- 大功率變頻電源的優(yōu)化方案
- 整流電路的改進(jìn)
- 增加直流偏磁電路
- 吸收電路的改進(jìn)
- 過(guò)流保護(hù)的改進(jìn)
隨著我國(guó)加入WTO，工廠大功率進(jìn)口用電設(shè)備越來(lái)越多，生產(chǎn)線所用供電電源功率越來(lái)越大，對(duì)大功率變頻電源需求也越來(lái)越大，市場(chǎng)前景十分看好。
目前市場(chǎng)上的大功率變頻電源在使用中不同程度地暴露出一些問(wèn)題，例如對(duì)電網(wǎng)污染問(wèn)題和整機(jī)可靠性問(wèn)題，給用戶造成很大的不便。為滿足市場(chǎng)的需求，迫切需要研制可靠性高且環(huán)保的大功率變頻電源。為此我公司集中力量，完全按照國(guó)家軍標(biāo)要求，針對(duì)大功率變頻電源主電路功率器件上的電流大和電路的耗散功率大，散熱問(wèn)題嚴(yán)重以及對(duì)電網(wǎng)污染大等特點(diǎn)，主要從整流電路，吸收電路，過(guò)流保護(hù)和直流母線等方面對(duì)大功率變頻電源進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，研制出了高可靠性的700KVA的三進(jìn)三出的大功率變頻電源。
1 整流電路的改進(jìn)
對(duì)三相輸入的變頻電源，一般采用三相橋式不可控整流，直流側(cè)采用電容濾波。這種電路輸入電流的基波分量相位與電源電壓相位大體相同，因而基波功率因數(shù)接近1。但其輸入電流的諧波分量卻很大，給電網(wǎng)造成嚴(yán)重污染，也使得總的功率因數(shù)很低。諧波使公用電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生了附加的諧波損耗，降低了發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的效率，大量的諧波流過(guò)中性線時(shí)會(huì)使線路過(guò)熱甚至發(fā)生火災(zāi)。諧波還會(huì)對(duì)鄰近的系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，重者使系統(tǒng)無(wú)法正常工作。
采用如圖1所示的12脈波整流電路，移相30°構(gòu)成串聯(lián)2重結(jié)電路，利用變壓器二次繞組接法的不同，使兩組三相交流電源間相位錯(cuò)開(kāi)30°，從而使整流輸出電壓在每個(gè)交流電源周期中脈動(dòng)12次，故為12脈波整流電路。變壓器二次繞組分別采用星形和三角形接法構(gòu)成相位角相差30°、大小相等的兩組電壓，接到相互連接的整流橋上。
即輸入電流諧波次數(shù)為 12K±1，其幅值與次數(shù)成反比而降低。這樣使得網(wǎng)側(cè)5次和7次諧波電流大大減少。
2 直流母線的設(shè)計(jì)
目前國(guó)內(nèi)中小功率變頻電源的功率母線主要有以下幾種：
1）印刷電路板母線主要用于小功率的變頻電源，缺點(diǎn)是通過(guò)的電流小。
2）圓銅導(dǎo)線是最常用的功率母線，適用于中功率變頻電源，缺點(diǎn)是寄生電感大。
3）寬度2、3cm，厚度2、3mm的窄銅條，適用于中功率的變頻電源，缺點(diǎn)是寄生電感大。
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隨著功率的加大，以上功率母線就不適合了，會(huì)帶來(lái)一些問(wèn)題， 大功率變頻電源的功率器件在開(kāi)關(guān)過(guò)程中，由于從直流儲(chǔ)能電容至IGBT器件之間的直流母線上的寄生電感和IGBT模塊自身電感的影響，會(huì)產(chǎn)生很高的尖峰電壓，這種尖峰電壓，會(huì)使器件過(guò)熱，甚至有時(shí)使IGBT失控并超過(guò)器件的額定安全工作區(qū)而損壞。因而，必須將開(kāi)關(guān)過(guò)程中產(chǎn)生的尖峰電壓限制在允許范圍內(nèi)，降低尖峰電壓一般有兩種方法：一是通過(guò)增加?xùn)艠O驅(qū)動(dòng)電阻來(lái)減小di/dt,但選擇合適的柵極驅(qū)動(dòng)電阻很困難，若驅(qū)動(dòng)電阻太大，導(dǎo)致dv/dt減小，開(kāi)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間延長(zhǎng)，增加了開(kāi)關(guān)損耗；二是減小直流回路功率母線的分布電感。由于上述幾種功率母線都存在著不同的缺點(diǎn)，為此采用迭層功率母線。
迭層功率母線基于電磁場(chǎng)理論，把連線做成扁平截面，在同樣截面下做得越薄越寬，它的寄生電感越小，相鄰導(dǎo)線內(nèi)流過(guò)相反的電流，其磁場(chǎng)抵消，也可使寄生電感減小。所謂迭層功率母線是以又薄又寬的銅排形式迭放在一起，各層之間用高絕緣強(qiáng)度的材料隔離，整個(gè)母線極之間的距離比較一致，以減少互感，各層銅排都在所需要的端子位置處同其他層可靠絕緣地引出，使所具有不同電位的端子表露在同一平面上，以便于把主電路中的所有器件與之相連。使用迭層功率母線將IGBT和整流管等模塊、散熱器、電容器組合在一起，迭層功率母線與器件之間的連接是用不同的端子和插接件等來(lái)完成的，以便相連接時(shí)的接觸表面與母線之間的接觸電阻非常小，也使得寄生電感成數(shù)量級(jí)地減小，從而使Ldi/dt的過(guò)電壓應(yīng)力降至最低，保證裝置工作在最佳狀態(tài)。
根椐電磁理論假設(shè)：
1）迭層功率母線的長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于寬度，同時(shí)寬度遠(yuǎn)大于厚度和兩塊正負(fù)極板之間的距離，則迭層功率母線在長(zhǎng)度方向上的磁感應(yīng)強(qiáng)度相同；
2）迭層功率母線為非鐵質(zhì)物質(zhì)，流過(guò)的電流為I，且均勻分布，則寬度方向的電流密度 d=I / b。則迭層功率母線的電感為：
式中 L：電感，包括迭層功率母線的內(nèi)電感和外電感兩部分
l：迭層功率母線長(zhǎng)度 b : 寬度 w: 厚度
a: 兩塊正負(fù)極板之間的距離 μr: 極板的磁導(dǎo)率
若兩塊正負(fù)極板之間的距離接近零，且w遠(yuǎn)小于b時(shí)，可知電感L為零，可見(jiàn)兩塊正負(fù)極板之間的距離越小越好。
迭層功率母線共采用四層板，從下到上依次為絕緣板1，銅板負(fù)極，絕緣板2，銅板正極。圖2 是四層板的外形尺寸圖，1為銅板負(fù)極，2為銅板正極，3為絕緣板1和2。
使用迭層功率母線除了使寄生電感減小外，還能使空間電磁干擾降低。根據(jù)電磁場(chǎng)理論，當(dāng)導(dǎo)體中有電流流過(guò)時(shí)，會(huì)在空間任何一點(diǎn)產(chǎn)生磁場(chǎng)。設(shè)空間某點(diǎn)的磁場(chǎng)用磁感的磁導(dǎo)率B來(lái)衡量，空間中有磁導(dǎo)率可近似為真空中的磁導(dǎo)率μ，則B隨電流成正比變化。當(dāng)?shù)鼘庸β誓妇€中通入兩個(gè)大小相同、方向相反的電流時(shí)，它們?cè)诳臻g某點(diǎn)產(chǎn)生的B是兩個(gè)方向相反電流產(chǎn)生的B的矢量和。根椐畢奧一沙法律，空間任意一點(diǎn)的合成B的幅值為：
B=
式中 I：極板中電流
l1：正極板中心點(diǎn)到空間某點(diǎn)的距離
l2：負(fù)極板中心點(diǎn)到空間某點(diǎn)的距離
θ: 空間某點(diǎn)到兩極板中心點(diǎn)的連線的夾角
由上式可知，當(dāng)?shù)鼘庸β誓妇€中極板上電流一定時(shí)，要使空間某點(diǎn)的電磁干擾盡可能小，應(yīng)使
盡可能小，即正負(fù)極板之間的中心距盡可能小。[page]
3 增加直流偏磁電路
隨著變頻電源功率的加大，不得不考慮主變壓器的偏磁問(wèn)題，偏磁的后果是十分嚴(yán)重的，輕則會(huì)使變壓器和功率半導(dǎo)體模塊的功耗增加，溫升加劇，變壓器的機(jī)械噪聲增大，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)損壞功率器件，使變頻電源不能正常工作。因此，為了提高大功率變頻電源的可靠性，必須增加抗偏磁電路。
為解決SPWM全橋逆變器中存在的直流偏磁問(wèn)題，首先選擇飽和壓降和存儲(chǔ)時(shí)間特性一致的功率開(kāi)關(guān)管用于SPWM全橋逆變器，減小控制電路的脈寬失真和驅(qū)動(dòng)延時(shí)，其次變壓器鐵心加氣隙，增加鐵心的磁阻，提高變壓器抗直流偏磁的能力，最后采用抗偏磁電路。
由于在輸出變壓器中，勵(lì)磁電流一般僅占原邊電流的2％，因此原邊電流直流分量的檢測(cè)必須首先濾除勵(lì)磁電流中的基波及高頻成分，然后再將剩下的直流分量放大后用于控制。勵(lì)磁電流中直流分量的提取可先由霍爾電流傳感器檢測(cè)變壓器的原邊電流，再經(jīng)有源濾波，最后送到PID調(diào)節(jié)器中，其雙閉環(huán)控制原理框圖為如圖3所示。
實(shí)際上是通過(guò)對(duì)逆變器的輸出電流引入負(fù)反饋，限制主電路中的直流分量，以防止變壓器產(chǎn)生偏磁。這種抗偏磁電路的調(diào)節(jié)方法實(shí)現(xiàn)了直流偏磁的自動(dòng)調(diào)節(jié)，在各個(gè)工作點(diǎn)均能很好的防止直流偏磁的產(chǎn)生。
此方案優(yōu)點(diǎn)在于與過(guò)流保護(hù)共用一個(gè)檢測(cè)器件，節(jié)省費(fèi)用；當(dāng)發(fā)生直流偏磁時(shí)，變壓器勵(lì)磁電流以指數(shù)規(guī)律迅速增大，比檢測(cè)電壓糾偏的方法靈敏。
4 吸收電路的改進(jìn)
通常，對(duì)于變頻電源C﹑E間的過(guò)壓一般采用如圖4所示的電路，安裝緩沖電路抑制集電極、發(fā)射極間過(guò)電壓。小功率用圖4A和圖4B組合，中大功率用圖4A和圖4C組合，但隨著變頻電源功率進(jìn)一步加大，這種組合就不適合了。以下做一下簡(jiǎn)單分析。
圖4 緩沖吸收電路
圖5為采用緩沖吸收電路的典型關(guān)斷電壓波形。
圖5典型關(guān)斷電壓波形
在圖5中，Vce起始電壓的毛刺ΔV1是由緩沖電路的寄生電感LS和緩沖二極管的正向恢復(fù)引起的。其主要部分取決于寄生電感LS：
di/dt為關(guān)斷瞬間或二極管恢復(fù)瞬間的di/dt。di/dt最差情況接近0.02A/ns×IC，如果ΔV1的限值已經(jīng)確定，緩沖電路的最大允許電感量可由di/dt估算。
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假如IGBT的工作峰值電流ICM為800A，若ΔV1限制在150V，則最差情況的di/dt約為：
由計(jì)算可知，大功率的IGBT電路需要極低電感量的緩沖電路。隨著IGBT電流的增加，C、E的距離不斷變大，所用緩沖電容和緩沖器電阻也越來(lái)越多，緩沖電路的PCB板也變得很大，緩沖電路的寄生電感很難做到十幾 nH 以下，ΔV1限制在150V就比較難，有可能會(huì)超過(guò)500V以上，造成過(guò)壓，損壞IGBT。
綜上分析，超過(guò)600A的IGBT使用緩沖電路有可能還不如不用緩沖電路的效果好，若緩沖電路設(shè)計(jì)不好，可能會(huì)增加尖峰電壓。因此我們?nèi)サ艟彌_電路板，只在C、E上并聯(lián)無(wú)感電容，再加上使用迭層功率母線，實(shí)踐證明這種方式安全可靠。
5 過(guò)流保護(hù)的改進(jìn)
圖6為新的IGBT過(guò)流保護(hù)方法示意圖，新方案和以前的IGBT的過(guò)流方法相同之處是仍然采用分散過(guò)流保護(hù)與集中過(guò)流保護(hù)相結(jié)合的方法，不同之處在于：一是新方案采用霍爾傳感器，而不是用磁電流互感器；二是用霍爾傳感器檢測(cè)變壓器原邊電流，而不是輸出電流；三是在分散過(guò)流檢測(cè)通道串入快速光電耦合器，利用分散過(guò)流保護(hù)通道，響應(yīng)集中過(guò)流信號(hào)的要求，利用驅(qū)動(dòng)模塊內(nèi)部的過(guò)流保護(hù)電路對(duì)IGBT實(shí)施軟關(guān)斷，而不是硬關(guān)斷。
比較器A的第二腳接變壓器原邊電流轉(zhuǎn)換的電壓值，O1為快速光電耦合器HCPL4504，其輸出三極管與快恢復(fù)二極管相串聯(lián)，當(dāng)變壓器原邊電流沒(méi)有超過(guò)設(shè)定的閾值時(shí)，無(wú)集中過(guò)流信號(hào)，此時(shí)光耦的輸入側(cè)二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)，在分散過(guò)流檢測(cè)通道中串入的光耦不會(huì)影響分散過(guò)流保護(hù)功能，當(dāng)變壓器原邊電流超過(guò)設(shè)定的閾值時(shí)，產(chǎn)生集中過(guò)流信號(hào)，此時(shí)光耦的輸入側(cè)二極管迅速關(guān)斷，快速光耦的輸出側(cè)三極管迅速關(guān)斷，M57962的1腳將懸空，此時(shí)IGBT如果仍處于導(dǎo)通狀態(tài)，則驅(qū)動(dòng)模塊內(nèi)部的過(guò)流保護(hù)電路就會(huì)動(dòng)作,對(duì)IGBT實(shí)施軟關(guān)斷保護(hù)。這樣，不論分散過(guò)流保護(hù)，還是集中過(guò)流保護(hù)，都能對(duì)IGBT實(shí)施軟關(guān)斷保護(hù)，防止過(guò)大的關(guān)斷電壓對(duì)IGBT造成損壞。
圖6新的IGBT過(guò)流保護(hù)
2，實(shí)物圖
利用以上改進(jìn)措施，并嚴(yán)格按照國(guó)家軍標(biāo)要求，我們研制了三臺(tái)700KVA的三進(jìn)三出的大功率變頻電源，目前已安全無(wú)故障的運(yùn)行半年多，受到了用戶的一致好評(píng)。
