變頻與傳動(dòng)高壓變頻器原理及應用

電機是工業(yè)生產(chǎn)中主要的耗電設備，高壓大功率電動(dòng)機的應用更為突出，而這些設備大部分都存在很大的節能潛力。所以大力發(fā)展高壓大功率變頻調速技術(shù)具有時(shí)代的必要性和迫切性。

目前，隨著(zhù)現代電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，高壓大 功率變頻調速裝置不斷地成熟起來(lái)，原來(lái)一直難于解決的高壓?jiǎn)?wèn)題，近年來(lái)通過(guò)器件串聯(lián)或單元串聯(lián)得到了很好的解決。其應用領(lǐng)域和范圍也越來(lái)越為廣范，這為工礦企業(yè)高效、合理地利用能源（尤其是電能）提供了技術(shù)先決條件。

2.幾種常用高壓變頻器的主電路分析

(1)單元串聯(lián)多重化電壓源型高壓變頻器

單元串聯(lián)多重化電壓源型高壓變頻器利用低壓?jiǎn)蜗嘧冾l器串聯(lián)，彌補功率器件IGBT的耐壓能力的不足。所謂多重化，就是每相由幾個(gè)低壓功率單元串聯(lián)組成，各功率單元由一個(gè)多繞組的移相隔離變壓器供電，用高速微處理器實(shí)現控制和以光導纖維隔離驅動(dòng)。但其存在以下缺點(diǎn)：

a)使用的功率單元及功率器件數量太多，6kV系統要使用150只功率器件(90只二極管，60只IGBT)，裝 置的體積太大，重量大，安裝位置和基建投資成問(wèn)題；

b)所需高壓電纜太多，系統的內阻無(wú)形中增大，接線(xiàn)太多，故障點(diǎn)相應的增多；

c)一個(gè)單元損壞時(shí)，單元可旁路，但此時(shí)輸出電壓不平衡中心點(diǎn)的電壓是浮動(dòng)的，造成電壓、電流不平衡，從而諧波也相應的增大，勉強運行時(shí)終 究會(huì )導致電動(dòng)機的損壞；

d)輸出電壓波形在額定負載時(shí)尚好，低于25Hz以下畸變突出；

d)輸出電壓波 形在額定負載時(shí)尚好，低于25Hz以下畸變突出；

e)由于系統中存在著(zhù)變壓器，系統效率再提高不容易實(shí)現;移相變壓器中，6kV 三相6繞組×3(10kV時(shí)需12繞組×3)延邊三角形接法，在三相電壓不平衡(實(shí)際上三相電壓是不可能絕對平衡的)時(shí)，產(chǎn)生的內部環(huán)流，必將引起內阻的 增加和電流的損耗，也相應的就造成了變壓器的銅損增大。此時(shí)，再加上變壓器的鐵芯的固有損耗，變壓器的效率就會(huì )降低，也就影響了整個(gè)高壓變頻器的效率。這 種情況在越低于額定負荷運行時(shí)，越是顯著(zhù)。10kV時(shí)，變壓器有近400個(gè)接頭、近百根電纜。在額定負荷時(shí)效率可達96%，但在輕負荷時(shí)，效率低于90%。

(2)中性點(diǎn)鉗位三電平PWM變頻器

該系列變頻器采用傳統的電壓型變頻器結構。中性點(diǎn)鉗位三電平PWM變頻器的逆變部 分采用傳統的三電平方式，所以輸出波形中會(huì )不可避免地產(chǎn)生比較大的諧波分量，這是三電平逆變方式所固有的。因此在變頻器的輸出側必須配置輸出LC濾波器才 能用于普通的鼠籠型電機。同樣由于諧波的原因，電動(dòng)機的功率因數和效率、甚至壽命都會(huì )受到一定的影響，只有在額定工況點(diǎn)才能達到最佳的工作狀態(tài)，但隨著(zhù)轉速的下降，功率因數和效率都會(huì )相應降低。

多電平+多重化高壓變頻器。多電平+多重化高壓變頻器的本意是想解決高壓IGBT的耐壓有限的問(wèn)題，但此種方式，不僅增加了系統的復雜性，而且降低了多重化冗余性能好和三電平結構簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。因此此類(lèi)變頻器實(shí)際上并不可取。

此類(lèi)型變頻器的性能價(jià)格優(yōu)勢并不大，與其同時(shí)采用多電平和多重化兩種技術(shù)，還不如采用前面提到的高壓IGBT的多重化變頻器或者三電平變頻器。

（3）電流源型高壓變頻器

功率器件直接串聯(lián)的電流源型高壓變頻器是在線(xiàn)路中串聯(lián)大電感，再將SCR(或GTO、 SGCT等)開(kāi)關(guān)速度較慢的功率器件直接串聯(lián)而構成的。

這種方式雖然使用功率器件少、易于控制電流，但是沒(méi)有真正解決高壓功率器 件的串聯(lián)問(wèn)題。因為即使功率器件出現故障，由于大電感的限流作用，di/dt受到限制，功率器件雖不易損壞，但帶來(lái)的問(wèn)題是對電網(wǎng)污染嚴重、功率因數低。并且電流源型高壓變頻器對電網(wǎng)電壓及電機負載的變化敏感，無(wú)法做成真正的通用型產(chǎn)品。

電流源型高壓變頻器是最早的產(chǎn)品，但凡是電壓型變頻器到達的地方，它都被迫退出，因為在經(jīng)濟上、技術(shù)上，它都明顯處于劣勢。

3.IGBT直接串聯(lián)的直接高壓變頻器

3.1 主電路簡(jiǎn)介

圖1.IGBT直接串聯(lián)高壓變頻

如圖1所示，圖中系統由電網(wǎng)高壓直接經(jīng)高壓斷路器進(jìn)入變頻器，經(jīng)過(guò)高壓二極管全橋整流、直流平波電抗器和電容濾波，再通過(guò) 逆變器進(jìn)行逆變，加上正弦波濾波器，簡(jiǎn)單易行地實(shí)現高壓變頻輸出，直接供給高壓電動(dòng)機。

功率器件IGBT直接串聯(lián)的二電平電壓型 高壓變頻器是采用變頻器已有的成熟技術(shù)，應用獨特而簡(jiǎn)單的控制技術(shù)成功設計出的一種無(wú)輸入輸出變壓器、IGBT直接串聯(lián)逆變、輸出效率達98%的高壓調速系統。

對于需要快速制動(dòng)的場(chǎng)合，采用直流放電制動(dòng)裝置，如圖2所示：

圖2.具有直流放電制動(dòng)裝置的IGBT直接串聯(lián)高壓變頻器主電路圖

如果需要四象限運行，以及需要能量回饋的場(chǎng)合，或輸入電源側短路容量較小時(shí)，也可采用如圖3所示的PWM整流電路，使輸入 電流也真正實(shí)現完美正弦波。

圖3.具備能量回饋和四象限運行的IGBT直接串聯(lián)高壓變頻器主電路圖

3.2 IGBT直接串聯(lián)高壓變頻器25Hz、30Hz、40Hz、50Hz電壓、電流輸出波形及諧波圖：

3.3 核心關(guān)鍵技術(shù)

(1)高速功率器件的串聯(lián)技術(shù)

根據查新，世界 各國均未生產(chǎn)出IGBT直接串聯(lián)的高壓變頻器。原因正如一些權威人士所言:“IGBT是不能串聯(lián)的。因為開(kāi)關(guān)時(shí)間短，微秒級，很難保證所有管子串聯(lián)同時(shí)開(kāi)關(guān)。否則有的早開(kāi)，所有的電壓都來(lái)加在晚開(kāi)的管子上，那么這個(gè)1200V的管子加上6000V，只能燒掉，一燒一串，不可能串聯(lián)?！?/P>

(2)正弦波技術(shù)

高壓電機對變頻器的輸出電壓波形有嚴格的要求，是業(yè)內人士都知道的常識。解決變頻器輸出電壓波形，從兩方面著(zhù)手:一是優(yōu)化PWM波形;二是研制出特種濾波器。

過(guò)去一些人認為:“三電平的電壓波形一定優(yōu)于二電平，今后就是低壓變 頻器也應采用三電平?！?，這種說(shuō)法可能不太全面。三電平的總諧波含量可能低于二電平，但由于三電平的11次、13次諧波含量特別高，處理起來(lái)特別困難，而二電平只要波形優(yōu)化得好，60次以下的諧波皆可大大降低。而對60次以上的諧波濾波自然容易得多。人們使用三電平是為避免器件串聯(lián)的困難，不得已而為之。

(3)抗共模電壓技術(shù)

僅解決IGBT的串聯(lián)，并不能甩掉輸入變壓器。原因在于共模電壓的存在。在低壓變頻器領(lǐng)域，近年來(lái)發(fā)現的電機軸承損壞，共模電壓就是影響之一，在高壓變頻器的領(lǐng)域中，共模電壓更是必須解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。共模電壓(也叫零序電壓)，是指電動(dòng)機定子繞組的中心點(diǎn)和地之間的電壓。

共模電壓也是對外產(chǎn)生干擾的原因，特別是長(cháng)線(xiàn)傳輸設備。無(wú)論是電流源還是電壓源變頻器產(chǎn)生共模電壓是必然的。技術(shù)人員根據共模電壓產(chǎn)生的機理，采取了“堵和疏”的辦法將共模電壓消滅在變頻器內部。

由于采用了上述三項核心關(guān)鍵技術(shù)，使IGBT直接高 壓變頻器的效率達到98%以上。輸出電壓正弦化、共模電壓最小化。適用于任何異步電機、同步電機，無(wú)需降容使用，幾km的長(cháng)線(xiàn)傳輸也無(wú)問(wèn)題。對于傳輸距離 太長(cháng)時(shí)應考慮線(xiàn)路電壓補償。如提高電壓或增大導線(xiàn)截面等。

4.系統特點(diǎn)：

（1）電壓等級為3kV-10kV；

（2）系統自帶專(zhuān)門(mén)設計的高壓開(kāi)關(guān)柜，與本身高壓變頻器高效安全配套，并含變/工頻切換裝 置和電子式真空斷路器;

（3）全中文操作界面，基于Windows操作平臺，彩色液晶觸摸屏，便于就地監控、設定參數、選擇功能 和調試;

（3）內置PLC可編程控制器，易于改變和擴展控制邏輯關(guān)系;

（4）高壓主電路與低壓控制電路采 用光纖傳輸，安全隔離，使得系統抗干擾能力強;

（5）控制電路通