guó)內(nèi)大多數(shù)企業(yè)所重視。 高電壓大容量交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，如軋鋼機(jī)、礦井提升機(jī)、 水泥球磨機(jī)主傳動(dòng)：大型的風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)等流體機(jī)械傳動(dòng)；牽引動(dòng)力系統(tǒng)( 內(nèi) 燃機(jī)車(chē)、電力機(jī)車(chē)、高速列車(chē)、地鐵等) 以及船舶推進(jìn)器等。 大容量一般是指功率等級(jí)在一兆瓦到幾十兆瓦左右，比如軋鋼領(lǐng)域中的低速 可逆軋機(jī)和熱連軋機(jī)。而高電壓一般是指3 k v 、6 k v 、1 0 k v ，如從德國(guó)s i e m e n s 公 司引進(jìn)的3 k v ，3 0 0 0 k i v 異步電動(dòng)機(jī)中壓變頻( m v ) 調(diào)速系統(tǒng)( 應(yīng)用于轉(zhuǎn)爐鼓風(fēng)機(jī)) ， 我國(guó)自行研制的6 k v 、8 0 0 k w 同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)( 應(yīng)用于礦井通風(fēng)機(jī)) 等。 目前國(guó)內(nèi)所廣泛應(yīng)用的各類(lèi)變頻器其電壓等級(jí)多為3 8 0 6 6 0 v ，屬低壓變頻器， 而對(duì)于為數(shù)不少的高壓電機(jī)傳動(dòng)設(shè)備，只有個(gè)別單位采用了高壓變頻器傳動(dòng)，收 到很好的節(jié)電效果，節(jié)電率達(dá)4 0 5 0 。變頻調(diào)速裝置的投資可在l 2 年內(nèi)從 節(jié)電費(fèi)用中收回。在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家高壓變頻器技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，應(yīng)用比較廣泛。 隨著電力電子器件的發(fā)展和控制技術(shù)的不斷進(jìn)步，高電壓大容量交流調(diào)速系統(tǒng)的 性能將不斷提高，并且f 1 趨完善，其應(yīng)用領(lǐng)域也將進(jìn)一步擴(kuò)大。同時(shí)，要盡早實(shí) 現(xiàn)高壓大容量交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化，使其廣泛應(yīng)用于我國(guó)的大型傳動(dòng) 系統(tǒng)中，大幅度提高其運(yùn)行效率，以達(dá)到提高性能、節(jié)電：釘能的目的，促進(jìn)國(guó)民 經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。 1 1 電力電子器件的發(fā)展現(xiàn)狀1 1 0 ，1 4 1 5 1 老式的調(diào)速系統(tǒng)一般采用電動(dòng)機(jī)一發(fā)電機(jī)楓組或水銀整流器等，隨著5 0 年代 第一個(gè)晶閘管成為商品，標(biāo)志著固態(tài)電力電子技術(shù)的開(kāi)始。這是一種電網(wǎng)電壓控 制和變換的經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)便的方法，目前，相控晶閘管已廣泛應(yīng)用于直流調(diào)速，交流調(diào) 速中的交交變頻系統(tǒng)、無(wú)換向器電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)以及電流源型變頻系統(tǒng)等。但是， 相控晶閘管在交流電網(wǎng)產(chǎn)生的大量的喈波和較低的功率因數(shù)，以及不可自關(guān)斷的 缺點(diǎn)，使其應(yīng)用正在逐步減少。 1 9 8 2 年，同立公司首先研制出集成化2 5 0 0 v 、1 0 0 0 a 門(mén)極可關(guān)斷晶閘管，即 l 西安建筑科技大學(xué) g t o 。由于它的關(guān)斷特性可以說(shuō)是電力電子技術(shù)的一次突破。隨后，g t o 向著高 電壓、大電流方向發(fā)展，每2 3 年上一個(gè)新臺(tái)階，發(fā)展十分迅速。目前已研制出 6 0 0 0 v 、6 0 0 0 a 和9 0 0 0 v 、1 0 0 0 0 a 的巨型g t o 器件，其應(yīng)用f j 分廣泛。是目前 的高電壓大容量變頻器中主要采用的功率器件。它的主要缺點(diǎn)是關(guān)斷增益低，這 就需要一個(gè)十分復(fù)雜而且功率消耗很大的驅(qū)動(dòng)電路：開(kāi)通d i d t 和關(guān)斷d v d t 承受 能力低，需要一個(gè)十分龐大的吸收電路；工作頻率低?？梢哉f(shuō)g t o 的缺陷已經(jīng) 大大限制了它的應(yīng)用。 i g b t 是一種新型電力半導(dǎo)體元件。它具有快速響應(yīng)、高輸入阻抗、高電流 密度、開(kāi)關(guān)頻率高、控制簡(jiǎn)單的特性，所以發(fā)展十分迅速。i g b t 產(chǎn)品已經(jīng)模塊 化，每個(gè)i g b t 反并聯(lián)一個(gè)續(xù)流二：極管，然后以一單元，二單元，六單元形式封 裝在模塊外殼內(nèi)。隨后出現(xiàn)了i p m ，即智能功率模塊，將i g b t 及其驅(qū)動(dòng)電路和 電流、電壓、溫度檢測(cè)等全部集中在一個(gè)模塊里就構(gòu)成了i p m 單元。目前，單個(gè) i g b t 器件的應(yīng)用水平為4 5 0 0 v ，3 0 0 0 a 。 比較g t o 和i g b t ，我們可以看到： i g b t 的驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單。i g b t 是壓控器件，在控制極上施加+ 1 5 v 左右一向 控制電壓就能導(dǎo)通：施加一5 v 至1 0 v 的反向控制電壓時(shí)，在所有運(yùn)行條件下都能 將i g b t 關(guān)斷。門(mén)極控制功率不到g t o 的千分之一。 i g b t 吸收電路簡(jiǎn)單。i g b t 具有精細(xì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，若采取有效措施來(lái)減少引 線電感，以求盡量降低或消除i g b t 器件關(guān)斷時(shí)的浪涌電壓，可以不需要吸收電 路或簡(jiǎn)化吸收電路。 g t o 的通態(tài)壓降高，必須采用高效冷卻，還需考慮絕緣問(wèn)題。造成裝置體積 增大。i g b t 開(kāi)關(guān)損耗小，易于冷卻，而且采用內(nèi)部絕緣結(jié)構(gòu)，因此散熱器無(wú)需 絕緣。 i g b t 比g t o 的開(kāi)關(guān)頻率高，大大降低了噪聲污染。尤其是i p m 的出現(xiàn)，使 得i g b t 的應(yīng)用更加廣泛。 目前，i g b t 主要應(yīng)用于低壓變頻器，在高壓大容量變頻器中應(yīng)用還很少， 當(dāng)然，人們正在開(kāi)發(fā)更大電流和更高耐壓的i g b t 應(yīng)用到高電壓大容量變頻器中。 另外，出現(xiàn)了一種新型器件g c t ，g c t 主要是在g t o 結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化發(fā) 展而來(lái)的，具有如下特點(diǎn)：通態(tài)壓降低：可以忽略的開(kāi)關(guān)損耗；運(yùn)行平穩(wěn)，線性 度好，方便準(zhǔn)確建模；響應(yīng)迅速準(zhǔn)確，開(kāi)關(guān)延時(shí)小( 2 3 u s ) 。 對(duì)于高壓大電流來(lái)說(shuō)，g c t 是先進(jìn)的開(kāi)關(guān)器件，其良好的關(guān)斷特性可以省去 吸收電路，其高頻開(kāi)關(guān)性能可對(duì)任何復(fù)雜瞬態(tài)進(jìn)行控制。接著出現(xiàn)的i g c t ( i n t e g r a t e dg a t e - c o m m u t e dt h y r i s t o r ) ”，門(mén)極集成化的g c t ，它引入f 1 極驅(qū)動(dòng)的 新概念，將門(mén)極驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路集成到電力電子器件中。i g c t 除具有g(shù) c t 的特 ， 西安建筑科技大學(xué) 點(diǎn)外，還可直接采用光纖觸發(fā)，并具有高的抗電磁干擾特性和優(yōu)化串聯(lián)運(yùn)行。目 前，1 3 0 m v a 的i g c t 變頻器已應(yīng)用于德國(guó)鐵路上，本溪鋼鐵公司也將i g c t 用 于熱連軋主傳動(dòng)控制。目前6 0 0 0 v ，4 5 0 0 a 的i g c t 已研制成功。 可以預(yù)見(jiàn)，i g c t 和高耐壓的i g b t 將成為高壓大容量變頻器上廣泛采用的主 要的電力電子器件。 1 2 大容量交流電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 1 2 1 主回路結(jié)構(gòu) 高電壓大容量交流調(diào)速系統(tǒng)所采用的主回路結(jié)構(gòu)按能量傳遞方式分主要有交 交變頻和交直交變頻鼴種。 1 2 1 1 交交變頻調(diào)速系統(tǒng)0 1 2 , 1 4 , 2 1 l ， 交交變頻調(diào)速系統(tǒng)，由三組反并聯(lián)晶閘管可逆橋式變流器組成，它沿襲著晶閘 管變流器電網(wǎng)自然換流原理，具有過(guò)載能力強(qiáng)、效率高、輸出波形好、低速特性 好等優(yōu)點(diǎn)。交交變頻器分為有環(huán)流和無(wú)環(huán)流方式，既可驅(qū)動(dòng)同步電機(jī)也可驅(qū)動(dòng)異 步電機(jī)。 7 0 年代起，國(guó)際上各大電氣公司對(duì)此項(xiàng)技術(shù)十分重視。1 9 8 1 年西門(mén)子公司研 制成功第一臺(tái)4 0 0 0 k w 初軋機(jī)交交變頻同步電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)，使大容量交流調(diào)速系 統(tǒng)登上高性能調(diào)速的臺(tái)階。隨之，其應(yīng)用迅速擴(kuò)大，迄今為止，世界上已有近5 0 0 套軋機(jī)、礦井提升機(jī)、水泥球磨機(jī)等低速大轉(zhuǎn)矩機(jī)械主傳動(dòng)采用了交交變頻闊速 系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)。 但交交變頻調(diào)速系統(tǒng)存在著輸出頻率低( j 、l x 里_ = ：7 圖3 1y d 一1 的征溈= 角形聯(lián)結(jié)方式原嬋圖 帶圓點(diǎn)的一端為同名端，即a 、b 、c 為與a 、b 、c 為同極性端，原、副邊繞組的 線電壓相位差為d ( c t 為副邊相對(duì)于原邊的角度) ，本接法c l 在0 。3 0 。內(nèi)變化。 圖3 2 為本接法的相量圖。 c b 圖3 - 2y d l 延邊三角形聯(lián)結(jié)相量圖 b n h 由圖3 2 的相量圖可得出k 值與相位角a 的關(guān)系式： k = s i n ( 3 0 0 a o ) s i n ( 3 0 0 + 0 1 當(dāng)a = 3 0 0 時(shí)，k = 0 ，既為y d 一1 聯(lián)接； 當(dāng)c t = 0 0 時(shí)，k = l ，既為y y 一0 聯(lián)接； 當(dāng)c t = 2 0 。時(shí)，k = 0 2 2 7 ，既為本裝置要求的轉(zhuǎn)角+ 2 0 0 聯(lián)接。 如果其它不變，只把變壓器副邊繞組三角形改動(dòng)一下，如圖3 3 所示，則 1 ， 露 除 y a x 彳 西安建筑科技大學(xué) 在0 。一3 0 。內(nèi)變化。圖34 為本接法的相量圖。 只4寶r。只r ， ) 、 x y 7 ( ) ”j 11 ， 1 口1 j 圖3 3y d 一1 1 的延仂三角形聯(lián)結(jié)方式原琿圖 c b r a a k ” 、， 3 0 0 一 圖3 - 4y d 一11 延邊三角形聯(lián)結(jié)相量圖 a 由圖3 4 的相量圖可得出k 值與相位角的關(guān)系式( 旺為負(fù)值) k = s i n ( 3 0 0 + 釅) s i n ( 3 0 。- 釅) 當(dāng)n f 3 0 0 時(shí)，k = o ，既為y d 一11 聯(lián)接： 當(dāng)c t = o o 時(shí)，k = l ，既為y y 一0 聯(lián)接 當(dāng)= 一2 0 0 時(shí)，k = o 2 2 7 ，既為本裝置要求的轉(zhuǎn)角2 0 0 聯(lián)接。 ( 2 ) 原邊繞組采用角形聯(lián)接，副邊繞組采用延邊三角形聯(lián)接 以上，我們已經(jīng)解決一2 0 。、0 。、+ 2 0 。的轉(zhuǎn)角問(wèn)題，對(duì)于5 0 。、3 0 。、一l o 3 3 。轉(zhuǎn)角要求，可使變壓器原邊采用三角形來(lái)實(shí)現(xiàn)。假如原來(lái)y d 一1 延邊三角形聯(lián) 結(jié)方式變壓器副邊的轉(zhuǎn)角為一2 0 。、0 。、+ 2 0 。，如變壓器原邊改為三角形聯(lián)結(jié)， 并使線電壓相量u a b 等向順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)3 0 。，則原副邊的轉(zhuǎn)角為+ 2 0 。變?yōu)? 2 0 。+ ( 一3 0 。) 2 - 1 0 。：原副邊的轉(zhuǎn)角為0 。變?yōu)? 。+ ( 3 0 。) = 3 0 。；原副邊的 轉(zhuǎn)角為一2 0 。變?yōu)橐? 0 。+ ( 3 0 。) = 一5 0 。這樣就可得到5 0 。、一3 0 。、1 0 。轉(zhuǎn) 角。下面給出轉(zhuǎn)角為一1 0 。時(shí)的變壓器原、副邊聯(lián)結(jié)圖( 圖3 5 ) 及相量圖( 圖36 ) ， 對(duì)于- 5 0 。和一3 0 “隋況，可依此類(lèi)推，這里就不再贅述。 如圖3 5 所示，如果把變壓器原邊繞組改為三角形接法，副邊保持圖3 一l 所 示接法不變，則轉(zhuǎn)角在0 。一3 0 。內(nèi)變化。圖3 - 6 為本接法的相量圖。 c y 圖3 - 5d d 1 1 的砸：i 力2 角形聯(lián)結(jié)片式原王早陲l b p 1 a 圖36d d 一1l 延邊三角形聯(lián)結(jié)相量圖 由圖3 - 6 的相量圖可得出k 值與相位角的關(guān)系式( 0 l 為正值) k = s i n ( a ) s i n ( 6 0 。一。1 h 西安建筑科技大學(xué) 當(dāng)c 【= 3 0 0 時(shí)，k = l ，既為d y 一1 l 聯(lián)接； 當(dāng)= o o 時(shí)，k = o ，既為d d0 聯(lián)接 當(dāng)0 l = 1 0 。時(shí)，k = o 2 2 7 ，既為本裝囂要求的轉(zhuǎn)角一1 0 0 聯(lián)接。 可見(jiàn)，在d d l l 延邊三角形聯(lián)接時(shí)，副邊k 值保持不變，這也和本接法的 前提條件是一致的。 其實(shí)，通過(guò)改變變壓器原邊繞組為三角形聯(lián)接或星形聯(lián)接以及改變變壓器副 邊繞組的k 值( 必要時(shí)考慮改變a 、b 、c 相序或極性) ，可實(shí)現(xiàn)0 。3 6 0 。( 3 6 0 。) 的任何轉(zhuǎn)角。 3 2 2 串聯(lián)h 橋網(wǎng)側(cè)諧波及功率因數(shù)的研究 首先討論一個(gè)h 橋單元整流電路輸入電流的諧波及功率因數(shù)情況，然后再推 廣到串聯(lián)h 橋各單元整流電路多重聯(lián)接時(shí)的網(wǎng)側(cè)諧波及功率因數(shù)情況。 ( 一) 一個(gè)h 橋單元整流電路諧波及功率因數(shù)分析 圖3 7 所示為一個(gè)h 橋單元簡(jiǎn)化電路，為便于分析圖中把逆變部分簡(jiǎn)化為 一個(gè)電阻r 。 e q e b f - c ic l d lz王d 3 z玉d 5 z玉 + l ll q j l c l u 。| 二= c 1 v d 4 z王d 6 2sd 2 z玉 一 圖3 7 ：一個(gè)h 橋單元捂流簡(jiǎn)化南路圖 l r r e a 、e b 、e c 為整流橋輸入三相平衡電壓，l 為整流橋輸入電感，c 1 為濾波 電容，i a 為a 相相電流，i d 為整流橋輸出電流，i c 為流過(guò)電容器的電流，i r 為流 過(guò)電阻的電流。 令u d 為經(jīng)整流、濾波之后的平穩(wěn)直流電壓，如圖3 - 8 所示，若不考慮濾波 網(wǎng)3 8 一個(gè)h 橋單元輸入側(cè)相審。流示意閣 電容c 1 和輸入電感l(wèi) 的濾波作用，則整流后的電壓應(yīng)該是波動(dòng)的，如圖3 - 8 所 示有6 個(gè)整流波頭。 下面分析a 相電流i a 與a 相電壓e a 的相位關(guān)系。由圖3 8 得知，僅當(dāng)整流 后的脈動(dòng)電壓高于整流后的直流電壓u d 時(shí)才有相電流流過(guò)。當(dāng)三相整流中a 相 正電壓最高時(shí)，才有a 相正電流，如圖3 8 中，在e a b 、e a c 的峰值范圍內(nèi)有a 相相電流i a 流過(guò)。反之，當(dāng)三相整流中a 相負(fù)電壓最低時(shí)，才有a 相負(fù)電流， 如圖3 - 8 中，在e b a 、e c a 的峰值附近有a 相相電流一i a 流過(guò)。由于線電壓e a b 超 前相電壓e a3 0 。電角度雨e a c 落后于e a3 0 。電角度，故a 相電流i a 的正向兩 個(gè)波頭恰好位于圖3 8 中相電壓e a 的6 0 。和1 2 0 。處：同理a 相電流i a 的負(fù)方 向兩個(gè)波頭恰好位于圖3 - 8 中相電壓e a 的2 4 0 。和3 0 0 。處。a 相電流i a 的基波 分量與a 相電壓e a 相位差角0 幾乎為零。 1 一個(gè)h 橋單元整流電路功率因數(shù)分析： 根據(jù)功率因數(shù)的定義式： 功率因數(shù)p ，= i _ l 。c 。s ( 臼) 功率【習(xí)數(shù)j p f 與基波相移角f 和輸入電流基波含量 ，有關(guān)，根據(jù)前面分析， 相電流的基波分量與相電壓相位差角口幾乎為零，所以，c o s ( p ) 近似為】，功率 3 6 西安建筑科技大學(xué) 因數(shù)p f 主要取決于輸入電流基波含量州j 。 圖3 8 是在不考慮濾波電容c 1 和輸入電感l(wèi) 的濾波作用時(shí)的波形，當(dāng)考慮 c 1 和l 的濾波作用時(shí)，隨著c 1 和l 的增大，相電流有可能由斷續(xù)變?yōu)檫B續(xù)，波 頭也會(huì)后移，由此帶來(lái)兩個(gè)結(jié)果，一是基波功率因數(shù)會(huì)有所下降，c o s f 日) 小于1 ； 二是輸入電流諧波含量t h d i 會(huì)有所下降。綜合以上兩個(gè)基本因素，功率因數(shù)胛 會(huì)有所變化，但不一定減少，甚至有可能增加。具體要看兩個(gè)因素的綜合結(jié)果。 合理使用l 不僅不會(huì)降低功率因數(shù)，反而可以提高電網(wǎng)的功率因數(shù)。這個(gè)結(jié) 論與傳統(tǒng)的串接電感降低功率因數(shù)的說(shuō)法恰恰相反。因?yàn)閘 越大，相電流( i a 、 i b 、i c ) 后傾( 幅度降低、波形后移) 越明顯，即導(dǎo)通角越大。如果提高變壓器的 短路阻抗或在h 橋的交流輸入或直流側(cè)串接電抗器，都意味上述l 增大。當(dāng)l 增大到一定程度，相電流( i a 、i b 、i c ) 正向或負(fù)向的兩個(gè)波頭將連接起來(lái)，輸入 電流諧波含量將大大減少，功率因數(shù)將會(huì)提高。 輸入相電流( i a 、i b 、i c ) 與由l 產(chǎn)生的輸入阻抗z ( z = “l(fā) ) 直接成反比關(guān) 系。電源變壓器越大，則h 橋單元輸入阻抗越小，輸入電流也就越大，因此要求 整流元件的額定電流值越大，否則整流元件容易損壞。解決的辦法也是增加交流 輸入阻抗z 。 當(dāng)其它因素不變( l 、c 1 不變) ，在輕載時(shí)( r 值大) ，輸入相電流( i a 、i b 、 i c ) 可能是連續(xù)的，此時(shí)輸入相電流諧波含量t h d i 會(huì)較小，功率因數(shù)相對(duì)較高。 隨著負(fù)載加大( r 值小) ，輸入相電流( i a 、i b 、i c ) 漸漸進(jìn)入斷續(xù)區(qū)，此時(shí)輸入 相電流諧波含量t h d i 會(huì)較大，功率因數(shù)相對(duì)較低。 綜合以上可以看出，輸入功率因數(shù)及輸入相電流諧波含量t h d i 不僅與l 、 c 1 的值有關(guān)，而且與負(fù)載等效電阻r 有關(guān)。因此合理匹配l 、c 1 、r 的值非常 關(guān)鍵。 2 一個(gè)h 橋單元整流電路諧波分析 對(duì)于一個(gè)非f 弦周期性變化的信號(hào)f ( t ) ，可以分解為傅里葉級(jí)數(shù) f ( t ) = a o + ( a ic o s ( d 1 f + b 1s i n 0 9 】f ) + ( d2c o s 2 c o l t + b 2s i n 2 0 9 lr ) + + ( 日女c o s k c 0 1 f + b s i nk c o l f ) + t ( 31 ) = + 他c o s k c 0 1 ，+ 釓s i n k c 0 1 0 k = i 式中 鏟等l f 吼= 季f 巾) c 砒州蛔門(mén) 3 7 f 32 ) 西安建筑科技大學(xué) ”郅鄺) s i 渤似c o ；t ) 對(duì)于具有奇函數(shù)性質(zhì)的函數(shù)( 廠( ，) = 一廠( 一f ) ) ，有a 。= 0 ，吼= 0 ，則傅罩 葉級(jí)數(shù)可簡(jiǎn)化為： 鄺) = ( b ks i n k c o 0 驢爭(zhēng)f t 巾) s i n k c o ，t d ( 州) ( 3 3 ) 對(duì)于具有奇諧函數(shù)性質(zhì)的函數(shù)( ( r ) = - f ( t + t 2 ) ) ，有b ：。= 0 ，則傅里葉 級(jí)數(shù)可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為： 鄺) = r 6 ：。s i n ( 2 k 一1 ) c o ，0 = b 1s i n c 0 1 r + b 3s i n 3 0 1 f + 即不含有偶次諧波。 q ( 3 - 4 ) 圖3 9 所示為只考慮e a b 作用時(shí)a 相電流波形，顯然為奇諧函數(shù)。i a l 可分 解為不含有偶次諧波的傅里葉級(jí)數(shù) 西安建筑科技大學(xué) i a l ( 0 = r 6 ：s i n ( 2k i ) o j ，0 = 1 = b ls i n l f + b s i n3 】t + ( 3 - 5 ) 由于e a c 滯后于e a b6 0 。電角度，則a 相總電流i a ( t ) 為 i a ( t ) = i a l ( t ) + i a l ( t 一萬(wàn)3 ) ( 3 - ( 5 ) 即如圖3 8 所示的a 相總電流i a ( t ) 為相差6 0 。 根據(jù)傅里葉級(jí)數(shù)性質(zhì) i a ( t ) = i a l t t ) + i a l ( t 一3 1 = b ls i n c o l f + b 3s i n 3 0 j l t + 。+ b s i n k c o l ，+ + b ls i n 0 9 l ( ，一n - 3 ) + 6 3s i n 3 0 j l ( r 一廳3 ) + = b 1s i n c o l ，+ b 3s i n 3 0 9 1r + + b ts i n k c 0 1 f + + b ts i n c o l 0 一萬(wàn)3 ) 一b 1s i n 3 c a l ，+ 。+ b ks i n k c 0 1 ( t 一刀3 ) + ( 3 - - 7 ) 由式3 7 看出，i a ( t ) 中3 次、9 次、1 5 次等3 t 次諧波均相互抵消，i a ( t ) 中只含有5 次、7 次、1 1 次、1 3 次、1 7 次、1 9 次等次數(shù)諧波。即 i a ( t ) = c is i n c o t t + c 5s i n 5 c o l f + c 7s i n7 0 9 1 ，+ + c 6 i ls i n ( 6 k 一1 ) 0 1 f + c 6 t + ls i n ( 6 k + 1 ) o j i f + ( ：j8 ) 式3 7 中的系數(shù)c l 、c 5 、c 7 為i a l ( t ) 與i a l ( t - “3 ) 三角和后的系數(shù)。因i a ( t ) 的大小、形狀、波形是否連續(xù)等與負(fù)載大小、電容值、電感值等均有關(guān)系，情況 比較復(fù)雜，對(duì)系數(shù)c 。、c 5 、c 7 這就不做具體分析了。 ( 二) 多個(gè)h 橋單元整流電路串聯(lián)工作時(shí)諧波及功率因數(shù)分析 對(duì)于串聯(lián)h 橋單元變頻器、其輸出電壓為各h 橋單元逆變電壓之和，各h 橋單元輸出電流相等。各h 橋單元接到一個(gè)或多個(gè)( 本系統(tǒng)為兩個(gè)) 變壓器的付 邊繞組上。如圖2 1 所示。若n 個(gè)變壓器副邊繞組線電壓相位差a 相等，a 為： a = 6 0 。y( 3 - 9 ) 3 9 西安建筑科技大學(xué) 則n 個(gè)變壓器副邊繞組線電壓總的相位差為n 口= 6 0 。，即n 個(gè)變壓器副邊繞組 線電壓相位在6 0 。范圍內(nèi)呈均勻分布。若不考慮一個(gè)或多個(gè)( 本系統(tǒng)為兩個(gè)) 變 壓器的內(nèi)部接法( 上面已給出) ，而把它看成一個(gè)多端口網(wǎng)絡(luò)，如圖3 1 0 歷示。 u 變壓器 i 1 i i 1 圖3 一l o 變壓器輸入輸出多端口網(wǎng)絡(luò)圖 對(duì)于圖3 1 0 所示變壓器輸入輸出端口圖，左側(cè)為串聯(lián)h 橋變頻器變壓器一相( 如 a 相) 的輸入端，右側(cè)為串聯(lián)h 橋變頻器變壓器一相的n 個(gè)輸出端。ul 、i l 為 變壓器一次側(cè)電壓和電流：u2 l 、i 2 l 、u2 2 、i 2 2 u2 n 、i 2 n 為變壓器副邊 側(cè)電壓和電流。 假設(shè)n 套副邊繞組完全相同，由于n 個(gè)變壓器副邊繞組線電壓有效值相等， 相位互差口= 6 0 。n ，則n 個(gè)變壓器副邊繞組線電流有效值相等，相位也互差 a = 6 0 。n 。將副邊繞組線電流折合到原邊，經(jīng)分析可得到以下結(jié)論： 1 1n 個(gè)變壓器副邊繞組線電流折合到原邊后，其n 個(gè)折合到原邊后的電流 ( “、f 1 2 i 1n ) 基波分量彼此之間相位差仍為。= 6 0 。n ，原邊總電流為n 個(gè)折合后的電流相量和。即： ，l = ，l ： + ，l ： + 其中j ，為總電流相量，圮、心，凡為i i i 、i 1 2 i ，n 的電流相量。 2 1為分析5 次以上諧波電流分量，我們首先給出下面結(jié)論：當(dāng)變壓器原邊線 電壓相位超前于副邊線電壓相位口角時(shí)，對(duì)于負(fù)序諧波電流分量( 6 k - 1 次) ，原邊 線電流滯后于副邊線電流a 角：對(duì)于正序諧波電流分量( 6 k + 1 次) ，原邊線電流超 前于副邊線電流a 角”1 。若以聯(lián)結(jié)組刖為y y 一0 為基準(zhǔn)，令其編號(hào)為0 ，則對(duì)于 變壓器副邊繞組線電流5 次諧波電流分量，第m ( m = o ，1 ，n 1 ) 個(gè)h 橋單元滯后 于第一個(gè)h 橋單元5 m 。根據(jù)前面結(jié)論。第m 個(gè)副邊繞組線電流對(duì)應(yīng)的飲側(cè) 5 次諧波電流分量滯后于第一個(gè)副邊繞組線電流對(duì)應(yīng)的一次側(cè)5 次諧波電流分量 西安建筑科技大學(xué) 的角度為5 m 口+ i l l 口= 6 1 1 1 口：對(duì)于7 次諧波電流，第m 個(gè)副邊繞組線電流對(duì)應(yīng)的 一次側(cè)7 次諧波電流分量滯后于第一個(gè)副邊繞組線電流對(duì)應(yīng)的一次側(cè)7 次諧波電 流分量的角度為7 ma m 口= 6 ma 。同理，第m 個(gè)副邊繞組線電流對(duì)應(yīng)的一次側(cè) 1 1 、1 3 次諧波電流分量滯后于第一個(gè)副邊繞組線電流對(duì)應(yīng)的一次側(cè)1 1 、1 3 次諧 波電流分量的角度為1 2m “；第m 個(gè)副邊繞組線電流對(duì)應(yīng)的一次側(cè)1 7 、1 9 次諧 波電流分量滯后于第一個(gè)副邊繞組線電流對(duì)應(yīng)的一次側(cè)1 7 、1 9 次諧波電流分量的 角度為1 8ma 。此時(shí)，變壓器編號(hào)相鄰的兩個(gè)副邊繞組5 、7 次諧波電流相位 差為6 x 6 0 。n = 3 6 0 。n ；1 1 、1 3 次諧波電流相位差為1 2 x 6 0 。n = 7 2 0 。n i 6 k 1 次諧波電流相位差為6 k 6 0 。n = k 3 6 0 。n ( k 為正整數(shù)) 。 當(dāng)n = 2 時(shí)，2 個(gè)副邊繞組線電流對(duì)應(yīng)的一次側(cè)5 、7 次諧波電流分量相位差 為6 x 6 0 。2 = 3 6 0 0 2 = 1 8 0 。，相互抵消；當(dāng)n = 3 時(shí)，一次側(cè)1 1 、1 3 次及以l i 電 流分量相互抵消。由此可以推出，對(duì)于n 個(gè)副邊繞組，一次繞組中低于6 n 1 次 諧波電流將相互抵消。對(duì)于本系統(tǒng)n = 6 ，則變壓器一次繞組中最低諧波電流次數(shù) 為3 5 、3 7 次。 實(shí)踐表明，采用多個(gè)變壓器副邊繞組線電壓相位在6 0 。范圍內(nèi)呈均勻分布接 法，不僅可以降低變壓器一次繞組中最低諧波電流次數(shù)，降低諧波電流含量，還 可以提高功率因數(shù)，功率因數(shù)可以達(dá)到o 9 5 以e ，甚至接近于1 。 3 3 串聯(lián)h 橋多電平變頻器p w m 工作原理及減少諧波方法研究 脈寬調(diào)制技術(shù)( p w m ) 就是利用寬度不等的一系列矩形脈沖去逼近正弦波。 通過(guò)脈寬調(diào)制技術(shù)，變頻器不僅可實(shí)現(xiàn)調(diào)壓、調(diào)頻，還可通過(guò)一定算法實(shí)現(xiàn)消弱 或消除某些高次諧波，從而減弱電動(dòng)機(jī)的震動(dòng)，在低速范圍內(nèi)也能穩(wěn)定運(yùn)行，擴(kuò) 大調(diào)速范圍，因此才有可能用交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速取代直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速。最近幾年， 變頻器控制技術(shù)迅速發(fā)展，其中原因之一就是p w m 控制技術(shù)的日臻完善。 在討論p w m 控制策略之前，先介紹一下有關(guān)p w m 方面的術(shù)語(yǔ)和定義。 ( 1 ) 載波頻率石 三角形載波的頻率，它確定了變頻器中丌關(guān)器件的工作頻率，同時(shí)對(duì)系 統(tǒng)的控制性能有較大影響。 ( 2 ) 調(diào)制頻率 調(diào)制波的頻率，它確定了變頻器輸出電壓的基波頻率。 f 3 ) 載波比p 載波比p 定義為載波頻率正與調(diào)制頻率i 之比。即 p = f s a 西安建筑科技大學(xué) ( 4 ) 電壓調(diào)制比m 電壓調(diào)制比m 定義為正弦調(diào)制波坼的幅值a r 與載波的幅值a 。之比。 即 m = a ，a 。 3 3 1 單個(gè)h 橋單元p w m 工作原理 對(duì)于通用變頻器( 如大量使用的兩電平變頻器) ，p w m 控制技術(shù)有許多種， 而且還在不斷發(fā)展中，但從控制思想上分，可以把它們分為五類(lèi)：即等脈寬p w m 法、正弦波p w m 法( s p w m 法) 、磁鏈追蹤型p w m 法、電流追蹤型p w m 法和 優(yōu)化p w m 法。但現(xiàn)在較常用的是s p w m 法。單個(gè)h 橋單元類(lèi)似于通用變頻器 ( 輸出為三電平或兩電平) ，因此，適用于通用變頻器的p w m 方法也適用于單個(gè) h 橋單元。 s p w m 法從電動(dòng)機(jī)供電電源的角度出發(fā)，著眼于產(chǎn)生一個(gè)可調(diào)頻調(diào)壓的正弦 波電源。具體方法如圖3 一1 1 所示，是用一系列脈沖波來(lái)代替正弦波。脈沖波的特 點(diǎn)是，其幅值相等，但寬度不等，總是在正弦波峰值附近的脈沖寬，兩邊的脈沖 窄，各脈沖面積與該區(qū)間的正弦波下的面積成比例，這樣，輸出電壓中低次的諧 波分量顯然可以大大減少。 u + u d 0 一u d 圖3 1 1s p w m 法 s p w m 法，可由模擬電路和數(shù)字電路等硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可由微型計(jì)算機(jī)即硬 件和軟件結(jié)合的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于微型計(jì)算機(jī)速度越來(lái)越快，功自越來(lái)越強(qiáng)，凼 此本裝置采用數(shù)字控制系統(tǒng)，即由微型計(jì)算機(jī)通過(guò)硬件和軟件結(jié)合的方法來(lái)實(shí)現(xiàn) s p w m 控制功能。 s p w m 法中，調(diào)制波蜥為正弦波，載波“。為三角波。根據(jù)調(diào)制波和載波的 比較產(chǎn)生p w m 波形的方法主要有以卜三種： ( 1 )自然采樣法 自然采樣法是采用正弦調(diào)制波和三角載波自然交點(diǎn)來(lái)決定脈沖寬度的方法。 4 2 西安建筑科技大學(xué) 其優(yōu)點(diǎn)是：采用電壓直接比較，便于模擬電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，脈沖寬度誤差較小；其缺 點(diǎn)是：脈沖寬度計(jì)算公式復(fù)雜，方程求解困難，不利于用數(shù)控系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。 ( 2 )規(guī)則采樣法 規(guī)則采樣法又分為對(duì)稱(chēng)規(guī)則采樣法、不對(duì)稱(chēng)規(guī)則采樣法和平均對(duì)稱(chēng)規(guī)則采樣法三 種。平均對(duì)稱(chēng)規(guī)則采樣法采樣時(shí)刻設(shè)在三角載波的谷點(diǎn)處。以此刻的m 弦波數(shù)值 為中心，引一水平線與兩側(cè)的三角載波相交，其交點(diǎn)為p w m 脈沖的前后沿。平 均對(duì)稱(chēng)規(guī)則采樣法使輸出電壓較對(duì)稱(chēng)規(guī)則采樣法和不對(duì)稱(chēng)規(guī)則采樣法為高，月每 個(gè)采樣周期只采樣次正弦調(diào)制波微處理器的工作量n x , j 較小。因此本方式稿 數(shù)控系統(tǒng)中廣泛采用。 ( 3 )直接p w m 法 直接p w m 法的思路是使每一載波周期內(nèi)逆變器輸出脈沖的面積利在同一載波周 期內(nèi)希望得到的正弦調(diào)制波的面積相等。不象一般p w m 方法還需要有正弦調(diào)制 0