內(nèi)容摘要：本文匯集了國外八類11種，中高壓變頻器的典型主電路方案，并進行了結(jié)構(gòu)和特性的分析，尤其是2010年問世的新產(chǎn)品，多相整流輸入、三電平輸出的方案，比較詳細的從定性到定量的論述，更值得國內(nèi)業(yè)界人士對改進現(xiàn)在產(chǎn)品的借鑒參考。

　　關(guān)鍵詞：單元串聯(lián)多電平、中心點鉗位三電平、多相整流輸入三電平輸出、二電平電流型、多電平、多重化電流型、多重化電壓型、自換向式電流型。

　　1、單元串聯(lián)多電平主路見圖1

　　1-1電路簡介：由圖1可知移相輸入變壓器T其一次側(cè)為一個繞組Y接法，二次側(cè)繞組個數(shù)與功率單元個數(shù)相等，而功率單元個數(shù)又與輸出線電壓大小值而不相同的見表1，為減少諧波、二次繞組要移相，有超前24°三個、超前12°三個、無移相三個、滯后12°三個、滯后24°三個，共15個繞組，繞組型式有超前延邊三角形6個，滯后延邊三角形6個，三角形無移相3個，共15個二次繞組，每相5個單元串聯(lián)組成相電壓，三相接成Y形成線電壓。功率單元結(jié)構(gòu)是三相橋式6脈沖整流電路，三相輸入電壓略高（約20V）4－5％，就是單相輸出電壓見表1，電路結(jié)構(gòu)是H橋二電平的，然后5個690V單元相串聯(lián)組成一相，例A相（B相C相類同）再接Y形，組成線電壓6000V，其實質(zhì)是單相功率單元串接后，組成三相線電壓成為高壓。

　　1-2電路特點：

　　1）由于移相作用，使諧波從源頭上減小，故損耗與發(fā)熱亦減小，輸出波形較好見圖2。

　　2）諧波合成分量THD％

　　3）可以使用耐壓較低的IGBT，這樣成本較低。

　　4）輸出線電壓是多電平疊加形成的，且每級間電壓值相差較小，故du/dt相應(yīng)較低。

　　5）電源功率因數(shù)在0.95以上，電力轉(zhuǎn)換效率約為97％，見圖4

　　6）移相變壓器結(jié)構(gòu)復雜約占整機成本的40％，電路使用的器件量較多，連接點較多，可靠性略差。

　　7）不能四象限運行。

　　1-3使用情況：單元串聯(lián)多電平主電路是美國于1994年問世的，由羅賓康ROBINCON公司首創(chuàng)的屬電壓源型VSI。在世界范圍內(nèi)，市場占有率最高達60％以上，在中國達80％。有完美無諧波綠色高壓變頻器的稱呼，一時名揚全球，至今聲勢沒減，銷售量占首位。

　　1-4生產(chǎn)廠商：美國的羅賓康

　　德國的西門子、奧莎

　　意大利的安薩爾多

　　日本的富士、安川、三菱、三肯、日立、松下、明電舍、提邁克TMEIC

　　韓國的現(xiàn)代

 

　　可以輕松應(yīng)對原有電機

　　通過采用多級串聯(lián)PWM控制，變頻器無需使用濾波器即可輸出正弦波電壓。因此，即使保留使用原有的電機和配線電纜，也能實現(xiàn)如下效果；

　　●不會產(chǎn)生對電機有害的共振浪涌電壓；

　　●轉(zhuǎn)矩脈動低，保護負載不受沖擊；

　　●實現(xiàn)與工頻電源運行相同的低噪音。

圖2輸出電壓、電流波形

　　無需擔心高次諧波

　　輸入波形為正弦波、幾乎不含高次諧波成分。因此，變頻器自身即可滿足日本“經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省”（舊稱“通產(chǎn)省”）發(fā)布的《高次諧波抑制指導方針》的要求，同時滿足IEEE519所規(guī)定的高次諧波抑制安全規(guī)則的標準，而不需要使用高次諧波濾波器或有源濾波器等輔助設(shè)備。

　　日本“經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省”（舊稱“通產(chǎn)省”）發(fā)布的《高次諧波抑制指導方針》和FSDrive-MV1S的輸入電流的高次諧波的測定值。

　?。?.3KV、630KW、60Hz全部在滿負荷630KW的情況下）如下表2

諧波次數(shù)	5	7	11	13	17	19	23	25	29	31
指導方針	4.00	2.80	1.80	1.50	1.10	1.00	0.87	0.80	0.80	0.80
FSDrive-MV1S 測定值	1.07	0.53	0.90	0.49	0.78	0.76	0.06	0.26	0.11	0.07

　　經(jīng)計算THD%=1.94%(單位：％)

圖3輸入電壓、電流波形

表1串聯(lián)單元個數(shù)后的線電壓

3個單元電壓440V	線電壓2300V
4個單元電壓480V	線電壓3300V
5個單元電壓480V	線電壓4160V
5個單元電壓690V	線電壓6000V
5個單元電壓1170V	線電壓10000V

　　實現(xiàn)大幅節(jié)能

　　因為無需輸出變壓器的直接式高壓變頻器，可維持約97％的高電力轉(zhuǎn)換效率，不會造成不必要的能源浪費。由于電源功率因數(shù)一直確保0.95，不會因運行速度而變化，因此無需用于改善功率因數(shù)的電容器。

圖4電力轉(zhuǎn)換效率比、功率因數(shù)

　　2、中性點鉗位（NPC）三電平PWM主電路見圖5

　　2-1電路簡介

　　在PWM電壓源型變頻器中，當輸出電壓較高時，為了避免器件串聯(lián)引起的靜態(tài)和動態(tài)均壓問題，同時降低輸出諧波及du/dt的影響，逆變器部分可以采用中性點鉗位的三電平方式。逆變器的功率器件可采用高壓IGBT或IGCT。圖5是中性點鉗位三電平PWM中高壓變頻器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5中性點鉗位三電平PWM中高壓變頻器的結(jié)構(gòu)示意圖

表3三電平變頻器輸出電壓組合

VT1	VT2	VT3	VT4	輸出電壓	狀態(tài)代號
ON	ON	OFF	OFF	UD	P
OFF	ON	ON	OFF	0	C
OFF	OFF	ON	ON	-UD	N

　　由此組合，三相三電平變頻器輸出的空間矢量可以有33＝27種，去掉其中8種重復的，實際是19種，包括一個零矢量。

　　電壓空間矢量法的基本思想是用三相三電平變頻器的上述六邊形的矢量軌跡，通過對輸出電壓的頻率、電壓（幅值）和PWM的調(diào)制（又稱菱形調(diào)制），使之逼近理想的正弦連續(xù)系統(tǒng)所具有的圓形電壓矢量軌跡。

　　在三電平變頻器中，每個橋臂雖有4個功率器件串聯(lián)，但不存在任何兩個串聯(lián)器件同時導通或關(guān)斷，所以沒有均壓問題。在輸出電壓相同的情況下，對器件要求較低。與普通PWM變頻器相比，由于輸出電壓的電平數(shù)增加，易于實現(xiàn)諧波的相互補償，輸出波形有很大的改善。功率因數(shù)接近于1，諧波失真2％以下。

　　2-2國外三電平的變頻調(diào)速裝置的三種實施方案（見圖6、圖7、圖8）

　?。?）ABB公司

圖6ABB中壓變頻器系統(tǒng)簡圖

　?。?）西門子公司

圖7西門子公司系統(tǒng)簡圖

　?。?）日本東芝三菱公司、提邁克TMEIC

　　AC/DC整流或回饋DC/AC逆變

圖8東芝三菱三電平中壓變頻器簡圖（四象限運行可以的）

　　2-3上述三種方案比較見表4

表4國外三電平變頻調(diào)速裝置實施方案簡單比較

公司	整流器輸入	直流環(huán)節(jié)	逆變器	控制算法
ABB公司	1）  三繞組變頻器 2）  兩組整流器串聯(lián)，分別接變壓器二次二個繞組供電	整流橋中性點與中間直流環(huán)節(jié)的電容中性點不相連	1）  用IGCT管子 2）  LC濾波器	1）  開關(guān)頻率易偏離，但可采用滯環(huán)比較方式進行校正 2）  直接轉(zhuǎn)矩控制 3）  控制運算不需坐標變換
西門子公司	同上	整流橋中性點與中間直流環(huán)節(jié)的電容中性點相連	1）  用IGCT或IGBT管子 2）LC濾波器	1）不存在中性點電壓漂移問題 2）矢量控制 3）需坐標變換（三相－兩相）
東芝三菱公司	1）  二繞組變頻器 2）  不完全相同 3）  二極管較多	整流橋中性點與中間直流環(huán)節(jié)的電容中性點相連	1）用IGCT管子 2）LC濾波器 3）可用AFE有源整流	1）不存在中性點電壓漂移問題 2）矢量控制

      2-4有源整流（AFE制式）

　　在6000V、1000KW高壓變頻調(diào)速裝置中，ABB、AB（羅克偉爾）和西門子、東芝－三菱公司均采用有源整流（AFE），以減少耗電、耗材、耗財?shù)囊葡嘧儔浩鳎刂品绞饺詾镻WM方式，通過拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計和軟件配合，實現(xiàn)五電平控制，達到24脈沖可四象限運行，也可二象限運行。二象限運行時，AFE有源整流還有功率因數(shù)補償功能。

　　2-5生產(chǎn)廠商

　　瑞士ABB

　　德國西門子

　　日本提邁克TMEIC

　　美國通用GE、羅克偉爾A-B

　　3、多相整流輸入、功率單元輸出H橋三電平主電路

　　3-1目前單元串聯(lián)多電平電路的不足之處

　　1）移相輸入變壓器，尤其是二次繞組數(shù)量多，繞組型式多種，有延邊△、Y、△，因此結(jié)構(gòu)、工藝都較復雜，體積大，重量大，散熱大，一般都是干式的，選冷軋結(jié)晶硅鋼片制造的，所以造價較貴，就這個變壓器要占約40％以上的整機價值，能否不用移相方式，而選用多相脈沖輸入，相同型式的繞組整流變壓器來替代呢？回答是肯定的，目前國外于2010年問世有產(chǎn)品，例瑞士ABB、日本富士、法國施耐德已有新產(chǎn)品問世，經(jīng)實踐應(yīng)用測試，效果不錯，甚至更優(yōu)越，超過移相方法，這樣整機價格就會下降，具體分析見下一節(jié)。

　　2）功率單元輸出是H橋型式，單相二電平，其電路是較簡單的，但其綜合性能不是最佳的，可否改為三電平橋式呢？回答是肯定的，見圖10根據(jù)三電平高壓變頻器實踐應(yīng)用結(jié)果。

　　3）三電平比二電平有下列明顯優(yōu)勢點：

　　①輸出電流更接近正弦波，見圖14諧波含量更小，見表5、表6

　　②輸出電壓峰值只有二電平的的1/2，可直接用于普通電動機，不需加LC濾波器

　?、圯敵雎╇娏髦挥卸娖降?/2（即共模電流更?。?/p>

　　④輸入干擾較二電平降低約20dB

　?、菘蛇x用IGBT范圍更寬（可做機型多，散熱面積大），耐壓可降低，安全系數(shù)可更高，成本亦下降

　　4）通過上述三條改進后，使高壓變頻器結(jié)構(gòu)簡化

　　減少器件使用數(shù)量，電路更簡化，連接點減少，可靠性更高，性能亦更好，指標亦更高，具有真正的高壓變頻器應(yīng)該具有的各項性能技術(shù)要求，國內(nèi)近50家制廠商，應(yīng)認真考慮的一件大事，何樂而不為呢？要只爭朝夕呀！

　　3-2多相整流輸入，三電平輸出的改進方法及性能介紹

　　1）多相整流輸入性能介紹

　　根據(jù)資料介紹對不同輸出電壓，例3KV、6KV、10KV應(yīng)采用多相整流，見表5

輸出電壓KV	脈沖個數(shù)	變頻二次繞組	輸出電壓波形電平	整流脈沖電壓個數(shù)
3	24　相電壓	6	9	36
6	36　相電壓	9	13	54
10	60　相電壓	15	21	90

      2）電源側(cè)電壓、電流波形見圖13

      3）高次諧波電流含有率見表6

諧波次數(shù)	5	7	11	13	17	19	23	25	39	37
標準值％	4.00	2.86	1.83	1.49	1.14	1.02	0.87	0.80	0.80	0.80
實測值％	0.58	1.0	0.20	0.32	0.75	0.54	0.06	0.24	0.58	0.27

　　4）整機性能

　　綜合效率97％，功率因數(shù)>0.95，見圖12輸出電壓、電流波形見圖14

　　5）控制方式

　　矢量控制，無速度矢量傳感器控制或直接轉(zhuǎn)矩控制DTC以及可四象限運行具有能量回饋功能。

　　6）主回路構(gòu)成介紹見圖9、圖10

　　7）工變頻旁路切換相位同步跟蹤見圖15、16，能做到工頻切換變頻或變頻切換工頻的無沖擊切換。

　　8）冷卻散熱

　　風冷<5000KW，水冷>5000-22000KW，逆變器模塊可用IGBT或IGCT

　　3-3應(yīng)用范圍：電力——風機、水泵，采礦選礦——破碎機、風機、水泵、壓縮機、起重機、皮帶機、吊籠、升降機，水處理——泵、鼓風機，石油天然氣——泵、壓縮機、鼓風機，水電站——水泵、閘門提升下降，港口碼頭——起重機、皮帶輸送機。

圖910KV等級的主回路構(gòu)成圖

圖10變頻器單元內(nèi)部構(gòu)成

　　注：三相輸入電壓就是單相輸出電壓（考慮壓降提高20V約4－5％）

　　動作原理

　　FRENIC4600FM5e系列變頻器結(jié)構(gòu)如圖9所示，10KV級別變頻器由輸入變壓器和15個變頻單元構(gòu)成（6KV級別由9個變頻單元構(gòu)成，3KV級別由6個變頻單元構(gòu)成）。

　　每個變頻器單元是一個單相3電平變頻器，可以獲得輸出電壓1155V。如圖9所示，10KV等級每一相有5個變頻器單元串聯(lián)，相電壓約5775V，三相以星形連接，可以得到10000線電壓。此外，單相3電平變頻器與單相2電平變頻器相比，每個變頻器單元的輸出電壓可以大2倍，因此只需用較少的變頻器單元就可以得到10/6/3KV電壓。（參照圖11、12）

　　大幅減少了電源側(cè)高次諧波電流量

　　由于電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，近年工業(yè)用電氣設(shè)備以及家用電器中半導體的使用越來越廣泛，在提高產(chǎn)品性能，方便操作的另一方面，這些電器產(chǎn)生的高次諧波使得電網(wǎng)的電壓失真，乃至于影響與電網(wǎng)相連接的其他電氣設(shè)備不能正常工作的現(xiàn)象日益嚴重。然而，電力電子技術(shù)應(yīng)用到電氣設(shè)備上去是大勢所趨，為此有必要對抑制高次諧波的對策作更深入的研究和探討。FRENIC4600FM5e，通過采用多相二極管整流方式（相當于36相整流）抑制高次諧波，與現(xiàn)有的方案相比，高次諧波發(fā)生量大幅度降低，遠遠小于IEEE-519(1992)規(guī)定的高次諧波發(fā)生量，是一種不污染電源的變頻器。

圖13電源側(cè)電流波形

　　高效率：綜合效率約97％

　　●不需要輸出變壓器，沒有輸出變壓器的損耗

　　●獨特的多電平PWM控制方式，降低了開關(guān)損耗

　　●電源側(cè)高次諧波電流減少，降低了輸入變壓器一次繞組的高次諧波損耗

圖14綜合效率曲線

　　功率因數(shù)高：電源功率因數(shù)大于95％

　　●通過多相二極管全波整流，電源側(cè)功率因數(shù)提高，可以以高功率因數(shù)運轉(zhuǎn)

　　●不需要加裝改善電源側(cè)功率因數(shù)的進相電容器和直流電抗器

　　●變頻器可以在較小容量的電源下運轉(zhuǎn)

圖15電源側(cè)功率因數(shù)曲線

　　注：以上效率，功率因數(shù)數(shù)據(jù)在3.3KV，390KVA時的輸出為315KW，是額定速度運行時的計算數(shù)據(jù)，效率數(shù)據(jù)為標準4極電動機驅(qū)動時的數(shù)據(jù)。

　　保護電機穩(wěn)定運行

　　變頻器的輸出電流如果含有高次諧波，電機軸的輸出便會發(fā)生脈動轉(zhuǎn)矩。脈動轉(zhuǎn)矩會導致轉(zhuǎn)速波動，如果脈動轉(zhuǎn)矩的脈動頻率與機械系統(tǒng)的頻率一致，而且脈動轉(zhuǎn)矩很大，就會引起很大的機械振動。FRENIC4600FM5e采用多電平（最大21電平）PWM控制方式，輸出側(cè)高次諧波極少，脈動轉(zhuǎn)矩的主要成分在載波頻率（數(shù)kHz）附近，脈動轉(zhuǎn)矩對機械系統(tǒng)幾乎沒有影響。

　　●采用多電平PWM控制方式，輸出電流波形非常接近正弦波。大大減少了電機的轉(zhuǎn)矩脈動。

　　●輸出電流波形非常接近正弦波，降低了電機高次諧波損耗。

　　●采用多電平(最大21電平)PWM控制方式．開關(guān)浪涌電壓減低到最小，降低了電機的電動應(yīng)力。

　　●使用變頻器驅(qū)動．不需要降低電機的容量。

　　●變頻器驅(qū)動，不需要特殊電纜。

　　●不僅用于平方遞減轉(zhuǎn)矩負載，象擠壓機之類恒轉(zhuǎn)矩負載也能應(yīng)用。

　　●在電源容量較小的系統(tǒng)中驅(qū)動大容量電機時，會因電機啟動電流引起電源電壓波動，而變頻器是軟啟動，可以抑制電動機的啟動電流，即使在電源容量較小的系統(tǒng)中也能正常驅(qū)動大容量電機。

圖16為10KV、6.6KV、3.3KV輸出電壓、電流波形

　　關(guān)于浪涌電壓和多電平輸出

　　PWM變頻器輸出電壓波形是以直流中間回路的電壓Ed為振幅的直流限幅電壓（稱做脈沖電壓）。該變頻器輸出的脈沖電壓通過電纜加在電機上之后，在電機端子和變頻器端子之間反復反射，結(jié)果在電機端子上產(chǎn)生大于變頻器輸出電壓的上升非常陡峭的過電壓，從而造成繞組絕緣破壞。這個過程電壓最大值接近變頻器直流中間回路電壓Ed的2倍。

　　富士高壓變頻器采用多電平PWM控制，抑制該直流中間電壓，輸出電壓波形10KV等級為21電平，6KV等級為13電平，3KV等級為9電平，有效抑制了電動機端子上發(fā)生的過電壓。

　　10KV等級輸出電壓波形（21電平）

　　10KV等級富士高壓變頻器，在1/4周期內(nèi)輸出電壓分成21個階梯變化（相當于21電平）。每個階梯的電壓值相當于直流中間回路電壓Ed，因此，在輸出相同電壓時，階梯數(shù)越多，每個階梯的電壓值就越低。

　　因此電機端子上產(chǎn)生的浪涌電壓也就越低，使得電機承受的應(yīng)力得以降低。

　　3-4工頻旁路回路／瞬停再啟動功能

　　●通過按系統(tǒng)電壓進行相位控制，可以實現(xiàn)從變頻器驅(qū)動切換到工頻電源驅(qū)動，或從工頻電源驅(qū)動切換至變頻器驅(qū)動的無沖擊切換。（參照圖17）

　　(同步投入·解列功能：選件)

　　此功能需要在變頻器輸出側(cè)配置電抗器。

　　●在變頻器的輸出側(cè)設(shè)置切換控制柜(選件)，可以切換到工頻(電網(wǎng))啟動回路運轉(zhuǎn)。

　　由此構(gòu)成雙回路電機驅(qū)動電源，只要切換到工頻電網(wǎng)上即可讓電機在額定轉(zhuǎn)速上運轉(zhuǎn)。(參照圖18)

　　●當電壓發(fā)生瞬時降低時，可以根據(jù)用途選擇運轉(zhuǎn)方式。

　　1．選擇瞬時電壓降低為重故障。變頻器重故障停止，電機處于自由停車狀態(tài)。

　　2．選擇自由停車再啟動

　　變頻器停止運轉(zhuǎn)，電機處于自由停車狀態(tài)。電源復電時通過速度搜索功能，讓正在自由停車減速中或者已經(jīng)停止的電動機自動再加速。

　　3．選擇瞬時電壓降低時繼續(xù)運轉(zhuǎn)

　　即使瞬時電壓降低，電機也不會處于自由停車狀態(tài)，變頻器可以繼續(xù)運轉(zhuǎn)。電源電壓恢復后，立刻再加速，恢復運轉(zhuǎn)速度。

　　注1)瞬時電壓降低于額定電壓的85％以下時。

　　注2)瞬時電壓降低時繼續(xù)運轉(zhuǎn)時間為300ms以內(nèi)。

圖18電源系統(tǒng)圖

　　4、二電平電流源型CSI主電路

　　世界各國生產(chǎn)的高壓變頻器其主電路大都是電壓源型VSI方式，唯獨美國羅克偉爾ROCKWELLA-B公司生產(chǎn)的是電流源型CSI方式交－交直變的，它的特點是電路簡單，使用器件少、功率很大、成本較低、有獨到之處，所以在某些場合亦有應(yīng)用。性能是諧波略大，可以四象限運行，頻率一般低于輸入，下面就A-B1557型及A-B7000型作簡介如下：

　　功率器件串聯(lián)二電平電流型中高壓變頻器

　　這種類型的變頻器多為電流源型變頻器，采用大電感作為中間直流濾波環(huán)節(jié)。整流電路一般采用晶閘管(SCR)作為功率器件，根據(jù)電流電壓的不同，每一個橋臂需由SCR串聯(lián)，而逆變器則采用SCR或GTO、SGCT等功率器件串聯(lián)。圖19是功率器件串聯(lián)二電平電流型中高壓變頻器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖19功率器件串聯(lián)二電平電流型中高壓變頻器的結(jié)構(gòu)示意圖

　　美國羅克韋爾(A-B)公司生產(chǎn)的中壓變頻器Bulletinl557系列，其電路結(jié)構(gòu)為交一直一交電流源型，采用功率器件GTO串聯(lián)的兩電平逆變器。其控制方式采用無速度傳感器直接矢量控制，電動機轉(zhuǎn)矩可快速變化而不影響磁通，綜合了脈寬調(diào)制和電流源結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，其運行效果近似直流傳動裝置。在Bulletinl557系列的基礎(chǔ)，A-B公司又推出了Powerflew7000系列，用新型功率器件——對稱門極換流晶閘管(SGCT)代替原先的GTO，使驅(qū)動和吸收電路簡化，系統(tǒng)效率提高，6kV系統(tǒng)每個橋臂采用3只耐壓為6500V的SGCT串聯(lián)。Powerflew7000系列產(chǎn)品具有如下特點：

　?、匐娏髟葱妥冾l器的優(yōu)點是易于控制電流，便于實現(xiàn)能量回饋和四象限運行；缺點是變頻器的性能與電動機的參數(shù)有關(guān)，不易實現(xiàn)多電動機聯(lián)動，通用性差，電流的諧波成分大，污染和損耗較大，且共模電壓高，對電動機的絕緣有影響。

　?、赑owerflew7000系列變頻器采用功率器件串聯(lián)的二電平逆變方案，結(jié)構(gòu)簡單，使用的功率器件少，但器件串聯(lián)帶來均壓問題，且二電平輸出的du/dt會對電動機的絕緣造成危害，要求提高電動機的絕緣等級。諧波成分大，需要專門設(shè)計輸出濾波器，才能供電動機使用。

　?、圯斎攵瞬捎每煽仄骷崿F(xiàn)PWM整流，可方便地實現(xiàn)能量回饋和四象限運行的，同時也使網(wǎng)側(cè)諧波增大，需加進線電抗器濾波．方能滿足電網(wǎng)的要求，而且增加了成本。

　　④由于是直接高壓變頻，電網(wǎng)電壓和電動機相同，便于實現(xiàn)旁路控制功能，以保證在裝置出現(xiàn)故障時電動機的正常運行。

　　5、其它類型主電路

　　除以上介紹的四種高壓變頻器主電路比較通用外，尚有應(yīng)用較少的主電路型式，本文例舉多電平(例四電平)、多重化、自換向式電流型四種電路簡介如下；

　　5-1多電平中高壓變頻器

　　隨著現(xiàn)代拓撲技術(shù)的發(fā)展，采用多電平結(jié)構(gòu)的變頻調(diào)速系統(tǒng)得到了發(fā)展和應(yīng)用。多電平中高壓變頻器的代表應(yīng)是法國AISTOM公司生產(chǎn)的AISPAVDM6000系列中高壓變頻器。圖20是四電平中高壓變頻器的結(jié)構(gòu)示意圖，從圖20中可以得到如下結(jié)論：系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，有效保證了功率器件的串聯(lián)連接，它不是元器件的簡單串聯(lián)，而是結(jié)構(gòu)上的串聯(lián)，這樣就保證了電壓的安全和自然分配。采用電容器分壓方式。

　　多電平電壓變頻器具有如下特點：

　?、偻ㄟ^整體單元裝置的串／并聯(lián)拓撲結(jié)構(gòu)以滿足不同的電壓等級(如3.3kV、6.6kV、10kV)的需要。

　　②這種結(jié)構(gòu)可使系統(tǒng)普遍采用直流母線方案，以實現(xiàn)在多臺中高壓變頻器之間能量互相轉(zhuǎn)換。

　?、圻@種結(jié)構(gòu)沒有傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的各級功率器件上的眾多分壓分流裝置，消除了系統(tǒng)的可靠性低的因素，從而使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)非常簡單，可靠，易于維護。

　?、茌敵霾ㄐ畏浅＝咏也?，可適用于普通感應(yīng)電動機和同步電動機調(diào)速，而無需降低容量，沒有du/dt對電動機絕緣等的影響，電動機沒有額外的溫升，是一種技術(shù)比較先進的中高壓變頻器。

　　⑤AISPAVDM6000系列中高壓變頻器可根據(jù)電網(wǎng)對諧波的不同要求采用12脈波、18脈波的二極管整流或晶閘管整流；若要將電能反饋回電網(wǎng)，可用晶閘管整流橋；若要求控制電網(wǎng)的諧波功率因數(shù)及實現(xiàn)四象限運行，可選擇有源前端。（AFE）整流。

圖20四電平中高壓變頻器的結(jié)構(gòu)示意圖

　　5-2中高壓變頻器的多重化結(jié)構(gòu)

　　“多重化”的含義是將變頻器的交流模塊單元[整流器和(或)逆變器]進行并聯(lián)或串聯(lián)，以達到用較低電壓／電流等級的功率器件實現(xiàn)較高電壓和(或)更大容量變頻的要求。這種方法在中高壓變頻器中使用很普遍。

　　5-2-1多重化電流型，圖21所示為一個使用輸出變壓器實現(xiàn)多重化的電流型變頻器原理圖，圖中以二重化為例。圖中，兩個電流型逆變單元相并聯(lián)，兩逆變單元的相位彼此錯開30°，因此又叫12脈波變頻器(或12相電流型變頻器)。兩個逆變器相互交錯疊加的結(jié)果，不僅使變頻器容量增加一倍，而且合成的輸出電流具有階梯波的特性(見圖22)，更接近于正弦波。因為12脈波變頻器的輸出諧波分量最低是11、13次．只含12k±1(k=1，2，…)的奇次諧波，因此比六相變頻器小得多。

圖21二重化的電流型變頻器原理圖

圖2212脈波變頻器的電流波形

　　如果將N個逆變器并聯(lián)，就是N重變頻器，此時電流容量增加到N倍，高次諧波只有6kN±1(k=1，2，…)的頻率。

　　電流諧波減小的同時，電動機的轉(zhuǎn)矩脈動也大為降低。計算表明，電動機與N變頻器連接時，脈動轉(zhuǎn)矩幅度可降低到1/N以下。

　　5-2-2多重化PWM電壓型

　　圖23所示為并聯(lián)多重化PWM電壓型變頻器電路。采用二極管構(gòu)成二組三相橋式整流電路，按12脈波組態(tài)，輸出為二重式，每組由6個IGBT構(gòu)成一個橋式逆變單元。輸出濾波器用來去除PWM的調(diào)制波中的高頻成分并減少du/dt、di/dt的影響，由于頻率高，濾波器的體積很小。

圖23并聯(lián)多重化PWM電壓型變頻器電路

　　變頻器的驅(qū)動(逆變)單元設(shè)計成模塊化獨立單元的形式，直流母線(DC-BUS)上可任意連接1～6個驅(qū)動單元。驅(qū)動單元可驅(qū)動同一臺電動機，也可以驅(qū)動不同的電動機(驅(qū)動同一臺電動機的逆變單元一般不超過兩個)。

　　這種設(shè)計使工廠中不同地方的設(shè)備可采用公共的直流母線供電，從而減少設(shè)備總投資，并使多電動機調(diào)速系統(tǒng)的總功率平衡達到最優(yōu)化。如果已投產(chǎn)的變頻器逆變單元沒有用足，以后設(shè)備增加，要求增加輸出，只要在直流母線上并接更多的單元即可。

　　這種變頻器具備了PWM技術(shù)帶來的各項優(yōu)點，在額定功率下效率可達到98％以上，在整個調(diào)速范圍內(nèi)達到0.95以上的功率因數(shù)。無需輸入濾波器就可達到IEEE519一1992《電力系統(tǒng)中諧波控制的要求》中對諧波的要求。

　　此方案的不足之處在于IGBT器件的電壓和容量的限制。目前，高壓IGBT的水平已達到4000V/1500A或更高，但為可靠性起見實用上均留有余地；又因為IGBT器件一般少用串聯(lián)，故本系列變頻器逆變器二重化時的輸出功率通常不超過2400V/200kW。

　　5-3SCR電流型變頻器

　　SCR電流型變頻器采用晶閘管三相橋式整流電路將交流變?yōu)橹绷?，然后再在逆變部分也采用晶閘管三相橋式電路將直流變?yōu)轭l率可調(diào)的交流，將其輸出以控制電動機運行和調(diào)速。由于在它的直流母線上串聯(lián)有平波電抗器，此種變頻器因此具有電流源特性，故得名。

　　根據(jù)晶閘管換流方式的不同，有多種電流型變頻器。目前用得最成功的，當屬“負載換向式”電流型變頻器。它通過負載所供給的超前電流使晶閘管關(guān)斷，以實現(xiàn)自然換向。由于同步電動機可以通過勵磁電流的調(diào)整達到功率因數(shù)超前，實現(xiàn)起來比較容易，因此，負載換向式電流型變頻器(LCI)特別適合于同步電動機的變頻調(diào)速和起動。

　　當電流型變頻器用于異步電動機調(diào)速時，必須在變頻器的輸出端加設(shè)LC濾波器，以達到自然換向的目的，這稱為“輸出濾波器換向式”變頻器或“自換向式”變頻器(SSI)，以區(qū)別于用于同步電動機調(diào)速的“負載換向式”變頻器(LCI)。

　　圖24所示是自換向式變頻器(SSI)較好的一種形式。該變頻器的逆變器和整流器具有相同的結(jié)構(gòu)，器件可互換。位于直流回路上的分流電路用于輔助換向。當頻率較低或起動初期，由于濾波器不能有效換向，可通過分流器使直流回路中的電流迅速旁路，使逆變器的晶閘管有效關(guān)斷，實現(xiàn)換向。大約達到額定頻率的60％時(視電動機特性而定)，分流器斷開，逆變器通過輸出濾波器和交流電動機自身反電動勢的聯(lián)合作用自然換向。

　　輸出濾波器的另一個作用是減小輸出波形畸變并抑制di/dt。濾波器的參數(shù)應(yīng)根據(jù)特性由計算機仔細選擇。濾波器與電動機之間的接觸器用來隔斷電容器和電動機之間的聯(lián)系，以防止一旦變頻器停止功率輸出時電動機的自激發(fā)電。

圖24自換向式變頻器

　　電流型變頻器的優(yōu)點是能量可以回饋到電網(wǎng)，因此系統(tǒng)可以四象限運行。由于存在大的平波電抗器和快速電流調(diào)節(jié)器，過電流保護較容易實現(xiàn)。但是由于采用三相橋式晶閘管整流，電流型變頻器的輸入波形畸變較為嚴重，功率因數(shù)也會隨電動機轉(zhuǎn)速的下降而有所下降。實際上常采用接入輸入濾波器或多重化(如12脈波)的方法，使輸入電壓和電流畸變達到IEEE519一1992《電力系統(tǒng)中諧波控制的要求》規(guī)定量值。

　　由于晶閘管(SCR)器件生產(chǎn)工藝成熟，可做到其他器件尚不能達到的電壓和容量(10kV/10kA以上)，所以，此種變頻器在3000kW以上的大型調(diào)速系統(tǒng)，尤其是在大型同步電動機調(diào)速系統(tǒng)中仍有優(yōu)勢。

　　美國ANSALDOROSSHILL公司最早開發(fā)和成批生產(chǎn)VF系列中高壓變頻器，用于大型異步/同步電動機的調(diào)速，見表7。

　　表7VF系列電流型變頻器

型  號	電壓(V)	功率(hp)	冷卻方式
VF2400	2300	4000	<1500kw為風冷 >1500kw為內(nèi)循環(huán)水冷
VF3000	3300	5000
VF4000	4160	7000
VF7000	6000~7200(最高為13.5kv)	15000

　　注：1hp=745.700W。

　　意大利ANSALDO公司還生產(chǎn)SilcovertS系列變頻器，專門用于大型同步電動機調(diào)速和起動，標準產(chǎn)品為6kV/25MW，特殊訂貨產(chǎn)品為22.5kV/MW。

　　德國SIEMENS公司Simoverts系列，也是一種電流型的交－直－交變頻器。其功率單元由兩套完全隔離的6脈波電流型變頻器構(gòu)成2脈波系統(tǒng)。產(chǎn)品規(guī)格與ANSALDO相似。

　　6、結(jié)論

　　本文介紹了當今國外流行并生產(chǎn)的中高壓變頻器11種主電路構(gòu)成及特性，八種類型是①單元串聯(lián)多電平②中心點鉗位(NPC)三電平③多相整流輸入功率單元輸出H橋三電平④二電平電流型⑤多電平⑥多重化電流型⑦多重化電壓型⑧自換向式電流型。特別是第③種電路方案是2010年才問世的新產(chǎn)品，綜合性能指標較佳，是今后發(fā)展方向之一，也值得國內(nèi)近50家工廠，現(xiàn)在還在生產(chǎn)的第①種電路方案改進成為第③種的思路借鑒，顯得十分的必要，至于究竟選用何種主電路方案，它們各有特色，各有千秋，應(yīng)用對象，各不相同那就請客戶根據(jù)自己的設(shè)備特性，使用要求、經(jīng)濟實力、各取所需吧！