浅析IGBT高压变频器的高压变频控制

浅析IGBT高压变频器的高压变频控制

王琰磊

（中国煤炭地质总局华盛水文地质勘察工程公司河北邯郸056002）

摘要：本文通过对传统高压变频器的主要形式及缺点进行分析，重点研究了IGBT功率器件的直接串联高压变频控制技术，分析了保护动态箝压技术、抗共模电压技术及正弦波解决技术等IGBT功率器件直接串联核心技术的应用。

关键词：IGBT；高压变频器；高压变频控制

引言

近些年来，我国在低压变频调速方面取得了很大突破，变频控制技术也越来越成熟。但在高压变频控制中，由于IGBT变频器件的耐压能力有所不足，致使现有高压变频器的高压变频控制技术与低压变频控制技术存在较大差距，由IGBT功率器件所组成的高压变频器的耐压能力不能长期满足高压变频控制的要求。因此，对于提高高压变频器中IGBT功率器件的耐压能力，已经成为急需解决的技术难题。本文便对传统高压变频器的主要形式及存在缺点进行分析，以此探索IGBT功率器件直接串联的相关核心技术。

一、传统高压变频器的主要形式及缺点

高压变频器的主要形式包括电压源型与电流源型高压变频器。单元串联多重化变频器属于电压源型，其虽然能提高功率器件IGBT的耐压性能，但其体积很大，重量较大，且接线较多，故障点也变得非常多。此外，单元串联多重化变频器在使用过程中会由于电流电压不平衡而使谐波增大，进而容易造成电动机损坏。中性点钳位三电平PWM变器的缺点是会产生很大的谐波分量，进而会给电动机的使用寿命、工作效率造成一定影响。多电平+多重化高压变频器的研发初衷是为了提高IGBT功率器件的耐压性能，但其缺点却在于使整个系统变得更加复杂，且其性能本身也不如三电平变频器和多重化变频器。电流源型高压变频器虽然结构简单，便于对电流进行控制，但其本身并不能解决串联问题，而且会对电肉系统带来严重污染，功率因数相对较低，它与电压型变频器相比，在经济方面和技术方面都有所不如。

二、IGBT功率器件直接串联核心技术分析

（一）高压变频器主电路概述

电网系统中的高压会经由高压断路器输送到高压变频器中。此时，高压会通过电容滤波装置、直流平波电抗器及全桥整流进行处理，然后再利用PWM逆变器来对高压进行逆变，正弦滤波器会将共模电压进行阻挡，并避免干扰源的产生，以此实现对高压的变频输出，并将变频后的高压输送到电动机当中。IGBT功率器件是根据现有变频器已有成熟技术进行设计的，其结构简单，控制能力出色。

（二）IGBT保护动态箝压技术

串联桥臂是通过IGBT功率器件利用串联的结构形式来组成的，因为串联桥臂在开关速度上有所不同，因此对功率调节的可控开关不能进行串联来解决耐高压问题。而通过动态箝压均压技术的应用，能够实现高压变频器中可控功率开关器件的串联，从而极大增强了高压变频器的耐高压性能。IGBT保护动态箝压技术在高压变频器中的工作原理是：当高压变频器中可控功率开关器件在还没有运行时，高压变频器中的DRWC电路内的稳压器RW会将这些串联起来的可控功率开关器件将内部高压进行均分，以此实现静态均压。而当这些可控功率开关器件在运行或中断时，由于其时间存在差异性，或是高压变频器中的由di/dt电感回路所引发的过压电流,会由DRWC电路中的电容将高压进行吸收，使高压变频器的两端电压升高，此时，稳压器RW会对两端电压进行检测，从而检测出电压升高情况，并根据高压变频器中预先的设定值来对DRWC电路中的电容电压进行通常释放，以此实现对电容两侧电压值的维持，并使其不会高于预先的设定值。在对高压变频器的高压值进行设定时，要确保设定值要远小于可控功率开关的额定值，以此提升高压变频器的耐高压性能。IGBT保护动态箝压技术的结构较为简单，所用到的元器件较少，并且其性能稳定，便于制造，成本耗费不大，工作效率较高，维护起来也较为简便，因此广泛应用于高压变频器当中。

（三）抗共模电压技术

抗共模电压技术是高压变频器中一项非常重要的高压控制技术，它又被称为零序电压控制技术，抗共模电压技术能够有效抑制共模电压电流对发动机和长线传输电缆的破坏，抑制效果要明显优于传统方法。不管是电压源高压变频器还是电流源变频器，共模电压的产生都是不可避免的，共模电压是由地面与电动机定子绕组中心之间所产生的电压，当强电压经过IGBT功率器件时，高压变频器中的PWM（脉冲宽度调制逆变器）的载波频率显著增强，从而实现了对功率可控开关的零损耗，进而使PWM变频器性能得到大幅度增强，但强电压也会造成逆变器在输送电压和电流时变化较大，从而使电压在通过电动机时，会在电动机端部位置产生差模dv/dt电压及高共模dv/dt电压。其中差模dv/dt瞬时电压高达7000伏每微秒，高共模dv/dt瞬时电压高达1.1万伏每微秒。另外，高压变频器中的主电路的作用相当于一个倍压整流电路，而这就造成共模电压的输出与回馈相当于两倍。共模电压的产生对高压变频器的坏处很大，首先，共模电压不能进行做功，并且会在共模电压产生过程中释放臭氧气体，这些臭氧气体会对电动机的绝缘材料造成严重腐蚀，进而使电动机绝缘性受到损坏。特别是PWM逆变器与电动机在进行连接时，由于电流和电压是利用长线电缆进行传输的，这就使长线电缆中具有大量的分布电容与分布电感，这些分布电感与分布电容会使dv/dt明显升高，并产生反射波现象，导致电动机端部位置的电压超过额定值，进而给电动机的绝缘材料造成损坏，使其绝缘失效。甚至由于电流电压过大，还会造成电动机烧毁或是长线电缆发生爆裂。在PWM逆变器输出线对地成分中，共模电压普遍存在，它主要存在于两相输出线位置中，其电能传输主要是以差模的形式来进行传输的。共模与差模dv/dt电压与电流的产生强度主要是由长线电缆传输线的长度所决定的。因此，依据共模与差模dv/dt电压与电流的产生机理，通过在变频器主控回路中设置一种能够吸收和抗衡共模与差模dv/dt电流电压的回路，实现对换流器两侧的封堵，以此达到抗衡和吸收共模电压电流的目的，进而抑制共模电压电流对电动机和长线传输电缆的破坏。

（四）正弦波技术

高压变频器在运行过程中，其本身相当于一个强大干扰源，干扰信号会通过传导、辐射等方式对电网中的其他电子设备进行干扰，从而造成其他电子设备无法正常工作。此外，电动机输出端辐射会使其铜损和铁损大大增加，进而给电机的运转特性带来影响。因此，需要对电动机的输出电压波形进行严格规定，以此降低高压变频器的干扰作用。正弦波技术主要是从两个方面来解决高压变频器的干扰问题，其一是对PWM逆变器所产生的波形进行优化。其二是设计一种特制滤波器来实现对波形的过滤。正弦波技术能够使逆变器输出的谐波含量降低，以此实现对共模电压的阻挡。通过采用正弦波技术除了能够对逆变器低通谐波进行强有力的抑制以外，还能通过抗共模电路来配合PWM逆变器实现对波形的解决，从而确保了输出电压能够与正弦波曲线接近。

结语

总而言之，通过对IGBT保护动态箝压技术、抗共模电压技术及正弦波技术等直接串联核心技术进行分析，总结出IGBT功率器件的耐压等级是由高压变频器中主电路的结构复杂性所决定的，而要想确保IGBT功率器件能够串联成功，就必须优化主电路结构，并根据高压电机的电压输出要求，采取以上三种技术来对输出电压波形及共模电压进行处理，以此提高IGBT功率器件的耐压能力，并有效消除共模电流电压的产生。

参考文献：

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[3]李晓迅.高压变频器综述[J].科技信息,2010,08:85-86.

作者简介：

王琰磊（1983-10-28），男，研究生学历，职称：中级机电，中国煤炭地质总局华盛水文地质勘察工程公司晋中办事处，从事高压变频器节能设备工作。