一、 导言
低压变频器现已获得企业界的认可，正在走向大面积遍及之路。高压变频器商场正在发动，远景十分好，曾经这一产品彻底依靠进口，近几年，跟着人们对高压变频器的知道越来越深化，商场需求敏捷添加。国内变频器出产商奋勇赶上，已涌现出几个品牌。我公司是开端研发高压变频器较早的单位之一， 6000V级的高压变频器已有多台正在正常作业，通过了天津发配电及电控设备检测所和国家电控配电设备质量监督查验中心的查验，通过了由院士和国内闻名专家组成的判定委员会的判定，判定证书中高度评价了设备的先进性和立异性。在2002年年末我公司接到万伏变频器的订单，该变频器已所以2003年3月交付运用，现在运转杰出。现把研发中的一些要害技能问题和处理办法奉献给读者，以期得到专家、用户和朋友的指导。
二 计划挑选
客户要求的首要技能指标是：
10000V，355KW，额外电流为25.5A，负载为水泵。
高压变频器的制作远远落后于社会的需求，全世界都是这样。瓶颈在于功率器材耐压不行，这是限制高压变频器开展的首要因素。为此，科学家们提出了许多处理计划，例如，高-低-高计划、功率器材直接串联计划、三电平-多电平计划、功率单元串联计划等等。我公司出产的6000V变频器用的是功率单元串联计划，作用很好，10000V变频器依然选这种计划，其理由是：
a、输出电平数多，因此输出波形特别好，能合适一般异步电动机，且不用降额运用。
b、所需IGBT数量大，但对耐压要求不高，功率器材不存在均压问题。
c、输入整流电路的脉冲数大，对电网污染小，功率因数高。
d、功率单元数量大，这是个大缺陷，但结构彻底相同，能够交换，这对出产、调试、留备用件等都来了很大便利。
e、技能现已把握，已有成功经验，可靠性有确保。
三 体系原理
功率单元串联结构，如图1所示，以每相9单元为例。
图1 27个功率单元串联图
功率单元为三相50Hz输入，通过交—直—交改换，得到SPWM单相输出的变频器，多个单元相串联后组成Y型结构。单元的三相输入由副边多重化阻隔变压器供应，如图2所示。
（一） 电路结构
1、单元数和功率器材的挑选
线电压10000V，相电压5773V，若每相由9个单元串联，每个单元的的输出为641.5V（有效值）。用户要求的额外容量小，终究选用了西门子双单元IGBT模块为功率器材。
2、输入阻隔变压器的规划
为绕制便利，选用18相整流，输入电流谐波已能满意电磁兼容要求。变压器输入侧选用星形接法。输入变压器与功率单元的衔接示意图如图2所示。
图2 输入变压器与功率单元联接示意图
这种整流结构能够确保输入电流的谐波成份满意企业规范和IEEE519的规矩和要求。当然相位组还能够更多一些，例如选用30或36脉冲整流电路结构，不过那样就大大添加了变压器绕制工艺的难度。
3．功率单元主电路
功率单元主电路结构是典型的三相输入单相输出电路，如图3所示。
图3 功率单元主电路
（1）因为电解电容上的沟通成分和高频成分比较大，实践并有无感电容（图中未画），能够削减沟通成分和高频成分，然后削减电解电容的担负，以进步电解电容的寿数。
（2） 单相输出有晶闸管旁路电路，正常作业时晶闸管不导通，当该单元发生毛病时，晶闸管导通，该单元退出运转，其它单元还可持续作业，因此整机能够避免紧迫停机。
图4功率单元主电路作业之波形
在作业办法上，选用单臂（IGBT1、IGBT2）PWM调制，另一臂（IGBT3、IGBT4）上下管轮番导通，波形见图4，全体原理计划如图2所示，整体结构如图5所示。
图5 整体结构图
（二）操控体系及其优化
87C196MC是变频器中常用的，在本规划中依然选它为主控器材，每个单元配有51单片机作为辅机。单片机资源有限，规划中有必要克勤克俭、留意优化。
1、 操控体系的电源
操控体系有一套独立的电源子体系，其构成如图6所示：
图6 操控体系电源
220V市电通过整流、滤波、稳压得到一个安稳的直流电压，再由一个高频振荡器得到起伏安稳的高频信号，由一系列高频变压器及相应的整流、滤波送到各单元的操控及驱动电路。
操控体系电源独立的长处是：
1）电源通过高频变压器给各单元供电，简略完成高压阻隔。
2）主电路有毛病时，操控体系供电依然正常，能确保IGBT开关次第不乱。
3）主电路不加电、不加载的状况下，能够对整机进行调试，此刻各点波形与主电路加电、加载时彻底相同，仅仅输出电压起伏小。这对设备调试、检修和操作人员的训练十分便利。
2、进步电压利用率的优化
SPWM理论指出，选用均匀对称规矩采样调制办法所得到的三相变频输出线电压的基波振幅最大为 aEd， 式中a为调准则，Ed为直流母线电压。为了校对SPWM调制的这种缺陷，本规划选用了准优化PWM调制，调制信号不是纯正弦信号，而是基波和三次谐波的叠加。其波形呈马鞍状，这实践上是一种预畸变技能。
设调制信号为G（t）
G（t）=a（sin 1t+1/6 sin3 1t）
式中a为调准则，ω1为基波角频率。当调制信号相角为60o和120o时，调准则最大。PWM波通过这样的预畸变，电压利用率可进步15%。
（1+15%）≈99.59%
这便是说三相线电压的基波起伏现已十分挨近逆变器的直流母线电压，电压利用率近似为1。图7给出了有、无预畸变的波形比照。
图7 有、无预畸变的波形比照
三次谐波在三相平衡输出中会主动彼此抵消，不会添加输出的失真度。
3、载波相移技能
选用功率单元串联完成高压变频器，操控办法一般有两种：
（1）堆波办法 （2）载波移相技能
堆波办法操控，完成较简略，波形质量也比较好，功率器材开关次数少，开关损耗小，但它存在两个缺陷：
（1） 串联的各单元承当的功率不一致。
（2） 变压器各付边绕组承当的功率不一致。
载波移相技能能够得到杰出的输出波形，它克服了堆波办法的两个缺陷，尽管功率器材开关次数较堆波办法多，但在整机中开关损耗并非杰出对立，因此咱们选用了这种操控办法。
将调制信号和载波信号的频率固定不变，调制信号的相位也固定，把单元1的载波相位取为基准，单元2、3、～８、９的载波相位顺次后延1/９载波周期。载波频率等效进步了９倍，而在同一时间只要一个单元有开关动作，９单元串联后dv/dt依然同于一个单元的dv/dt，串联后总输出的基波成份相叠加，而各单元的谐波成分却彼此抵消而变得很小，这是该项技能的最大长处地点。
别的，这种操控办法，串联的各单元承当的功率都持平，阻隔变压器的各付边绕组承当的功率也都持平，各个单元的结构与操控电路也都彻底相同。
4、正弦波的阶梯化模型
９个单元的载波应该别离与同一调制信号相比较，那么９个PWM脉冲的宽度改变就更精密的反映了调制信号的起伏改变，但这样就使采样数据量比一个单元的采样数据量扩展了９倍，使CPU（87C196MC）难于接受，更重要的是输出端口不行用，这是有必要处理的难题。在本规划中处理的办法是只让1个单元担任采样，而其它单元都运用这个采样值，这实践上是假定：当第一个单元采样之后，第2、3、～８、９单元应该采样的这段时间里，调制信号没有改变，正弦调制信号被模型化成了阶梯波信号，见图8。选用这种近似办法使载波移相操控便利地完成了全数字化。
用两种视点来剖析这种模型化的差错：
图8 正弦波模型化成阶梯波
a）要求阶梯波与其原型正弦波面积持平。如图8所示。
前1/4周期，阶梯波的面积小于原正弦波。后1/4周期，阶梯波面积大于原正弦波，不难看出，增大部分正好等于减小部分，从整个半周来看，正弦波与其阶梯波面积相差甚微，由此可得出结论，模型化所带来的面积差错不大，仅仅阶梯波比原正弦波推迟了半个载波周期，A、B、C三相都推迟半个载波周期，三相输出的相位联系无任何改变。
b）从谐波的视点来剖析。
前面差错不大的说法是一种均匀的观念，阶梯波必定包含谐波成分，失真是必定的。通过数学运算推导，按本规划中的参数核算，THD≈3.63% 。这便是正弦波模型化成阶梯波的附加失真。阶梯波的有效值与原正旋波持平，而阶梯波的基波重量与原正弦波十分附近，主谐波远高于基波。这就决议了这种波形彻底适用于电机驱动，而不会发生转矩脉动。从后来样机实践运转的成果来看，彻底证明了这一计划是合理的。
5 操控信号的传输
为了体系的可靠性，避免大电压和大电流跳变对操控信号的搅扰，操控信号选用光纤传输。各单元的操控信号是多通道并行传输，削减信号的中心处理环节。有用作用很好。
四 用户操作监控体系
面向用户的整个操作监控体系包含上位机（商用PC机）、下位机（工控机）、单片机，如图9所示。其间单片机给用户供给一个4位LED数码屏和一个12键的小键盘操作渠道，可对变频器进行悉数操作，包含参数设置和各种运转指令。工控机用触摸屏和通用键盘给用户供给操作渠道。其功用
更彻底，包含参数设定、功用设定、运转操作、运转数据与打印、毛病查询等等。上位机（商用PC机）放在总控室，可对多台变频器进行遥测、遥控。若只要一台变频器，上位机可省。
图9 操作监控体系
工控机功用强大，用文字叙说很费翰墨，这儿仅示出一个主界面，见图10。由图看出其功用之彻底和操作的便利性。例如可检查或打印运转参数的历史记录，可查询毛病原因等等。
图10 触摸屏上的主界面
五、运转状况及研发总结
对用户进行盯梢服务，用户反应的信息是运转杰出。
对几台样机的研发作业，公司进行了仔细的总结，咱们的结论是：
1 原理正确，结构合理。
2 软件运转杰出，功用根本彻底。
3 操控体系的电源有自己的特色，在主回路不加电、不加载（开路）的状况下，可为操控体系加电，这时各点波形与主回路加电、加载状况下的波形彻底相同。因此，可在不加电、不加载的状况下调试体系、训练操作人员，也给现场装置、调试、修理带来便利。
4 选用正弦波的阶梯化模型的近似办法，使载波移相技能便利地完成了全数字化，使单片机的有限资源得到了充分发挥。
