基于IGCT的高压三电平变频器若干关键技术

图7  SVPWM和SHEPWM在45Hz切换时的逆变器输出电压和电流www.55dianzi.com
3.3 集成式滤波升压系统设计
    高压大容量变频调速系统的可靠应用目前更多的受限于半导体器件的制作和组装工艺。本系统采用高压三电平NPC变频器中的IGCT器件耐压等级为4.5kV，这样的结构最大输出线电压只能为3.3kV。
    除了输出升压至6kV是一个难题外，由于开关频率低，系统输出的电压、电流波形中存在着大量的谐波成分也是一个主要问题。这些谐波成分引入电机会带来严重的热效应；同时，PWM波形中较陡的上升（下降）沿带来了较大的dv/dt，将直接威胁到电机绝缘，并通过线路中的耦合电容产生轴电流和电磁干扰，电压等级越高越严重。因此，需要引入滤波装置加以滤波，常见的如RLC滤波器。
    如何将3.3kV/1250kW交流变频调速系统直接应用于6kV输出的系统，除了有效升压外，还要尽量平滑输出电压波形，减小电压THD。为此采用了升压变压器的原副边等效漏电感进行滤波的新型结构，并通过在大、小容量样机中的试验对比验证此种设计方案的有效性。原理结构如图8所示。

图8  高压大容量中的滤波升压装置
    仿真滤波效果如图9所示。
    由图9可见，输出谐波被大大减小。


图9  高压大容量LC滤波效果仿真评估

3.4 基于杂散参数计算的最小脉宽设计
    最小脉宽是指为保证开关器件完全安全开通和关断工作而设置的门极控制信号的最小脉宽时间。最小脉宽除受开关器件本身最高工作频率限制外，还与外部电路工作状态如吸收电路和均压电路等有关。 通常文献中所说的最小脉宽仅指单管最小脉宽，包括通态最小脉宽（tONMIN）和断态最小脉宽（tOFFMIN）。在本系统中，由于采用了三相逆变桥臂共用一套吸收电路，则在两个相邻桥臂的换流过程之间也必须要加入相间最小脉宽（tMIN），以保证在每相桥臂换流之前所共用的吸收电路处于稳定状态。因此，最小脉宽的设置是器件和装置安全可靠运行的关键之一。由于开关过程中影响最大的是其首端脉冲和回流回路的过渡过程，这些参数又由回路杂散参数决定。因此，最小脉宽的设计必须基于回路的杂散参数计算。这是难题之一。图10即为IGCT开关过程中的电压电流试验波形。一般都需要根据大量的试验波形来确定最小脉宽的设置。

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图10  IGCT电压和负载电流实测波形
3.4 基于多重校验的高可靠性CAN总线光纤通讯的多CPU协调控制
    由于高压变频调速系统外围设备较多，输入输出关系复杂，且自身保护和功能较多，因而其控制系统也比较复杂。实际中，它们由分工不同的子系统单元组成，如有多个控制版（主控板、输入输出板、手控盘、AD版等）构成的多CPU系统。各单元之间的通信通过CAN总线完成，CAN总线集中分布在主控制单元附近。除了主控制单元之外，其余各单元的CAN控制器与CAN收发器之间均采用光纤作为通信介质。实际应用中，通讯的实时性和可靠性成为关键问题之一。
    编制了快速发送流程，以使中断程序在最短的时间内启动发送，保证了保护动作信号通信的实时性；编制的发送流程还考虑了对上层程序配置的邮箱数据域的保护和恢复，对于发送失败的情况进行重新发送，保证了程序逻辑的严密性及通信的可靠性。优化后的通信系统在长时间运行中稳定可靠，保护信号传送快速及时。系统运行时CAN总线上的波形如图11所示。

图11  CAN总线电压波形

    从图11（a）可看到数据采集单元定时发送给主控制单元的包含电压电流采样值的数据帧，图中较密集处还可看到IO单元不定时发送的数据帧及主控制单元返回的数据帧。从图11（b）可观察到，保护动作时CAN总线通信比较频繁，保护时的外围继电器动作对CAN总线造成了明显的干扰，但CAN通信还能正常进行。

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4  现场试验运行问题

    高压大容量变频器现场运行与实验室运行有很大的差别。现场运行中的问题更是其系统能安全可靠运行的关键问题之一。现场碰到的问题大概有：
    （1）高低温变化大
    现场环境温度最高可到+50℃，最低可到-30℃。温度的变化对装置中的元器件特性有很大的影响。
    （2）振动噪声大
    由于装置要在现场长期带载运行，冷却风扇等带来的振动使一些连接件（线）松懈或断裂，都有可能引起毁灭性的损害。
    （3）灰尘和潮湿
    现场灰尘大，尤其是对IGCT这样的集成式的器件，其驱动板以及主控板上的灰尘以及潮湿都易引起器件会线路短路而失效。
    （4）电磁干扰大
    由于现场一般都是强电场区域，且受多方面影响，电源电压波动也很大，容易造成装置运行失效。
    上述问题是影响高压变频器在现场正常运行的重要问题，并且也是研制装置中必须解决的问题。以前都认为是一些工艺或者是保护等非电力电子本身技术问题，实际上这些问题包含了电力电子技术中的一些深层次的理论问题，如极端条件下的开关器件特性研究，变频器的失电跨越，分布参数带来的时延影响，系统中的共模和差模问题等。这些研究仍在进行中，现场运行经验的积累是重要环节之一。由于研制中一直以现场安全可靠运行作为最终目标，比较注重从实际中发现问题进而有效解决问题，首台研制的样机已经在现场可靠运行有一年半了。图12为该高压三电平变频器在现场运行的情况。该变频器被用于一台灰渣泵的调速，代替了原来的通过阀门和给水量的调节，根据水位的变化调节转速，实现了无人职守抽水量的自动控制，且节能降耗效果明显。

图12  现场运行的6kV/1250kW三电平变频器及其水泵负载

5  结束语

    （1）高压大容量变频器的基础是高压大容量开关器件，一代器件决定一代技术。以器件特性为基础，以装置应用为牵引，从原理、仿真、单件试验以及系统试验仔细地研究开关器件应用特性，是研制高压大容量变频器的有效途径。
    （2）在高压大容量或超大容量电力电子变换装置中，由于能量变换特征更是明显，必须针对开关过渡过程、分布参数、信号及功率延时等特性了解清楚。
    （3）将系统可靠性和适应性问题作为研究目标，并且主要关键技术都是从可靠性的研究中获得是解决适用的高压大容量变频器的关键所在。

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