中压变频器发展与应用

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1、中压变频器的发展与应用周志敏（莱芜钢铁集团有限公司动力部，山东莱芜271104）1主流器件中压变频技术发展至今，其主回路拓扑结构随电力电子器件的创新开发而不断发展，早期的SCR器件,也随着电力电子器件的不断创新在中压变频领域有逐步被淘汰的趋势。而GTO具有高电压、大电流的发展潜力，但驱动电路复杂，影响可靠性，另外G-K所在的J3结是特性很软，耐压很低的P-N结，若GTO未处于导通状态就连续对J3结施加强的负门极脉冲,这是很危险的，因此，在应用中GTO状态识别和逻辑保护是十分重要的。用内部MOS结构关断的GTO，因工艺复杂，目前尚未能实现大功率化，而为

2、实现可关断MOS结构的GTO，开发研制出把MOS结构置于GTO外面来协助关断的IGCT。IGCT适用于大电流（1kA以上）、低频率（1kHz以下）的应用，由于从研制生产到应用的一系列技术受到专利的保护，在推广应用和器件竞争中未能完全取代GTO。IGBT作为第三代电力电子器件，因其工作电压较低，在多电平级联式变频装置中有其广阔的发展前景。其作为主回路器件的中压变频装置，具有改善输出电流波形，减少谐波对电网的污染及减少系统和电动机的电应力。IEGT是最为崭新的电力电子器件，吸取了IGBT和GTO两者的优点，叫做“注入增强栅晶体管”，它是在沟槽型IGBT基

3、础上，把部分沟道同P区相联使发射极区注入增强，使得IEGT具有高电压、大电流和高的工作频率，更适合在高电压、大功率、高频率的变频装置中应用。目前，应用在中压大功率变频领域的电力电子器件，已形成GTO、IGCT、IGBT、IEGT相互竞争不断创新的技术市场，在大功率（1MW）、低频率（1kHz）的传动领域，如电力牵引机车领域GTO、IGCT有着独特的优势，而在高载波频率、高斩波频率下，IGBT、IEGT有着广阔的发展前景，在现阶段的中压大功率变频领域，将由这4种电力电子器件构成其主流器件。2主流结构目前，中压大功率变频器的主流结构为中－中方式及其派生的

4、形式，中－中大功率变频器按其中间直流环节的储能元件的不同，可分为电压源型和电流源型。2.1电压源型中－中变频器电压源型中－中变频器由整流器和逆变器两部分组成，在逆变器的直流侧并有大电容器，用来缓冲无功功率。当输出电压高于普通PWM电压源型变频器时，采用3电平PWM方式，可以避免器件串联的动态均压问题，同时降低输出谐波和du/dt。3电平PWM方式整流电路采用二极管，逆变部分的功率器件采用GTO、IGBT或IGCT。每个桥臂虽由4个功率器件串联，但是不存在同时导通和关断以及由此引起的动态均压问题。由于输出相电压电平数增加到3个，每个电平的幅值下降，且提

5、高了谐波消除算法的自由度，可使输出波形比2电平PWM变频器有较大的提高，输出du/dt也有所减少。若输入也采用对称的PWM结构，可以做到系统功率因数可调，输入谐波也很低，且可4象限运行。为了减少输出谐波和转矩脉动，希望有较高的开关频率，但这又会导致变频器损耗增加，效率下降。3电平变频器输出若不设滤波器，一般需要特殊电动机，若使用普通电动机应降额应用。2.2电流源型中－中变频器3电流源型变频器的最大优点是，电能可以回馈到电网，构成的交流调速系统可实现4象限运行。由于输入侧采用桥式晶闸管整流电路，输入电流的谐波含量较大，功率因数低，且随着系统转速的下降而

6、降低，另外，电流源型变频器还会产生较大的共模电压，若不采用输入变压器，其共模电压会影响电动机的绝缘，装置的输出电流谐波也较高，会引起电动机的额外发热和转矩脉动，从而影响系统的动态指标。由于驱动功率、均压电路等固定损耗较大，系统效率会随着负载的降低而下降。采用GTO作为逆变部分的功率器件，可以通过PWM开关模式来实现消除谐波电流，但系统受到GTO开关频率上限的限制，一般控制在几百赫兹左右，若整流电路采用GTO作电流的PWM控制，可以得到较低的输入电流谐波和较高的输出功率因数，会使系统结构复杂和成本增加。电流源型的发展稍晚于电压源型，在主回路方面，电流源

7、型与电压源型比较有3大差别：（1）逆变器的直流侧采用大电感器作为滤波元件，即直流电路具有较大的阻抗，由于电感的作用，三相整流桥交流侧的输入电流为120°方波的交流电流，同样，三相逆变桥交流侧输出电流也为120°方波的交流电流。由于电感的作用，能有效地抑制故障电流的上升率，实现较理想的保护特性。（2）没有与逆变桥反向并联的反馈二极管桥，这里，整流桥和逆变桥的电流方向始终不变，传动系统能量的再生可以通过整流桥和逆变桥的直流电压同时反相，将能量返送到交流电网，因此可快速实现4象限运行，适用于频繁调速和频繁启动的负载场合。（3）逆变桥依靠逆变桥内的电容器和负

8、载电感器的谐振来换流，逆变桥内没有电感，简化了主回路的设计和制作。3功率单元串联及多电平方式在中－中变频器的