高压变频器的研究与应用

摘 要：本文主要介绍了高压变频器的主要类型特点和结构，并以此为基础叙述了高压变频器多样的控制方法。高压变频器采用不同的技术，其相应的稳定性、可靠性等性能指标也不相同。只有不断的研究探索，才能得到投入少、效率高的理想变频器。

关键词：高压变频器 控制 市场应用 输入变压器

中图分类号：N73T7 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）02（c）-0131-01

我们平时所说的高压变频器，输入的电源电压一般都在3000 V以上，属于大功率变频器。就目前的国内市场来看，电压等级从3000～10000 V不等，种类也有高-低-高、低-高和高-高之分。对于传统的高压变频器，主要包含可控硅整流、硅逆变等结构，存在许多不足之处，其产生的谐波将影响到电网和电机的正常使用。近些年来，电力电子技术及计算机控制技术发展迅速，涌现出了一些新型的器件，改善了原有系统的不足之处，如目前常用的IGBT、IGCT等新型原件。这些新型原件所构成的先进高频变压器性能得到了明显的提升，可以实现PWM逆变和PWM整流，而且产生的谐波较小，可以有效的提高功率因数。

1 高压变频器的分类

随着高压变频技术的不断发展，市场上出现了种类繁多的高压变频器，其分类方法也不尽相同。如果只关注变频器的中间环节是否产生直流电，高频变压器可以分为交变变频器和交直交变频器；如果侧重于所产生直流电的性质，就可将高频变压器分为电流型和电压型变频器；如果按照过程中是否产生低压回路，可将高压变频器分为高高变频器和高低高变频器；如果仅仅依据变频器的输出电平数，可分为两电平、三电平及多电平变频器；通用变频器和高压变频器是按照高压变频器的等级和用途进行分类得到的，二极管嵌位型和电容嵌位型的分类原则是变频器的嵌位方式。

1.1 高低高变频器

高低高变频器的主要原理是利用降压变压器结构，将电网中原有的高压转变为低压，低至低压变频器的额定或是允许的输入电压范围。通过高低高变频器的转换，形成了交流电，并且交流电的频率和振幅都可以随着设定的不同而改变，然后交流电再经过升压变压器的转换，转化为机器需要的特定电压数。高低高变频器的工作方式，过程中采用了标准的低压变压器进行降压，然后通过升压变压器进行升压，其优点就是可以通过对变压器的参数设定，任意匹配不同登记的电网和电动机，当数量较小时，其成本比直接高压变频的方法低。高低高变频器的一个主要缺点，就是升压和降压的变压器体积较大，十分笨重，并且容易影响频率的变化范围。高低高变频器通常被划分了电流型变频器和电压型变频器两种类型。

1.2 交-交变频器

交-交变频器工作过程中不会出现直流环节，可以利用晶闸管直接实现交流到交流的变频。如果变频器的工作条件在3000 V以下，每个相需要12只晶闸管，这样三个相相加就是36只；如果工作电压大于3000 V，就必须将晶闸管串联起来，数量也就要加倍。交-交变频器的电路结构主要分为两类：一种采用的是公共交流母线的进线方式；另一种是输出星形的连接方式。交-交变频器所具有的优点是：过程中没有直流，只有一次变流，效率较高；由于其输出特点，可以较为简单的实现四个象限同时工作；其输出的低频率波与正弦波非常接近，利用率高。交-交变频器也存在一些不足之处：首先就是电路结构复杂，不利于接线，输出的频率相对其他高压变频器较低，相应的输出功率因数就低；另外在谐波方面，输出电流中谐波含量大，形成的频率谱较为复杂。就目前我国的应用情况来看，交—交变频器主要应用于50万或是100万瓦以上的大功率低转速的交流调速电路之中。

2 高压变频器的控制方法与策略

通过对我国高压变频器市场的调查发现，其控制方法主要有以下几种。

电动机稳态模型。通过多种PWM调制技术的应用，改变电机的工作频率，同时控制电动机的电压或电势。在V/f协调控制之下，可以将磁通量近似的稳定在一个常态，方法简单可行，通过这种方式可以控制电动机的开环速度。由于低速状态下，异步电动机定子电阻压降所占比重增加较大，不能再忽略不计，所以现在应用中存在的主要问题是低速性能较差。还有，由于V/f协调控制是在稳态的基础上得出的，因而在动态情况下性能就会相应的下降。

当保持磁通量在一个稳定的状态下时，通过异步电动机稳态的等效电路和转矩的公式进行推导，可以对转差频率进行控制。这样得到的推到结果只是用于转速变化较慢的情况，因而在转速变化快的情况下转矩的控制性能差。

电动机动态模型。矢量控制技术的基础条件是坐标变换后的电动机动态模型，通过坐标变换，使得交流电机在理论上能像直流电机一样分别对励磁分量与转矩分量进行独立控制，使得电动机的动态性能如直流电动机一样良好。这种转换的不足之处在于，矢量控制需要确定转子的具置，为了保证电动机的工作状态，还需要控制磁链的幅值。这些参数都与电动机有直接的关系，并且在机器实际工作情况下，这些参数并不是固定值，会随着周围温度和励磁条件而不断的变化。这些都会严重影响控制系统的动态性能，甚至会直接导致系统失稳。这一问题是国内外专家研究的重点问题之一。

动态模型还可以采用直接转矩，对异步电动机和磁链分别进行控制。不像矢量控制系统那样亿转子磁链为基础，直接转矩控制的对象是定子磁链。这种控制方式省去了坐标变换的步骤，也不会受到转子参数变化的干扰，整个结构简单可靠，动态、静态性能都比较良好。

3 结语

高压变频器以及一些与其相关的产品是电力电子行业中一个尚未得到良好解决的难题，近些年来也受到了全世界业内人事的广泛关注。高压变频器不仅涉及大功率交流电动机的各类负载的调速和节能，还涉及到一些其他事关国计民生的重点领域。因此，我们应该加速对高压变频器电路和控制技术的探索，开发出具有自主知识产权的、性能优异的高压变频器，不断发展我国的高压变频器技术。

参考文献

[1] 张皓，续明进，杨梅.高压大功率交流变频调速技术[M].北京：机械工业出版社，2006.7.

[2] 王兆安，黄俊电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2004.

[3] 陈伯时，电力拖动自动控制系统[M].北京：机械工业出版社，199704.

[4] 王顺晃，舒迪前.智能控制系统及其应用[M].北京：机械工业出版社，1995.