電源設計指南：拓撲結構（二）

中高壓變頻器主電路拓撲結構的分析比較

摘要：對中高壓變頻器幾種常見(jiàn)的主電路拓撲結構進(jìn)行了分析比較，對不同電路結構的中高壓變頻器的可靠性、冗余設計、諧波含量及dv/dt等指標進(jìn)行了深入的討論，并對中高壓變頻器的發(fā)展方向提出了自己的看法。

1前言

眾所周知，大功率風(fēng)機、水泵的變頻調速方案，可以收到顯著(zhù)的節能效果，其直接經(jīng)濟效益很大，宏觀(guān)經(jīng)濟效益及社會(huì )效益則更大?？梢灶A計，大功率交流電機變頻調速新技術(shù)的發(fā)展是我國節能事業(yè)的主導方向之一。目前，阻礙變頻調速技術(shù)在高壓大功率交流傳動(dòng)中推廣應用的主要問(wèn)題有兩個(gè)：一是我國大容量（200kW以上）電動(dòng)機的供電電壓高（6kV、10kV），而組成變頻器的功率器件的耐壓水平較低，造成電壓匹配上的難題；二是高壓大功率變頻調速系統技術(shù)含量高，難度大，成本也高，而一般的風(fēng)機、水泵等節能改造都要求低投入、高回報，從而造成經(jīng)濟效益上的難題。這兩個(gè)世界性的難題阻礙了高壓大容量變頻調速技術(shù)的推廣應用，因此如何解決高壓供電和用高技術(shù)生產(chǎn)出低成本高可靠性的變頻調速裝置是當前世界各國相關(guān)行業(yè)競相關(guān)注的熱點(diǎn)。一般來(lái)講，在高壓供電而功率器件耐壓能力有限的情況下，可采用功率器件串聯(lián)的方法來(lái)解決。但是器件在串聯(lián)使用時(shí)，因為各器件的動(dòng)態(tài)電阻和極電容不同，而存在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)均壓的問(wèn)題。如果采用與器件并聯(lián)R和RC的均壓措施，會(huì )使電路復雜，損耗增加；同時(shí)，器件的串聯(lián)對驅動(dòng)電路的要求也大大提高，要盡量做到串聯(lián)器件同時(shí)導通和關(guān)斷，否則由于各器件開(kāi)斷時(shí)間不一，承受電壓不均，會(huì )導致器件損壞甚至整個(gè)裝置崩潰。

諧波問(wèn)題是所有變頻器的共同問(wèn)題，尤其在大功率變頻調速中更為突出。諧波會(huì )污染電網(wǎng)，殃及同一電網(wǎng)上的其它用電設備，甚至影響電力系統的正常運行；諧波還會(huì )干擾通訊和控制系統，嚴重時(shí)會(huì )使通訊中斷，系統癱瘓；諧波電流也會(huì )使電動(dòng)機損耗增加，因而發(fā)熱增加，效率及功率因數下降，以至不得不“降額”使用。

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中高壓變頻器主電路拓撲結構的分析比較

還有效率問(wèn)題，變頻調速裝量的容量愈大，系統的效率問(wèn)題也就愈加重要。采用不同的主電路拓撲結構，使用的功率器件的種類(lèi)、數量的多少，以及變壓器，濾波器等的使用，都會(huì )影響系統的效率。為了提高系統效率，必須設法盡量減少功率開(kāi)關(guān)器件和變頻調速裝置的損耗。

可靠性和冗余設計問(wèn)題，一般的高壓大功率拖動(dòng)系統都要求很高的系統可靠性，尤其是國民經(jīng)濟的重要部門(mén)如電力、能源、冶金、礦山和石化等行業(yè)，一旦出現故障，將會(huì )造成人民生命財產(chǎn)的巨大損失，因此高壓變頻裝置設計中是否便于采用冗余設計及旁路控制功能也是至關(guān)重要的。

目前世界上的高壓變頻器不象低壓變頻器那樣具有成熟的、一致性的拓撲結構，而是限于采用目前電壓耐量的功率器件，如何面對高壓使用條件的要求，國內外各變頻器生產(chǎn)廠(chǎng)商八仙過(guò)海，各有高招，因此其主電路結構不盡一致，但都較為成功地解決了高電壓大容量這一難題。當然在性能指標及價(jià)格上也各有差異。如美國羅賓康（ROBICON）公司生產(chǎn)的完美無(wú)諧波變頻器；洛克韋爾（AB）公司生產(chǎn)的Bulletin1557和PowerFlex7000系列變頻器，德國西門(mén)子公司生產(chǎn)的SIMOVERTMV中壓變頻器；瑞典ABB公司生產(chǎn)的ACS1000系列變頻器；意大利ANSALDO公司生產(chǎn)的SILCOVERT?TH變頻器以及日本三菱、富士公司生產(chǎn)的完美無(wú)諧波變頻器和國內北京的凱奇、先行、利德華福公司和成都佳靈公司生產(chǎn)的高壓變頻器等。

本文對中高壓變頻器幾種常用的主電路拓撲結構進(jìn)行了分析比較，對不同電路結構的中高壓變頻器的可靠性、冗余設計、諧波含量以及dv/dt等指標進(jìn)行了深入的討論，并對中高壓變頻器的發(fā)展方向提出了自己的看法。

2功率器件串聯(lián)二電平電流型高壓變頻器

美國洛克韋爾公司的中壓變頻器Bulletin1557系列，其電路結構為交?直?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(wú)速度傳感器直接矢量控制，電機轉矩可快速變化而不影響磁通，綜合了脈寬調制和電流源結構的優(yōu)點(diǎn)，其運行效果近似直流傳動(dòng)裝置。該公司可提供幾種方案以滿(mǎn)足諧波抑制的要求，如標準的12脈沖和18脈沖及PWM整流器，標準的諧波濾波器及功率因數補償器，以使其諧波符合IEEE519?1992標準的規定。圖1所示為18脈沖整流器的Bulletin1557變頻器的主電路拓撲結構圖。

AB公司于近期推出新一代的中壓變頻器PowerFlex7000系列，用新型功率器件——對稱(chēng)門(mén)極換流晶閘管（SGCT）代替原先的GTO，使驅動(dòng)和吸收電路簡(jiǎn)化，系統效率提高，6kV系統每個(gè)橋臂采用三只耐壓為6500V的SGCT串聯(lián)。

電流源變頻器的優(yōu)點(diǎn)是易于控制電流，便于實(shí)現能量回饋和四象限運行；缺點(diǎn)是變頻器的性能與電機的參數有關(guān)，不易實(shí)現多電機聯(lián)動(dòng)，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，對電機的絕緣有影響。

AB公司的變頻器采用功率器件串聯(lián)的二電平逆變方案，結構簡(jiǎn)單，使用的功率器件少，但器件串聯(lián)帶來(lái)均壓?jiǎn)?wèn)題，且二電平輸出的dv/dt會(huì )對電機的絕緣造成危害，要求提高電機的絕緣等級；且諧波成分大，需要專(zhuān)門(mén)設計輸出濾波器，才能供電機使用，即使如此其總諧波畸變THD也僅能達到4％左右。

輸入端采用可控器件實(shí)現PWM整流，便于實(shí)現能量回饋和四象限運行，但同時(shí)使網(wǎng)側諧波增大，需加進(jìn)線(xiàn)電抗器濾波才能滿(mǎn)足電網(wǎng)的要求，這也增加了體積和成本。

因為是直接高壓變頻，電網(wǎng)電壓和電機電壓相同，容易實(shí)現旁路控制功能，以便在裝置出現故障時(shí)將電機投入電網(wǎng)運行。

3單元串聯(lián)多重化電壓源型變頻器美國羅賓康公司利用單元串聯(lián)多重化技術(shù)，生產(chǎn)出功率為315kW～10MW的完美無(wú)諧波(PERFECTHARMONY)高壓變頻器，無(wú)須輸出變壓器實(shí)現了直接3.3kV或6kV高壓輸出；首家在高壓變頻器中采用了先進(jìn)的IGBT功率開(kāi)關(guān)器件，達到了完美無(wú)諧波的輸出波形，無(wú)須外加濾波器即可滿(mǎn)足各國供電部門(mén)對諧波的嚴格要求；輸入功率因數可達0.95以上，THD1％，總體效率（包括輸入隔離變壓器在內）高達97％。達到這么高指標的原因是采用了三項新的

圖1Bulletin1557變頻器主電路結構圖

圖2多重化變頻器拓撲結構圖

圖3五功率單元串聯(lián)變頻器的電氣連接

高壓變頻技術(shù)：一是在輸出逆變部分采用了具有獨立電源的單相橋式SPWM逆變器的直接串聯(lián)疊加；二是在輸入整流部分采用了多相多重疊加整流技術(shù)；三是在結構上采用了功率單元模塊化技術(shù)。