摘 要：本文對(duì)高壓變頻系統(tǒng)的多重電壓整流做了一個(gè)仿真研究，并得到了整流后的直流側(cè)波形圖，加以分析后，可以發(fā)現(xiàn)多重電壓整流對(duì)于高壓變頻系統(tǒng)的直流電壓脈動(dòng)有很好的抑制作用。

關(guān)鍵詞：高壓變頻，多重電壓，直流脈動(dòng)

Abstract: In this paper, the multiply voltage rectification of high-voltage frequency converter will be analyzed by emluator. And then the DC side wave of rectifier can be got. After comparing and analyzing these waves, the restrainable effect of multiply voltage rectification to DC pulsant of high-voltage frequency converter will be very clear.

Key words: high-voltage frequency converter; multiply voltage; DC pulsant

1、引言

　　在鋼鐵工業(yè)領(lǐng)域，傳動(dòng)系統(tǒng)是核心的設(shè)備;在傳動(dòng)的實(shí)現(xiàn)和控制上直接的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是電動(dòng)機(jī)，對(duì)電機(jī)的控制可以說(shuō)是鋼鐵工業(yè)的一個(gè)主要內(nèi)容。在很多領(lǐng)域，特別是高壓大功率領(lǐng)域，直流電機(jī)的傳動(dòng)已經(jīng)淘汰，雖然直流電機(jī)的調(diào)速性能優(yōu)異，但其結(jié)構(gòu)本身的弱點(diǎn)難以克服?，F(xiàn)在交流電動(dòng)機(jī)在傳動(dòng)領(lǐng)域占據(jù)著主導(dǎo)地位，特別是變頻技術(shù)的發(fā)展使得交流電機(jī)優(yōu)勢(shì)更加明顯。當(dāng)然，在鋼鐵工業(yè)中經(jīng)常遇到的高壓領(lǐng)域，交流變頻技術(shù)還不能說(shuō)十分的完善，還是有一些值得技術(shù)人員探討的熱點(diǎn)，在本文中將就高壓變頻的輸入整流部分做一個(gè)分析研究，看看在多重電壓整流下，變頻器中間直流側(cè)的脈動(dòng)電壓會(huì)有哪些特點(diǎn)。

2、高壓變頻的多重電壓輸入結(jié)構(gòu)

　　2.1 高壓變頻器的功率單元串聯(lián)結(jié)構(gòu)

　　我國(guó)的高壓變頻定義是6000V以上的高壓輸入，在工業(yè)實(shí)踐中使用最多的是6000V和10000V高壓輸入。在這樣的高壓下，按照傳統(tǒng)中低壓變頻的電路結(jié)構(gòu)是無(wú)法直接使用的，原因在于功率單元器件無(wú)法承受這樣的高電壓等級(jí)，那么為了滿足需要，實(shí)踐中采用了功率單元串聯(lián)的方法，使低壓器件能夠串聯(lián)分壓，達(dá)到高電壓輸出的目的。

　　這里值得強(qiáng)調(diào)的是，功率單元的串聯(lián)不同于功率器件的串聯(lián)，兩者有著本質(zhì)的區(qū)別：功率器件串聯(lián)雖然也能解決單個(gè)功率器件耐壓不足的問(wèn)題，但串聯(lián)器件間的均壓很難實(shí)現(xiàn)，均壓不均的結(jié)果是功率器件在高壓下被擊穿損壞;而功率單元串聯(lián)是高壓輸入后被拆分為數(shù)個(gè)低壓，而后在輸出側(cè)串聯(lián)成高壓輸出，不存在器件的均壓?jiǎn)栴}。在圖2.1中可以看到功率單元串聯(lián)的結(jié)構(gòu)，在本文中重點(diǎn)討論輸入的整流問(wèn)題，所以也只表述出整流側(cè)的結(jié)構(gòu)原理。

圖2.1 功率單元串聯(lián)的結(jié)構(gòu)原理

　　2.2 整流輸入電壓的多重化原理分析

　　變壓器有一個(gè)很重要的應(yīng)用就是變相位。為了達(dá)到多脈波整流的目的，特別是在輸入多重化時(shí)希望得到多種超前或落后的角度，以便讓不同的串聯(lián)單元處于不同的電角度上。這樣做有兩個(gè)重要的目的，一個(gè)是整流后的直流側(cè)電壓脈動(dòng)很小，另外一個(gè)是對(duì)電源側(cè)的諧波干擾小，諧波減小對(duì)于工業(yè)用電的綠色智能意義重大，是保證電源質(zhì)量，降低設(shè)備間干擾的重要保證。

　　在工業(yè)用電中高壓變頻系統(tǒng)的進(jìn)線是高壓，利用功率單元串聯(lián)可以使得每個(gè)功率單元處理低壓，而后在輸出側(cè)串聯(lián)成高壓來(lái)達(dá)到目的。進(jìn)線的高壓需要通過(guò)變壓器來(lái)變成器件可承受的低壓，還要保證較小的諧波干擾。那么就需要充分利用變壓器變壓、變流和變相位的作用，使不同單元的輸入相差一個(gè)電角度，達(dá)到多重電壓整流的目的。

　　在實(shí)際應(yīng)用中通常采用延邊三角形的方法來(lái)做電角度的移相，關(guān)于延邊三角形的電學(xué)推導(dǎo)在很多資料上都有詳述，這里不在重復(fù)，只給出幾個(gè)結(jié)論公式。延邊三角形移相的圖示如圖2.2所示：

圖2.2 延邊三角形移相的結(jié)構(gòu)原理

　　下面兩個(gè)是重要的結(jié)論公式：這里的θ為二次線電壓超前于一次相電壓的相位角，設(shè)變壓器一次、二次繞組匝數(shù)分別為N₁和N₂，變比為n，二次側(cè)的移相繞組和基本繞組匝數(shù)分別為kN₂和（1-kN₂），當(dāng)然k是一個(gè)介于0和1之間的正數(shù)。



　　可以清楚的看出，當(dāng)k介于0和1之間時(shí)，此種延邊三角形方式可實(shí)現(xiàn)α的-π/6至0度的相位滯后位移。如要求滯后3.75°且一次輸入電壓為6000V，則可計(jì)算出k=0.796，n=0.0741。這就克服了變壓器在傳統(tǒng)星三角聯(lián)接方式下只能30°整數(shù)倍移相的缺點(diǎn)。

3、整流輸入電壓的多重化波形分析

　　從理論上說(shuō)，多重化整流有兩個(gè)好處，其一：直流母線上的電壓脈動(dòng)小，提高了直流側(cè)直流電源的質(zhì)量，對(duì)于逆變是很有好處的;其二：對(duì)電源側(cè)的諧波干擾小，減少了對(duì)電網(wǎng)和其它設(shè)備特別是精密設(shè)備的影響。本文重點(diǎn)分析一下直流母線上的電壓脈動(dòng)問(wèn)題，不做太多理論上的推導(dǎo)和計(jì)算，而是直接利用計(jì)算機(jī)仿真研究的方法來(lái)從側(cè)面證明多重電壓整流的意義，驗(yàn)證其理論推導(dǎo)上的結(jié)論。

　　在Matlab環(huán)境下，通過(guò)一個(gè)模型來(lái)仿真整流后的波形，并以4單元串聯(lián)和8單元串聯(lián)為例，來(lái)進(jìn)行一個(gè)對(duì)比。波形圖如圖3.1和圖3.2所示：

圖3.1 四個(gè)單元串聯(lián)的直流側(cè)電壓波形

　　圖3.1表示四個(gè)功率單元串聯(lián)，組間移相15°的情況，可以看到波形雖然感覺(jué)波動(dòng)很厲害，實(shí)際上只是在20V左右的區(qū)間內(nèi)波動(dòng)，相對(duì)于數(shù)千伏的輸出，電壓是很平穩(wěn)的。

圖3.2 八個(gè)單元串聯(lián)的直流側(cè)電壓波形

　　圖3.2顯示的結(jié)果是八功率單元串聯(lián)時(shí)的仿真波形，圖中最高輸出電壓為6798V，而最低電壓為6795V左右，即上下差了不到3V，直流電壓的平穩(wěn)程度又提高了很多?？梢?jiàn)多脈波整流輸出的直流電壓質(zhì)量比較高。

　　圖3.3和圖3.4是八單元串聯(lián)的直流側(cè)電壓的局部放大圖。

圖3.3 八單元串聯(lián)的輸出直流電壓局部放大圖1


圖3.4 八單元串聯(lián)的輸出直流電壓局部放大圖2

　　從以上四個(gè)圖中可以得到的結(jié)論是，功率單元串聯(lián)后的直流電壓脈動(dòng)很小，幾乎可以忽略不計(jì)，直流側(cè)作為變頻器的中間過(guò)度環(huán)節(jié)，特別是高壓大功率的變頻系統(tǒng)，直流側(cè)電源的穩(wěn)定對(duì)逆變側(cè)高質(zhì)量的輸出意義重大。

　　在武鋼煉鐵廠高爐的除塵風(fēng)機(jī)中，大量采用了多重電壓的輸入整流技術(shù)，其效果是非常理想的，不僅達(dá)到了工藝上的要求，還達(dá)到了節(jié)能環(huán)保的目的，對(duì)電網(wǎng)的影響也是比較小的，相比于傳統(tǒng)控制方式，作用明顯。

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