大功率高压高频变压器

大功率、高压、高频变压器与普通变压器的设计方法不同，主要表现在：绝缘需求、寄生成分、空载损耗、负载损耗、电晕放电及整流等方面。一次绕组和二次绕组之间需要有效的绝缘厚度或距离，以避免电场击穿。因此，一次绕组和二次绕组之间的电磁耦合不像传统的低压变压器那样紧凑。对于一次侧来说，这将导致寄生泄漏电感，从而影响变压器的最大功率容量。特别是在设计大功率、高压变压器的时候，如要保证足够的绝缘距离，就会有寄生电感产生。

影响漏感的因素有：①变压器的结构形式及尺寸；②铁芯形状（环形最小）、尺寸、初级和次级绕组匝数；?导线截面积、绕组绕制方式、绝缘距离等。

对于大功率高压开关电源，由于电压高，电流一般较大，硬开关PWM变换器受到变压器寄生参数的影响，易造成功率开关开通时产生浪涌电流，关断时产生浪涌电压，从而增加开关损耗。因此，一般采用谐振变换技术（即软开关技术），将变压器的寄生参数充分利用参与谐振，使通过功率开关的电流或电压波形为正弦波或准正弦波，实现开关的零电压(ZVS)或零电流(ZCS)开通与关断。

实现高电压大电流输出高压变压器（转换器）又可分为以下几种模式：

1) 倍压整流模式

倍压整流模式是在变换器的整流输出环节采用倍压整流技术，从而减小了变压器的升压倍数，使变压器的电压等级降低。电压等级降低了，变压器二次绕组与一次绕组的匝数比减小从而减小了寄生电容。同时，变压器的绝缘设计相对变得比较容易，很大程度上减小了变压器的体积和整个电源系统的重量。

倍压整流电路只能在负载较轻的情况下才能正常工作， 对于如静电除尘等需要大功率电源的情况下，由于电流较大，采用倍压整流将会使电压降低，达不到所要求的电压输出，因此倍压级数不能太高，一般最多为二级倍压为宜。

倍压电路在正常工作状态下，输出电压很稳定，但是当负载出现短路或者负载电场击穿放电（静电除尘）时，倍压整流电路将产生超过正常电流几十倍的浪涌电流，对电源系统的安全运行带来影响。因此，必须采取有效的保护措施加以防范，如在负载处串联限流电阻等。

2) 串/并联输出模式

该模式是在变压器内部各个次级线包之间进行串/并联组合后整流输出，或者各个次级线包单独整流输出后再进行串/并联组合，以实现所需要的功率和电压输出。各个次级线包之间具有公共的磁路。在大功率、高压、高频逆变器开关电源中，升压变压器一次侧电压较低，二次侧电压较高，通过一次侧绕组的电流很大，但二次侧绕组匝数多，因此，串/并联输出模式中升压变压器是将二次绕组分成多个线包，各个线包进行串/并联组合或者单独输出。

上述大功率高压高频变压器（转换器）的制成方式都有以下共同特点：

1) 共有一付大功率铁芯（该铁芯也有可能是几付铁芯并联）；

2) 所有次级绕组绕制在一付铁芯上，各个次级绕组之间没有单独的磁芯和磁路；

3) 初级绕组绕制（装配）完成后，绕制（装配）次级绕组，初、次级绕组都共有一付铁芯；

4) 次级绕组相对初级绕组远离铁芯。

大功率（大于10kW）、高压（大于10kV）、高频（大于20kHz）AC-DC电源变换器的应用越来越广泛，如应用于氩弧焊、静电除尘、脱水以及脱硫脱硝等工业领域。在这种大功率的高压开关电源中，实现能量的存储和传递、用以隔离和升压的高频变压器是项目设计的关键和难点，其性能的好坏不仅直接影响到输出是否产生波形的畸变及能量传输的效率，而且可能影响到功率开关器件的安全工作。

《电气自动化新技术丛书》序言

第4届《电气自动化新技术丛书》编辑委员会的话

前言

第1章绪论

1.1高压大功率交流变频调速技术的发展

1.2高压大功率交流变频调速系统的基本类型

1.3高压大功率交流变频调速系统的应用

1.4高压大功率交流变频调速系统发展中面临的问题

第2章高压变频用电力电子器件

2.1概述

2.1.1电力电子器件是影响高压变频器发展的重要因素

2.1.2高压变频器常用的电力电子器件及其分类

2.1.3本章主要探讨的问题

2.2电力二极管

2.2.1PN结电力二极管

2.2.2快恢复二极管

2.3晶闸管

2.3.1晶闸管的基本结构与工作原理

2.3.2晶闸管的基本特性与参数

2.4绝缘栅双极型晶体管(IGBT)

2.4.1IGBT的基本结构与工作原理

2.4.2IGBT基本特性

2.4.3IGBT特性参数表

2.4.4IGBT驱动电路

2.5集成门极换流晶闸管(IGCT)

2.5.1IGCT工作原理

2.5.2IGCT基本特性

2.5.3IGCT特性参数

2.5.4IGCT的门极驱动技术

2.6注入增强栅晶体管(IEGT)

2.6.1IEGT的基本结构与工作原理

2.6.2IEGT的基本特性

2.6.3IEGT的最大额定值与主要技术参数

2.7电力电子器件的串并联设计

2.7.1电力电子器件的串联技术

2.7.2电力电子器件的并联技术

第3章高压交一交变频调速系统

3.1三相输出交一交变频器的基本原理

3.1.1三相一单相交一交变频基本原理

3.1.2有环流模式与无环流模式

3.1.3交一交变频器的控制

3.1.4三相一三相桥式交一交变频基本原理

3.1.5三相一三相桥式交一交变频器的输入输出谐波及输入功率因数

3.1.6三相一三相桥式交一交变频器的谐波及无功功率的抑制

3.2矩阵式交一交变频器

3.3三相高压交一交变频调速技术及应用

3.3.1电力电子器件参数选择及器件串联

3.3.2一种实际的高压交一交变频调速系统

第4章电流源型高压变频调速系统

4.1电流源型高压变频器的基本原理

4.1.1晶闸管方波输出电流源型变频器的基本原理

4.1.2晶闸管换相过程

4.2PWM式电流源型变频器

4.2.1PWM式电流源型变频器的基本原理

4.2.2逆变桥的换相过程

4.3电流源型变频器的谐波抑制

4.3.1电流源型变频器的输入串联多重化

4.3.2电流源型变频器的输出多重化

4.4电流源型高压变频器的产品设计

第5章三电平电压源型高压变频调速系统

5.1三电平电压源型高压变频调速技术的基本原理

5.1.1二极管钳位三电平电路的基本原理

5.1.2二极管钳位三电平电路的输出电压及负载电压

5.1.3二极管钳位三电平电路的软开关技术

5.1.4其他钳位方式三电平电路

5.2三电平空间电压矢量控制算法

5.2.1三电平空间电压矢量的合成

5.2.2三电平SVPWM的控制算法

5.2.3三电平SVPWM控制中的一些问题

5.3谐波和功率因数

5.3.1谐波与功率因数简介

5.3.2三电平的输入输出谐波和输入功率因数

5.4三电平PWM可控整流及电动机的四象限运行

5.4.1电动机的四象限运行及负载能量回馈

5.4.2PWM可控整流的基本原理

5.4.3三电平PWM可控整流的原理及sVPwM控制算法

5.5三电平产品的几种实现方案

第6章功率单元串联式多电平电压源型高压变频调速系统

6.1H桥功率单元串联式多电平的基本原理

6.2功率单元串联式多电平的输人多重化技术

6.2.1变压器延边三角形移相技术

6.2.2移相多重化整流技术

6.2.3本节小结

6.3功率单元串联式多电平的相关技术

6.3.1产品的可靠性

6.3.2变频器的制动

6.3.3飞速启动

6.4功率单元串联式多电平系统的输出性能分析

6.4.1输出谐波

6.4.2转矩脉动

643du/dt

6.4.4轴电压和轴电流

6.4.5输出导线长距离传输问题

6.5功率单元串联式多电平高压变频调速系统的基本构成

6.5.1输入部分

6.5.2功率变换部分

6.5.3检测与保护部分

6.5.4控制部分

6.5.5PLC

6.6其他派生的功率单元串联式多电平技术方案

6.6.1功率单元采用多电平结构的技术方案..

6.6.2非对称结构功率单元串联式多电平变频调速系统

6.6.3混联式多电平技术方案

第7章高压变频器中常用PwM算法

7.1PWM技术概述

7.1.1PWM的基本概念

7.1.2PWM的类型

7.2调制波变换技术

7.2.1提高电压利用率的调制波变换技术

7.2.2减小开关损耗的调制波变换技术

7.3调制波分解技术

7.3.1调制波等比例分配

7.3.2调制波纵向分割方法

7.4波形连续变换技术

7.5空间电压矢量PWM

7.5.1三相异步电动机在三相对称正弦波电压供电时的特性

7.5.2空间电压矢量PwM方法

7.5.3SVPWM的特性分析

第8章高压变频的常用控制策略

8.1u/f控制

8.1.1异步电动机的工作原理及等效电路

8.1.2维持u1/f1常数的简单开环控制

8.2无速度传感器矢量控制

8.2.1基本原理

8.2.2无速度传感器矢量控制总体方案

8.2.3有速度传感器矢量控制方案

8.3直接转矩控制

8.3.1直接转矩控制系统的原理

8.3.2直接转矩控制系统的结构

第9章高压变频调速的其他技术方案

9.1高一低一高式及高一低一低式变频调速系统

9.2IGBT直接串联式两电平电压源型高压变频调速系统

9.3变压器耦合功率单元串联式高压变频拓扑

9.4具有多个分支绕组的交流电动机变频调速系统

9.5绕线转子异步电动机双馈调速及串级调速技术

第10章高压大功率交流变频调速系统的产品设计

10.1主电路的设计

10.1.1主电路拓扑结构参数的计算

10.1.2功率单元中电力电子器件的参数计算与选型

10.2检测与保护电路

10.3缓冲电路

10.3.1RG-VD缓冲电路的分析与计算

10.3.2逆变电路的常用缓冲电路

10.3.3大功率叠层功率母线

10.4电磁兼容性设计

10.4.1高压变频器输人侧的谐波问题

10.4.2高压变频器输出侧的谐波问题

10.4.3高压变频器的抗干扰问题

10.5散热与通风设计

10.5.1电力电子器件的散热设计

10.5.2功率单元的散热冷却设计

10.5.3整机的散热与通风设计

10.6可靠性

10.6.1可靠性指标

10.6.2高压变频器的可靠性模型

10.6.3提高可靠性的措施

第11章高压大功率交流调逮系统的接口及应用

11.1DCS与PLC

11.1.1DCS

11.1.2PLC

11.2现场总线技术

11.2.1现场总线的概念

11.2.2现场总线技术特点

11.2.3现场总线通信协议特点

11.2.4典型现场总线技术与产品

11.2.5现场总线技术的应用

11.3高压变频器的接口设计"二"

11.4泵与风机的调速运行原理

11.4.1泵与风机的节电基础

11.4.2泵与风机的运行调节

11.4.3泵或风机的联合运行

11.5大功率电动机调速方式

11.5.1交流调速方法

11.5.2各种交流调速方法的对比

11.6高压变频器在电厂中的应用

11.6.1高压变频器在电厂送引风机变频调速改造中的应用

11.6.2高压变频器在电厂循环水泵变频调速改造中的应用

11.7高压变频器在冶金企业中的应用

11.8高压变频器在煤矿通风机变频调速中的应用

11.9高压变频器在供水领域中的应用

11.10高压变频器在石化行业中的应用

11.10.1ACS1000变频器的主要特点

11.10.2系统改造方案

10.3系统运行效果

11.11高压变频器在电力牵引中的应用

11.12高压变频器在风洞中的应用

第12章高压变频调速系统的计算机仿真

12.1MATLAB仿真环境基本介绍

12.1.1MATLAB软件介绍

12.1.2Simu1ink工具箱介绍

12.1.3电力系统模块库(PSB)简介

12.1.4Subsystem的建立和Mask功能

12.1.5s函数介绍

12.2高压变频调速系统主电路的建模与仿真

12.2.1三电平电压源型高压变频调速系统的建模与仿真

12.2.2Simu1ink仿真的运行

12.2.3功率单元串联式多电平高压变频调速系统的建模与仿真

12.3高压变频调速系统多重化整流仿真研究

12.3.148脉波多重化整流仿真

12.3.2144脉波多重化整流仿真

12.4高压变频调速系统常用控制策略仿真

12.4.1无速度传感器矢量控制系统仿真

12.4.2直接转矩控制系统仿真

参考文献