摘 要：本文對高壓變頻系統(tǒng)的多重電壓整流做了一個仿真研究，并得到了整流后的直流側(cè)波形圖，加以分析后，可以發(fā)現(xiàn)多重電壓整流對于高壓變頻系統(tǒng)的直流電壓脈動有很好的抑制作用。

關(guān)鍵詞：高壓變頻，多重電壓，直流脈動

Abstract: In this paper, the multiply voltage rectification of high-voltage frequency converter will be analyzed by emluator. And then the DC side wave of rectifier can be got. After comparing and analyzing these waves, the restrainable effect of multiply voltage rectification to DC pulsant of high-voltage frequency converter will be very clear.

Key words: high-voltage frequency converter; multiply voltage; DC pulsant

1、引言

　　在鋼鐵工業(yè)領域，傳動系統(tǒng)是核心的設備;在傳動的實現(xiàn)和控制上直接的執(zhí)行機構(gòu)是電動機，對電機的控制可以說是鋼鐵工業(yè)的一個主要內(nèi)容。在很多領域，特別是高壓大功率領域，直流電機的傳動已經(jīng)淘汰，雖然直流電機的調(diào)速性能優(yōu)異，但其結(jié)構(gòu)本身的弱點難以克服?，F(xiàn)在交流電動機在傳動領域占據(jù)著主導地位，特別是變頻技術(shù)的發(fā)展使得交流電機優(yōu)勢更加明顯。當然，在鋼鐵工業(yè)中經(jīng)常遇到的高壓領域，交流變頻技術(shù)還不能說十分的完善，還是有一些值得技術(shù)人員探討的熱點，在本文中將就高壓變頻的輸入整流部分做一個分析研究，看看在多重電壓整流下，變頻器中間直流側(cè)的脈動電壓會有哪些特點。

2、高壓變頻的多重電壓輸入結(jié)構(gòu)

　　2.1 高壓變頻器的功率單元串聯(lián)結(jié)構(gòu)

　　我國的高壓變頻定義是6000V以上的高壓輸入，在工業(yè)實踐中使用最多的是6000V和10000V高壓輸入。在這樣的高壓下，按照傳統(tǒng)中低壓變頻的電路結(jié)構(gòu)是無法直接使用的，原因在于功率單元器件無法承受這樣的高電壓等級，那么為了滿足需要，實踐中采用了功率單元串聯(lián)的方法，使低壓器件能夠串聯(lián)分壓，達到高電壓輸出的目的。

　　這里值得強調(diào)的是，功率單元的串聯(lián)不同于功率器件的串聯(lián)，兩者有著本質(zhì)的區(qū)別：功率器件串聯(lián)雖然也能解決單個功率器件耐壓不足的問題，但串聯(lián)器件間的均壓很難實現(xiàn)，均壓不均的結(jié)果是功率器件在高壓下被擊穿損壞;而功率單元串聯(lián)是高壓輸入后被拆分為數(shù)個低壓，而后在輸出側(cè)串聯(lián)成高壓輸出，不存在器件的均壓問題。在圖2.1中可以看到功率單元串聯(lián)的結(jié)構(gòu)，在本文中重點討論輸入的整流問題，所以也只表述出整流側(cè)的結(jié)構(gòu)原理。

圖2.1 功率單元串聯(lián)的結(jié)構(gòu)原理

　　2.2 整流輸入電壓的多重化原理分析

　　變壓器有一個很重要的應用就是變相位。為了達到多脈波整流的目的，特別是在輸入多重化時希望得到多種超前或落后的角度，以便讓不同的串聯(lián)單元處于不同的電角度上。這樣做有兩個重要的目的，一個是整流后的直流側(cè)電壓脈動很小，另外一個是對電源側(cè)的諧波干擾小，諧波減小對于工業(yè)用電的綠色智能意義重大，是保證電源質(zhì)量，降低設備間干擾的重要保證。

　　在工業(yè)用電中高壓變頻系統(tǒng)的進線是高壓，利用功率單元串聯(lián)可以使得每個功率單元處理低壓，而后在輸出側(cè)串聯(lián)成高壓來達到目的。進線的高壓需要通過變壓器來變成器件可承受的低壓，還要保證較小的諧波干擾。那么就需要充分利用變壓器變壓、變流和變相位的作用，使不同單元的輸入相差一個電角度，達到多重電壓整流的目的。

　　在實際應用中通常采用延邊三角形的方法來做電角度的移相，關(guān)于延邊三角形的電學推導在很多資料上都有詳述，這里不在重復，只給出幾個結(jié)論公式。延邊三角形移相的圖示如圖2.2所示：

圖2.2 延邊三角形移相的結(jié)構(gòu)原理

　　下面兩個是重要的結(jié)論公式：這里的θ為二次線電壓超前于一次相電壓的相位角，設變壓器一次、二次繞組匝數(shù)分別為N₁和N₂，變比為n，二次側(cè)的移相繞組和基本繞組匝數(shù)分別為kN₂和（1-kN₂），當然k是一個介于0和1之間的正數(shù)。



　　可以清楚的看出，當k介于0和1之間時，此種延邊三角形方式可實現(xiàn)α的-π/6至0度的相位滯后位移。如要求滯后3.75°且一次輸入電壓為6000V，則可計算出k=0.796，n=0.0741。這就克服了變壓器在傳統(tǒng)星三角聯(lián)接方式下只能30°整數(shù)倍移相的缺點。

3、整流輸入電壓的多重化波形分析

　　從理論上說，多重化整流有兩個好處，其一：直流母線上的電壓脈動小，提高了直流側(cè)直流電源的質(zhì)量，對于逆變是很有好處的;其二：對電源側(cè)的諧波干擾小，減少了對電網(wǎng)和其它設備特別是精密設備的影響。本文重點分析一下直流母線上的電壓脈動問題，不做太多理論上的推導和計算，而是直接利用計算機仿真研究的方法來從側(cè)面證明多重電壓整流的意義，驗證其理論推導上的結(jié)論。

　　在Matlab環(huán)境下，通過一個模型來仿真整流后的波形，并以4單元串聯(lián)和8單元串聯(lián)為例，來進行一個對比。波形圖如圖3.1和圖3.2所示：

圖3.1 四個單元串聯(lián)的直流側(cè)電壓波形

　　圖3.1表示四個功率單元串聯(lián)，組間移相15°的情況，可以看到波形雖然感覺波動很厲害，實際上只是在20V左右的區(qū)間內(nèi)波動，相對于數(shù)千伏的輸出，電壓是很平穩(wěn)的。

圖3.2 八個單元串聯(lián)的直流側(cè)電壓波形

　　圖3.2顯示的結(jié)果是八功率單元串聯(lián)時的仿真波形，圖中最高輸出電壓為6798V，而最低電壓為6795V左右，即上下差了不到3V，直流電壓的平穩(wěn)程度又提高了很多?？梢姸嗝}波整流輸出的直流電壓質(zhì)量比較高。

　　圖3.3和圖3.4是八單元串聯(lián)的直流側(cè)電壓的局部放大圖。

圖3.3 八單元串聯(lián)的輸出直流電壓局部放大圖1


圖3.4 八單元串聯(lián)的輸出直流電壓局部放大圖2

　　從以上四個圖中可以得到的結(jié)論是，功率單元串聯(lián)后的直流電壓脈動很小，幾乎可以忽略不計，直流側(cè)作為變頻器的中間過度環(huán)節(jié)，特別是高壓大功率的變頻系統(tǒng)，直流側(cè)電源的穩(wěn)定對逆變側(cè)高質(zhì)量的輸出意義重大。

　　在武鋼煉鐵廠高爐的除塵風機中，大量采用了多重電壓的輸入整流技術(shù)，其效果是非常理想的，不僅達到了工藝上的要求，還達到了節(jié)能環(huán)保的目的，對電網(wǎng)的影響也是比較小的，相比于傳統(tǒng)控制方式，作用明顯。

4、參考文獻

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