基于集成门极换流晶闸管器件实现两电平变频器的设计

在国际能源短缺和全球变暖的严峻形势下，降低能源消耗和温室气体排放迫在眉睫。实践证明，在一定的工作条件下，工业电机节能是一种有效的途径。据统计，我国有4000多万只需调速节能的风机，年耗电量约1500亿kWh，节能潜力450亿kWh/年。
节能效果显著的高压变频器之所以在前期推广缓慢，一方面是一次性投资大，部分产品可靠性不高，另一方面变频器的应用会带来一些新的问题，比如电网谐波污染、电机谐波损耗发热、电机绝缘老化等。随着国家对节能减排的重视和变频器技术的发展，高性价比高压变频器的应用越来越多。普通变频器往往有较高的DI/DT和DU/DT的电应力，电路输出含有较高的谐波。采用合理的电路拓扑可以有效降低DI/DT和DU/DT，采用合理的控制算法可以降低谐波输出，从而大大提高变频器的可靠性，减少谐波对电网的污染。然而，基于IGGT器件的平高逆变器产品的输出谐波含量小于2%，效率高达98%。
1变频器技术介绍
与两台平高电压(6kv)逆变器串联的单个功率管额定电压为6000232800(V)，最大工作电压达到2800  1.15  1.08  3500 (V)(考虑15%过压和8%变压器阻抗)，对单管吸收回路及其控制提出了很好的建议，从图1和图2可以看出，级联产品每个功率管的额定电压为6000因此，实现两电平拓扑高压逆变器比级联逆变器困难得多。双功率平高电压(6kV)变频器具有以下特性：
(1)级联逆变器需要150个功率管，而两电平逆变器只需要36个功率管，因此两电平逆变器的故障概率可以大大降低，可靠性可以大大提高；
(2)级联逆变器变压器出口45个，而两电平逆变器只有9个，明显降低了故障概率；
(3)级联逆变器不允许将电机放在离逆变器太远的地方，以免因机端反激而导致逆变器保护异常甚至逆变器和电机损坏，而两电平逆变器有Lc滤波环节，因此输出电缆没有大的DU/DT，机端也没有反激现象，所以没有这种限制；
(4)能量流方面，两电平变频器只需对整流电路稍加改造就能实现4象限运行，这是目前级联变频器技术无法实现的。
(5)两电平变频器用高压金属薄膜电容代替电解电容，可使整机寿命超过10年，这也是级联变频器难以实现的。
基于IGCT器件的两电平技术介绍
图3是双功率平高电压变频器的主电路拓扑。逆变部分采用高耐压大电流功率开关器件IGCT，内部集成反并联续流二极管；为了减少对电网的影响，整流电路采用18脉波二极管整流结构。其核心技术是特定谐波消除技术、Lc滤波技术和多IGCT系列均压技术。
在设计中，具体的消谐技术和LC滤波技术完美结合，取得了理想的效果。实验测得的两台平高电压逆变器的输出电压和电流波形如图如图4所示，其中几乎没有谐波，du/dt大，对电机绝缘无损伤；同时，将滤波电容中点接地可以消除共模电压(即消除电机轴向电压)，从而不影响电机的使用寿命。
基于IGCT器件的双功率平高电压变频器的设计难点在于多个串联功率管的动态均压。经过严格的计算、精确的仿真和反复的试验改进，得到了额定电流条件下功率管关断均压的实测波形，如图如图5所示。在图5中，第二峰值电压分别为3525伏、3360伏和3240伏，三个功率管的电压与平均电压的偏差小于5%，达到了良好的均压效果。如动态均压电路的如图6所示，该电路不仅带来了良好的均压效果，而且在IGCT导通的瞬间造成了过大的DI/DT，这是IGCT器件所不允许的。从抑制DI/DT的角度来说，需要增加电阻值，但是大的电阻必然会降低动态均压的效果。因此，图5所示的电压均衡不是最佳结果，而是考虑di/dt后的综合结果。
4结论
从以上分析可以看出，平高电压变频器性能优异，在降低输出谐波含量、提高变频器效率、延长电机使用寿命、提高系统工作稳定性方面具有很大优势。在电力系统、煤矿、城市供水等对设备可靠性和安全性要求较高的应用中，采用输出谐波含量低、对负载损害小的双功率平高电压变频器是一种很好的选择。