IOP313卡件,METSO中文說明
主電路拓撲結構 由于電力電子器件的工藝水平并不能很好地解決其功率、電壓承受能力與開關頻率之間的矛盾，為了研制高頻、高壓、高性能和低EMI的大功率變流器，必須將高性能電力電子器件、主電路拓撲結構以及變流器所在系統的控制策略進行綜合考慮，以找到解決問題的方案。多電平結構成為其中一種具有代表性和較為理想的解決方案［1］。常見的電壓型多電平變頻器主要有3 種基本拓撲結構，即二極管鉗位式、電容跨接式和具有獨立直流電源的單元級聯式。本次研制的礦用隔爆兼本質安全型高壓變電變頻器BPBJV-1600/10采用單元級聯式，。
IOP313卡件圖1 中，T 為整流移相變壓器；A1～A4，B1～B4，C1～C4為復合功率單元；KM1，KM2為輸出接觸器。整流移相變壓器容量選擇2 000 kV·A，包含1 個原邊繞組、1 個輔助電源1 140 V繞組、24個額定電壓為690 V的繞組。復合功率單元為6相輸入單相輸出，輸入線電壓為690 V，輸出線電壓為1 450 V。功率單元A1～A4的輸出依次串聯連接形成A相，相電壓為5 800 V；功率單元B1～B4的輸出依次串聯連接形成B相，相電壓為5 800 V；功率單元C1～C4的輸出依次串聯連接形成C相，相電壓為5 800 V。然后，將A4，B4，C4的L1連接在一起，形成變頻的中點，單元A1的L2作為逆變器的A相輸出，單元B1的L2作為逆變器的B相輸出，單元C1的L2作為逆變器的C相輸出，輸出線電壓為10 kV。通過對KM1和KM2的控制，可使變頻器輸出具有2 種驅動模式，即1 臺變頻器驅動1 臺電機模式和1 臺變頻器驅動2 臺電機模式。這種結構為高—低—高的功率變換方式，整流移相變壓器將輸入三相10 kV電壓變為多組三相690 V電壓，作為功率單元的輸入，功率單元逆變出的單相1 450 V電壓，分別將每相功率單元輸出級聯，最終使得變頻器輸出線電壓為10 kV，功率單元按照6 相輸入線電壓為690 V，單相輸出為1450 V的變頻模塊進行設計，采用額定電壓為1700 V的器件即可滿足設計要求。若不采用多電平結構，則必須采用器件串聯結構解決耐壓問題，目前單一功率開關器件比如IGBT 模塊制造水平為耐壓6 500 V，顯然單一功率開關器件無法滿足直接10 kV電壓變換的要求。
圖1 主電路拓撲結構圖 Fig.1 Diagram of main circuit topology
4 整流移相變壓器設計 整流移相變壓器是變頻器的關鍵器件，通過合理設計整流移相變壓器，可解決本項項目需求的變壓、消除整流產生的諧波、隔離等問題。此項目中，采用了48 脈波整流，相移角度為7.5°，二次側設計25 個繞組，其中24 個繞組額定電壓為690 V，給12 個功率單元供電，1 個繞組額定電壓為1140 V，作為輔助電源。通過分析可知，移相變壓器的二次側相移7.5°后，變壓器一次側電流是具有半波對稱性質的奇函數［2］，一次側電流中的47 次以下諧波被抵消，系統的輸入電流諧波大幅減小，且輸入電流的基波因數增大，進一步提高了系統功率因數。
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