基于碳化硅宽禁带器件的三相变频器新机理

基于碳化硅宽禁带器件的三相变频器新机理、新结构与技术的研究 变频器（frequency transformer）一般是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。变频器由于能够实现高性能变频调速，满足各种生产工艺的电气传动要求而受到人们的重视,在节能与新能源倍受重视的当今社会，变频器节能技术已经成为电力电子行业的研究热点目前，性能最优的变频器是双PWM变频器。双PWM变频器的拓扑结构由三部分构成，分别是整流级、中间直流环节和逆变级整流级通常采用三相六开关的拓扑结构，其发展经历了不控整流(二极管整流)、相控整流(晶闸管整流)到PWM整流器的历程;中间直流电压型和电流型两种，广泛应用的为电压型;逆变级采用二相六桥臂全控桥式电路。电力电子技术向着高电压、大功率方向的发展使得中性点箱位三电平高压变频器拓扑结构的优势越来越受到人们的重视,相关研究与应用也越来越多、越来越广。高压变频器是实现高压电动机无级调速,满足生产工艺过程对电动机调速控制要求的专用电器,它的广泛应用对于提高产品的数量和质量,节约能源,降低成本有着重要的意义.500kW以下的IGBT变频器技术比较成熟,但在大功率高频高压领域,由于电压高,单IGBT器件无法满足耐压要求.一些国外大公司努力采用串联技术,即将多个IGBT串联以满足电动机的高压要求.这样系统中就必须有“均压技术”,但由于受半导体材料的影响,决定了“均压技术”很难解决,阻碍了高中压大功率IGBT变频器的发展.电力电子器件的耐压始终有限,这不但限制了高压变频器过电压的承受能力,还增加了过电压保护设计的难度。 高压大功率变频调速器具有启动电流小、功率因数高、调速特性优良、节能效果明显和易于实现自动控制等优点,是电动机调速节能最有效的方式。它从本质上改变了利用挡板、阀门或者液力祸合器等装置进行电动机输出量调节的方法,极大的提高了电动机的生产效率和控制能力、降低了电能的消耗。此外,它还是电动机软启动的理想设备,在实现大转矩输出的同时,还能有效的控制启动电流,减小电动机启动时的过流冲击。然而,高压变频器系统结构还需要不断完善,其运行特性还需要详细分析,各种故障情况下的保护还需要改进与提高,控制方式还需要进一步优化,这些都是为了使高压变频器得到更为广泛和充分利用所必须解决的问题。因此,非常有必要对高压变频器从结构和工作原理上进行深入分析与研究,为故障情况下的保护设计、控制策略优化提供新的方法与理论依据。本论文工作的开展具有重要的应用价值和理论意义,其研究成果具有实际应用前景,能带来巨大的经济价值和社会效应。随着对高性能、大功率电源的需求，三相变换器成为理想的解决方案.三相变换器是一个非线性、强藕合系统，一般需要解耦控制，但依靠模拟电路实现完全解藕、完成矩阵运算是不可能的.因此，三相变换器一般采用数字控制来实现其复杂的控制策略.单片机技术，特别是数字信号处理器(DSP)技术的发展，为实现复杂的数字控制策略奠定了基础. 。根据英国石油公司一年世界能源统计,全球一次性能源消费增长率逐年降低并于年出现负增长。核能在减缓能源危机方面起到一定的作用,但是其潜在的危险性和对环境的影响却带来另一个严重的问题,使其利用受到限制。此外,虽然可再生能源包括风能和太阳能等近年来增长迅猛,但是受环境因素影响,依然只占总能源消费的一小部分。对于发展中国家中国等,为了保持较快的经济发展速度,虽然在减少能源消耗方面也做了大量努力,但一次性能源消费增长率依然远高于世界平均水平。就目前来看,节能措施的研究比开发新能源更具有实际意义,节能成为世界各国关注的焦点。由于电动机转速与输入电源频率成正比关系,所以只要能调节输入电源频率,就能实现对电动机转速的控制,从而达到调速节能的目的。电力电子技术的出现与发展使电动机调速节能成为可能,变频调速器就是在这样的背景下应运而生,它广泛应用于需要对电动机进行调速节能的各种场合,其节能效果明显。随着全控型电力电子器件向着高频、高压、大功率方向的发展,变频调速器也向着高压大功率方向发展。高压变频器拓扑结构与控制方式由于电力电子器件的耐压和功率有限,目前世界上高压变频器不像低压变频器那样具有相似的拓扑结构,它们的拓扑结构因所选用的电力电子器件的不同而各异。根据高压组成方式,可分为高一低一高型和高一高型,其中,高一高型高压变频器根据有无中间直流环节,又可分为交一交型和交一直一交型。在交一直一交型高压变频器中,根据中间直流滤波环节的不同,又可分为电流源型和电压源型降。在电力电子器件耐压和功率还比较低的时候,为了对高压电动机进行调速节能控制,一般采用高一低一高型高压变频器,其结构原理如图所示。高一低一高型高压变频器的工作原理是电网输入高压通过降压变压器转换为低压,通过低压变频器变频,再通过升压变压器升压到负载电动机的额定电压,从而实现高压变频调速的目的。其实质上还是低压变频器,只是从电网和电动机两端来看是高压的而己。这种结构的优点是可利用现有的低压变频技术来实现高压变频调速,技术比结构简单,节电流大,效率低,易于实现其缺点是使用了降压和升压两台变压器,中间低压环可靠性差,成本高,系统体积大,低频时能量传输困难。该结构只适用于小容量高电压电动机的简单调速。随着电力电子技术的不断进步,电力电子器件耐压和功率的提高,出现了高一高型高压变频器。该类型变频器比高一低一高型高压变频器减少了降压和升压变压器,节约了成本,提高了效率,减小的体积,增强了系统可靠性。高一高型高压变频器根据有无中间直流环节,又可分为交一交型和交一直一交型传统交一交型变频器采用晶闸管自然换流方式工作,稳定可靠,最高输出频率为电网频率的一,在大功率低频调速领域有很大的优势。由于没有直流环节,交一交型高压变频器变频效率高,结构简单,不需要直流电路及滤波电路,与电网之间易于实现有功功率回馈和无功功率处理,动态响应特性好,可根据需要进行四象限控制运行,不但可以驱动异步电动机,还能用于驱动同步电动机。然而,其低速时功率因数低,电网侧谐波严重,输出频率变化范围窄,工作原理较为复杂,硬件实现困难,特别是对工作电压在以上的高压变频器,要求的电力电子器件数量成倍增加,成本剧增,使它的应用受到一定的限制。现在国际上只有西门子等少数企业有成熟产品推出,并局限在轧钢等冶金领域应用。矩阵式变频器是一种新型交一交变频器一川。它由九个直接接于三相输入和输出之间的电力电子开关器件阵组成。它没有直流环节,输出电压为三电平,谐波含量比两电平小,电压幅值、相位及频率均可控,电路简单、紧凑,输入功率因数可控,可实现四象限运行。然而,它在换流过程中不允许出现两个电力电子开关器件同时导通或者关断的情况,控制起来比较困难。此外,电力电子开关器件受承受的电压高,使得这类变频器的应用受到了限制。交一直一交型变频器一般由整流部分、直流环节和逆变部分三部分组成,其结构原理如图所示。整流部分可以采用二极管不控整流,也可以采用全控电力电子可控整流,还可以根据需要使用脉波整流、脉波整流等,以提高直流环节电压质量。直流环节的作用是通过电容或者电感对整流后的电压或者电流进行滤波,向逆变部分提供稳定的电压支持。逆变部分则对负载电动机的输入电压和频率进行调节,以实现调速和节能。交一直一交型变频器根据直流环节采用的滤波器件的不同,可以分为电流源型和电压源型。其中,电流源型的直流环节采用串联电感进行滤波,电压源型的直流环节采用并联电容进行滤波。电流源型变频器的优点是由于直流环节串联电感,当维持电流方向不变时,可以通过控制改变整流部分和逆变部分的电压极性来实现电动机的四象限运行能抑制短路等故障发生时的电流上升率,易于实现过流和短路保护。缺点是输出电流谐波含量大,容易造成电动机发热当输入谐波含量高时,必须使用滤波器,增加了系统成本和体积由于电感的存在,电流动态响应慢,电动机需求的电磁转矩跟不上电动机输出转矩变化,动态特性偏软此外,对电力电子器件的耐压要求较高。电压源型变频器的优点是当负载为感性时,其输出电流波形近似正弦波,易于滤波在电动机转速开环控制下,可以对电动机的电磁转矩进行控制,动态特性好,控制简单。缺点是过流及短路保护较为困难要求电力电子器件关断时间短。综合对比电流源型变频器和电压源型变频器的优劣,以及考虑电力电子技术发展适应程度,目前电压源型变频器受到了广泛的研究与应用。在电压源型变频器中,多电平高压变频器因其输出电压谐波小,倍受世人重视。常见的多电平高压变频器有两电平高压变频器、串联多重化高压变频器、中性点箱位高压变频器和飞跨电容箱位高压变频器。两电平高压变频器拓扑结构和常规的低压变频器拓扑结构相同,只是由于电压等级和功率的提高,要求使用的电力电子器件耐压和功率也相应提高。图所示为两电平高压变频器拓扑结构。两电平高压变频器的优点是使用的电力电子器件少,可靠性高,体积小,控制策略成熟,易于实现模块化,容易实现冗余设计采用可控整流时,可实现电动机四象限运行。缺点是输出电压谐波含量大,增加了滤波器设计的困难和体积单个电力电子开关器件承受的工作电压较高由于电力电子器件耐压有限,当电压等级要求较高时,需要将电力电子开关器件串联使用,这就需要增加均压电路,加大了系统结构的复杂性,降低了系统可靠性。变频器的主电路大体上可分为两类：电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容；电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。