基于电力电子变压器的高压变频器预充电方法及装置

司 伟

（中冶华天南京工程技术有限公司，江苏 南京 210019）

1 背景技术

随着电力电子技术的发展和高压变频器技术研究的深入，高压变频器日益广泛地被应用于风机、水泵、压缩机等大功率机械设备的驱动系统。特别是级联型高压变频器，作为适合中国国情、性能优异的变频器，受到了众多变频器生产厂商、科研院所、工程技术人员以及用户等的青睐。

此种高压变频器在每次开机运行时，需要先建立直流母线电压。由于级联型高压变频器的每相电压都是由多个功率单元串联输出构成的，而每个独立功率单元也有许多电容，因此整个系统在上电时，对巨大的输入冲击电流进行抑制十分必要，迫切地需要一种预充电电路来减小冲击电流，使其对电网和本系统的冲击降低到合理范围，从而提高系统的可靠度，也减小对电网的干扰。

目前，在普通级联型高压变频器中，对上电冲击电流的控制方法主要有两种。一种方法是在变频器的高压输入侧安装激磁涌流抑制电路。该电路由限流电阻和与之并联的高压开关组成，串联在高压电源与高压变频器的输入端之间。在高压上电前，高压开关处于断开状态，通过限流电阻对高压变频器进行充电，充电完成后闭合高压开关，充电工程结束。由于该电路属于高压电路，所用的器件为高压器件，所用成本高，且因为通过限流电阻对高压变频器进行充电，能耗大。另一种方法是通过低压电源和限流电阻向整流变压器的辅助绕组供电，通过变压器在副边绕组上产生感应电压，对功率单元的直流电容进行充电。随着充电过程的进行，逐渐用接触器旁路掉部分限流电阻。充电完成后，断开充电电路，闭合高压开关[1]。

2 高压变频器预充电方法及装置研究

为了解决现有技术中存在的问题，提出一种由单相低压电源输入的预充电装置，实现对高压变频器的预充电。该装置可靠性高，且装置的组成单元都是低压元器件，成本低廉。

为达到上述目的，提出的高压变频器预充电装置包括预充电单元和预充电控制单元。其中，预充电单元包括单相桥式脉冲宽度调制电路、高频变压器、多组单相桥式不控整流串联电路3 个部分；预充电控制单元包括采样电路、补偿电路、驱动电路、信号输送电路以及单片机5 个部分。

本文提出的高压变频器预充电装置，首先将输入的单相低压交流电源经单相桥式脉冲宽度调制电路、高频变压器、单相桥式不控整流电路，即经过了AC/AC、AC/DC 的变换，再将多组单相桥式不控整流电路输出的直流电压串联起来，得到的总的直流电压给变频器直流母线电容充电；其次，通过控制单相桥式脉冲宽度调制电路中4 个开关器件的导通、关断及导通时间，使变频器直流母线电容充电所用的直流电压幅值以一定的斜率由低升高，直至电容两端电压达到所需要的阈值；最后，切断预充电单元，同时发送预充电完成信号给变频器控制系统。

该预充电装置还通过检测所述的直流电压进行闭环控制，确保电容两端电压幅值按要求升高，避免出现尖峰电流或电压，造成设备损坏。

本文提出的高压变频器预充电装置，与其他预充电技术方案相比，优势在于：

（1）由于充电电压通过电压闭环调节控制，省去了充电电阻，在预充电过程中几乎没有能量损耗；

（2）高频变压器原、副边都是低压电路，体积小，成本低廉；

（3）通过改变基准电压信号、高频变压器副边分绕组的个数以及线圈匝数，提出的高压变频器预充电装置可适用于不同类型及功率大小的高压变频器；

（4）利用高频变压器将预充电电路与变频器主电路隔离，安全可靠，预充电电路出现故障也不影响变频器的主电路安全[2]。

3 具体实施方式

提出的高压变频器预充电装置包括预充电单元和预充电控制单元。

预充电单元包括单相桥式脉冲宽度调制电路、高频变压器、多组单相桥式不控整流串联电路3 个部分，如图1 所示。采用低压单相交流电源AC 220 V 输入，经过单相桥式脉冲宽度调制电路，输出脉宽可控的高频交流方波V1加在高频变压器原边绕组N0上。高频变压器副边由多个分绕组组成，分别为N1～Nn，感应生成电压V1～Vn，将V1～Vn经对应的单相桥式不控整流电路得到的直流电压串联起来得到总的直流电压VΣ，用于给高压变频器直流母线电容充电。

图1 高压变频器预充电装置的结构框图

高压变压器副边每个分绕组的线圈匝数尽可能相等，具体匝数根据单相桥式不控整流电路中的低压功率元器件的工作电压确定。分绕组的数量由所需的高压变频器直流母线电容充电电压VΣ和每个分绕组的线圈匝数确定。

所述预充电控制单元，如图2 所示。首先给定一个基准电压信号UREF，其电压信号幅值以一定的斜率由低到高；其次，通过采样电路得到所述直流电压VΣ的采样信号UF，将UF与基准电压UREF比较，并经补偿电路调节后得到控制信号UC；最后，单片机根据输入信号UC发出PWM 控制脉冲波信号UPWM，UPWM经驱动电路控制所述单相桥式脉冲宽度调制电路中的开关器件的导通、关断及导通时间，由此实现所述直流电压VΣ的幅值按照基准电压信号UREF的幅值斜率由低升高。

图2 高压变频器预充电装置中预充电控制单元控制系统图

在所述的直流电压VΣ按要求达到所需要的阈值时，单片机停止发出PWM 控制脉冲波信号UPWM，切断预充电单元，同时发出控制信号USSR。USSR通过信号输送电路将预充电完成信号发送给高压变频器控制系统，高压变频器控制系统根据此信号接通变频器主电路电源，高压变频器便可以正常运转[3]。

4 结 论

本文的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在所述的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本文的保护范围。因此，本文的保护范围应该以权利要求所界定的保护范围为准。