一种新型大功率多相变频驱动系统

王建乔



一种新型大功率多相变频驱动系统

王建乔

（卧龙电气集团有限公司，浙江上虞 312300）

本文在提出多相大功率驱动系统的基础上，通过分析单元级联型高压变频器和多相并联型不控整流系统的拓扑结构以及优缺点，提出了一种移相独立电源的多相变频系统拓扑结构。此种拓扑具有结构简单、可靠性高、功率密度大、易于实现大功率、具有更多的控制资源等优点。通过仿真研究和实验，验证了该拓扑的可行性。

大功率驱动系统；多相变频；拓扑结构；移相独立电源

受传统的三相和正弦波型供电的限制，大功率变频器的共同特点是通过提高电动机的输入电压或输入电流来实现大功率，未把变频电动机与变频调速系统作为一个系统去考虑。同时，由于三相电动机的特点，追求变频器输出电压为正弦波，导致变频器结构复杂、可靠性低，只要其中一个器件损坏，将导致整个传动系统的故障[1]。

随着电力电子技术的快速发展，变频调速系统的相数和供电波形已不再是限制条件，变频调速装置与电动机完全可以看成一个整体，在电压与电流两个设计自由度的基础上增加相数的自由度，通过这三个自由度的优化组合达到最佳的大功率驱动性 能[2]。采用多相结构，可以在不增大或少增大电压、电流等级的前提下实现大功率变频调速。这样使得变频调速系统工艺简化、对器件特性要求降低、结构简单，从而使得低成本推广应用大功率变频调速系统成为可能。

本文通过目前主流的单元级联型高压变频器的拓扑结构和多相并联型十八脉波不控整流系统拓扑结构和各优缺点的分析，提出了移相独立电源的多相变频系统拓扑结构，并对其工作原理和性能进行了仿真研究和实验验证。

1 单元级联型高压变频器的拓扑结构

图1所示为单元级联型高压变频器拓扑结构，该结构最初是由罗宾康公司提出的，在2000年初迅速得到广泛应用的一种高压大功率变频器。其主要由输入变压器、功率单元和控制单元三大部分组成。如图2所示为功率单元原理图，采用模块化设计，由于采用功率单元相互串联的办法解决了高压的难题而得名，可直接驱动交流电动机，无需输出变压器，更不需要任何形式的滤波器。

移相和单元串联是这个结构的特点，使它具有了其他多电平结构不具有的优点。这种结构通过多脉波移相变压器移相整流，解决了整流过程中对电网的谐波污染；通过多段H桥逆变的串联，解决了功率管耐压低的问题，串联的级数越多，变频器的输出的电压越高，可以轻易实现3kV、6kV、10kV乃至更高电压的变频；通过移相PWM技术，实现近似正弦的电压输出，d/d小，输出谐波小于3%，对电动机的绝缘没有特殊要求，适用于普通电动机。

图1 单元级联型高压变频器拓扑结构

图2 功率单元原理图

但同时由于这个结构决定了它的一些缺点，如结构复杂，体积庞大；各H桥基础电位不同，各功率模块间必须进行绝缘隔离；不能统一接地，要实现水冷散热困难，所以做更大功率的困难；各段独立整流电路滤波电容用量大；功率器件用量为单桥臂电路的两倍，器件越多，故障概率也就越大；能量回馈困难。

2 多相并联型不控整流系统拓扑结构

多相电动机传动系统能够很好的满足大功率电气传动系统的要求，是电动机技术与电力电子技术的最佳组合之一，尤其适用于军用船舰等低压大功率场合。

在过去的20年里，多相传动系统已经引起工程界和学术界的广泛兴趣，随着电力电子技术、微电子技术尤其是微处理器（DSP）和复杂可编程逻辑器件（CPLD）的迅速发展，使得复杂的控制策略能够应用到多相传动系统中，多相变频控制技术可以说已经达到了成熟，但是受制于人们三相电动机的使用习惯，未能大量推广应用。

由于功率与电动机的相数、电压、电流的乘积有关，在多相电动机系统中电动机的输入是低压，要实现大功率，受电动机工艺影响，相数不可能做得很多，因此系统电流比高压系统会成倍增大，典型的多相电动机传动系统是并联型不控整流系统拓扑结构[3]，如图3所示。

图3 九相变频调速系统主回路结构

图4所示为共直流母线多相逆变原理图，该并联型不控整流系统拓扑结构主要包括移相变压器、并联型多脉波不控整流电路、平衡电抗器、直流贮能电容、多相输出逆变器。

图4 共直流母线多相逆变原理图

移相变压器采用多重化技术减小系统的输入谐波。

并联型十八脉波不控整流是该系统的特点，多个独立的并联型整流电路为该系统提供足够的输入电流。

平衡电抗器用于抵消整流桥输出电压之间的瞬间交流电压差，抑制环流产生的直流磁动势，防止铁心饱和。

本拓扑结构在原理上通过并联不控整流电路实现了多相大电流的输出，解决了当前电力电子器件电压电流有限的问题，并且已经有较小功率的实验室产品。

但是实际上由于本拓扑在直流环节上采用的是共母线，移相变压器副边绕组在现在的工艺技术下无法做到完全一致，副边绕组阻抗存在误差，而移相变压器阻抗很小，因此并联的整流桥之间存在一个较大的直流环流。过大的直流环流会导致平衡电抗器铁心饱和，使得平衡电抗器不能正常工作，而且电流不平衡会缩短电力电子器件寿命，降低系统的可靠性[4-5]。

3 移相独立电源的多相变频系统拓扑结构

直流母线在整流侧的共用是上述并联型不控整流多相系统拓扑结构产生母线环流的原因所在，如果直流母线在整流侧不共用，那么就解决了母线环流问题，同时从单元串联型高压变频器的移相变压器的二侧绕组经整流电路给逆变电路独立供电的拓扑结构中，引伸出如图5所示的拓扑结构。

图5 移相独立电源的多相变频系统拓扑结构

该结构包括移相变压器、整流电路、多相逆变电路、多相电动机和控制电路，移相变压器的二侧绕组经不控整流电路给逆变电路独立供电，每个逆变电路的输出给多相电动机供电，各整流电路的直流母线负端共地连接，如图6所示为独立电源的多相逆变原理图。本文把这种拓扑结构称之为移相独立电源的多相变频系统拓扑结构。

系统的输出电压可以是400V、600V或1180V等低电压等级。

由于不控整流的整流桥可以承受较大的电流，所以一个整流回路可以为2个或多个逆变桥供电，本拓扑还可进一步变化，图7所示为系统变化图。

图6 独立电源的多相逆变原理图

图7 系统变化图

4 本系统拓扑结构的优势

本方案汲取了“罗宾康”方案中的多脉波移相变压整流系统的优点，减少电网侧污染，同时实现低压输出，给若干个独立整流电路供电，以避免并联结构中多个整流电路并联过程中的器件均流问题和回路震荡问题。由于采用多相变频，工作时定子磁场矢量呈现多边形（2N），即使在某一相出现故障时，通过控制软件调整也能实现带故障运行。

4.1 降低成本，提高可靠性

逆变电路为二电平单桥臂逆变电路，简化了逆变电路结构，逆变电路和整流电路个数与相数相等，整流电路也可以为几个相共用，与级联电路相比大大减少了功率器件数量，从而提高了系统可靠性，降低了成本。

表1为两种拓扑结构功率器件的比较，以500kW电动机为例，用10kV的单元串联型高压变频器与1180V的一对一的九相变频系统作比较。

10kV≠500kW电动机配600kVA的单元串联型高压变频器,额定电流为34A。

1180V≠500kW电动机配600kVA的本拓扑的九相变频器,根据电动机功率计算公式：

式中，为电动机相数，取cos=0.86，则电流=108A。

表1 两种拓扑结构功率器件的比较

4.2 提高系统的功率密度

10kV单元串联型高压变频器需要9级共27个功率单元，本拓扑结构只需9个功率单元，因此结构大大简化。电动机本体可以按照低压电动机的规范设计，可以降低绝缘厚度，提高电动机槽面积利用率，从而提升功率密度。

假设3000V的三相电动机，绕组的线电压为3000V，相电压为1800V，需要用中压电动机的绝缘规范要求设计电动机，相对绝缘厚度增加，槽内有效导体面积减少，定子铜耗增大，使电动机效率和功率密度都受到一定的限制。如果做成九相电动机，由于绕组由串联联接改成为部分并联联接，在单元定子电流相同的情况下，电动机的输出性能也相同，但每一串绕组的电压就可以减少到1000V（线）/600V（相），电动机可以按低压电动机的绝缘规范要求设计电动机，从而绝缘厚度大大降低，定子槽面积利用率大大提高，可以有利于提升电动机的功率密度和效率。

异步电动机运行中奇次谐波产生的效率损失是影响电动机效率的一个重要因素，特别是三次、五次等低次的奇次谐波的能量幅值较高，选用多相电动机设计方案可以有效地抵消低次谐波，当相数足够多时谐波分量进一步降低，可以直接选择多相方波供电，与正弦波相比，定子绕组有效电压可以提高40%，从而进一步提升电动机的功率密度和电动机效率。

4.3 可以采用水冷冷却，易于实现大功率

冷却技术是制约大功率变频驱动的一大原因，随着国内变频技术的持续发展，变频器容量的不断提高，强迫风冷已不能满足大功率变频散热条件。图8为两种拓扑冷却方式对比，可以看出单元串联型高压变频器，由于各功率模块间存在电压差，功率模块间需要高电压等级的绝缘，因此在冷却水不能采用普通的水，而需要特殊的介质或去离子水，使冷却水系统更为复杂。

图8 两种拓扑冷却方式对比

而本拓扑中，由于逆变电路采用共地连接，各功率模块可以安装在同一个散热器上，因此可以很方便的采用水冷，对冷却水也没有特殊要求，冷却回路简单。

4.4 具有多相系统的冗余优势

采用相冗余的概念，提高了系统的可靠性。

三相系统中，当一相故障时，应该立即停机。当多相电动机定子绕组一相（或少几相）开路或逆变器的一个（或少几个）桥臂出现故障时，不会造成系统的崩溃，可降载运行而无需停机，适合应用于航空航天、核电站水冷系统等高可靠性要求的场 合[6]。

多相系统具有比三相系统更多的控制资源和潜能，可以使用一些非常规的控制模式。

将传统三相电动机的控制方法和移相控制模式结合起来，应用于多相逆变器供电的多相交流电动机会大大改进调速系统的性价比[7-9]。

5 系统仿真

图9所示为多相变频系统仿真图。在新拓扑的仿真中，采用900kW的九相变频驱动系统，变频输出额定相电压为690V，移相变压器移相角度为6.67°，直流滤波电容取值为10000mF，各逆变单元采用SVPWM控制，调制系数为0.9，开关频率为6kHz，负载相功率为100kW。

因为系统是54脉波整流，输入电流谐波含量少，所以对电网污染小。图10所示为输入侧电流波形。图11是相输出电压波形图。图12是相电流波形图。可见，输出电流波形比较平滑，再加上相数多，对减少电动机噪音和振动有利。

图10 输入侧电流波形

图13为相邻单元母排电流波形。可见，共地母排上的电流幅值与相电流幅值相当，而且也呈正弦性。

6 实验验证

基于上述多相变频系统的理论分析，制作如图14所示为多相变频系统样机。该样机功率900kW，额定相电压690V。图15所示为实测相电流波形图，从图中可以看出，电动机相电流比较平滑，谐波较小。该系统目前运行平稳，可靠性高。

图11 相电压波形

图12 九相电流输出波形

图14 多相变频系统实物图

7 结论

本文把电动机和驱动器看成一个整体，提出多相变频驱动系统，该系统是在电压与电流两个自由度的基础上增加了相数的自由度，比其他大功率变频驱动方案具有更多优势。通过分析对比单元串联型高压变频器和并联型多相拓扑结构，提出了移相独立电源型多相变频驱动系统的拓扑结构，这种结构汲取了“罗宾康”方案中的多脉波移相变压整流系统的优点，即减少电网侧污染，同时实现低压输出，给若干个独立整流电路供电，以避免并联结构中多个整流电路并联过程中的器件均流和回路振荡，同时具有结构简单，可靠性和功率密度高等诸多优点，具有很大的社会经济效益。并用仿真和实验验证了本拓扑结构的可行性。

[1] 刘东. 大功率多相感应电机变频调速系统的研究[D]. 杭州: 浙江大学, 2011.

[2] 庄朝晖, 熊有伦, 马挺. 多相感应电机变频调速系统——回顾、现状及展望[J]. 电气传动, 2001, 31(2): 3-7, 53.

[3] Arrillaga J, Villablanca ME. Pulse doubling in parallel convertor configurations with interphase reactors[J]. IEE Proceedings B Electric Power Applications, 1991, 138(1): 15-20.

[4] 刘东, 黄进, 胡浩峰. 十二脉波不控整流系统中的环流研究[J]. 电力电子技术, 2011, 45(9): 10-12.

[5] 李长明. 水冷大功率高压变频器结构特点及其应用[J]. 变频器应用实例, 2014(1): 76-78.

[6] 贾小川. 多相电机系统[C]//1999年北京电力电子技术创新研讨会论文集, 1999.

[7] 李山. 多相感应电机控制技术的应用[D]. 重庆: 重庆大学, 2009.

[8] 杨家强, 高健, 金玉龙, 胡浩峰基于矢量控制的多相感应电机电子变极调速技术[J]. 电工技术学报2014, 29(3): 96-102.

[9] 游林旭, 王锐凤, 郭谋发基于CPS-SPWM的级联H桥多电平逆变器控制方法[J]. 电气技术, 2016, 17(9): 5-11.

The New Large Power Multi-Phase Variable Frequency Driver System

Wang Jianqiao

(Wolong Electric Group Co., Ltd, Shangyu, Zhejiang 312300)

Based on the analysis of the topology and the advantages anddisadvantages of the cascaded high voltage inverter and multi-phase parallel typenon-controlled rectifier system, the topology structure of multi-phase transformation frequency system is presented in this paper. This topology has the advantages of simple structure, high reliability, high power density, easy to realize high power, and more control resources. The feasibility of the topology is verified by simulation study and experiment.

high power driver system; multi-phasevariable frequency; topology structure; phase shifted independent power supply

王建乔（1963-），男，卧龙电气集团股份有限公司高级工程师，研究方向为电机与驱动控制技术、电源技术、系统集成技术。