常用高壓變頻器技術(shù)對比分析

1、眾所周知，大功率風機、水泵的變頻調(diào)速方案，可以收到顯著的節(jié)能效果，其直接經(jīng)濟效益很大，宏觀經(jīng)濟效益及社會效益則更大?？梢灶A(yù)計，大功率交流電機變頻調(diào)速新技術(shù)的發(fā)展是我國節(jié)能事業(yè)的主導(dǎo)方向之一。目前，阻礙變頻調(diào)速技術(shù)在高壓大功率交流傳動中推廣應(yīng)用的主要問題有兩個：一是我國大容量（200kW以上）電動機的供電電壓高（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(diào)速系統(tǒng)技術(shù)含量高，難度大，成本也高，而一般的風機、水泵等節(jié)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 這兩個世界性的難題阻礙了高壓大容量變頻調(diào)速技術(shù)的推廣應(yīng)用，因此如何解決高壓供

2、電和用高技術(shù)生產(chǎn)出低成本高可靠性的變頻調(diào)速裝置是當前世界各國相關(guān)行業(yè)競相關(guān)注的熱點。一般來講，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)的方法來解決。但是器件在串聯(lián)使用時，因為各器件的動態(tài)電阻和極電容不同，而存在靜態(tài)和動態(tài)均壓的問題。如果采用與器件并聯(lián)R和RC的均壓措施，會使電路復(fù)雜，損耗增加；同時，器件的串聯(lián)對驅(qū)動電路的要求也大大提高，要盡量做到串聯(lián)器件同時導(dǎo)通和關(guān)斷，否則由于各器件開斷時間不一，承受電壓不均，會導(dǎo)致器件損壞甚至整個裝置崩潰。 諧波問題是所有變頻器的共同問題，尤其在大功率變頻調(diào)速中更為突出。諧波會污染電網(wǎng)，殃及同一電網(wǎng)上的其它用電設(shè)備，甚至影響電力系統(tǒng)的正常

3、運行；諧波還會干擾通訊和控制系統(tǒng)，嚴重時會使通訊中斷，系統(tǒng)癱瘓；諧波電流也會使電動機損耗增加，因而發(fā)熱增加，效率及功率因數(shù)下降，以至不得不“降額”使用。 還有效率問題，變頻調(diào)速裝量的容量愈大，系統(tǒng)的效率問題也就愈加重要。采用不同的主電路拓撲結(jié)構(gòu)，使用的功率器件的種類、數(shù)量的多少，以及變壓器，濾波器等的使用，都會影響系統(tǒng)的效率。為了提高系統(tǒng)效率，必須設(shè)法盡量減少功率開關(guān)器件和變頻調(diào)速裝置的損耗。 可靠性和冗余設(shè)計問題，一般的高壓大功率拖動系統(tǒng)都要求很高的系統(tǒng)可靠性，尤其是國民經(jīng)濟的重要部門如電力、能源、冶金、礦山和石化等行業(yè)，一旦出現(xiàn)故障，將會造成人民生命財產(chǎn)的巨大損失，因此高壓變頻裝置設(shè)計中是

4、否便于采用冗余設(shè)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(jié)構(gòu)，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(nèi)外各變頻器生產(chǎn)廠商八仙過海，各有高招，因此其主電路結(jié)構(gòu)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格上也各有差異。如美國羅賓康（ROBICON）公司生產(chǎn)的完美無諧波變頻器；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

5、產(chǎn)的SILCOVERTTH變頻器以及日本三菱、富士公司生產(chǎn)的完美無諧波變頻器和國內(nèi)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(jié)構(gòu)進行了分析比較，對不同電路結(jié)構(gòu)的中高壓變頻器的可靠性、冗余設(shè)計、諧波含量以及dv/dt等指標進行了深入的討論，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(jié)構(gòu)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。其控制方式采用無速度傳感器直接矢量控制，電機轉(zhuǎn)矩可快速變化而不影響磁通，綜合了脈寬調(diào)制和電

6、流源結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，其運行效果近似直流傳動裝置。該公司可提供幾種方案以滿足諧波抑制的要求，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(shù)補償器，以使其諧波符合IEEE5191992標準的規(guī)定。圖1所示為18脈沖整流器的Bulletin1557變頻器的主電路拓撲結(jié)構(gòu)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)每個橋臂采用三只耐壓為6500V的SGCT串聯(lián)。 電流源變頻器的優(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

7、機的參數(shù)有關(guān)，不易實現(xiàn)多電機聯(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(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dv/dt會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，需要專門設(shè)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現(xiàn)PWM整流，便于實現(xiàn)能量回饋和四象限運行，但同時使網(wǎng)側(cè)諧波增大，需加進線電抗器濾波才能滿足電網(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，容易實現(xiàn)旁路控制功能

8、，以便在裝置出現(xiàn)故障時將電機投入電網(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315kW10MW的完美無諧波(PERFECTHARMONY)高壓變頻器，無須輸出變壓器實現(xiàn)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的IGBT功率開關(guān)器件，達到了完美無諧波的輸出波形，無須外加濾波器即可滿足各國供電部門對諧波的嚴格要求；輸入功率因數(shù)可達0.95以上，THD1，總體效率（包括輸入隔離變壓器在內(nèi)）高達97。達到這么高指標的原因是采用了三項新的 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

9、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(jié)構(gòu)上采用了功率單元模塊化技術(shù)。 所謂多重化技術(shù)就是每相由幾個低壓PWM功率單元串聯(lián)組成，各功率單元由一個多繞組的隔離變壓器供電，用高速微處理器實現(xiàn)控制和以光導(dǎo)纖維隔離驅(qū)動。多重化技術(shù)從根本上解決了一般6脈沖和12脈沖變頻器所產(chǎn)生的諧波問題，可實現(xiàn)完美無諧波變頻。圖2為6kV變頻器的主電路拓撲圖，每組由5個額定電壓為690V的功率單元串聯(lián)，因此相電壓為690V5=3450V，所對應(yīng)的線電壓為6000V。每個功率單元由輸入隔離變壓器的15個二次繞組分別供電，15個二次繞組分成5組，每組之間存在一個12的相位差。圖3中以中間個次級繞組的線電壓相同，

10、但相位則相差30角，這樣5次、7次諧波在變壓器的初級將會有180的相移，因而能夠互相抵消，同樣的17、19次諧波也會互相抵消。這樣經(jīng)過2個整流橋的串聯(lián)疊加后，即可得到12脈波的整流輸出波形，比6脈波更平滑，并且每個整流橋的二級管耐壓可降低一半。采用12相整流電路減少了特征諧波含量，由于特征諧波次數(shù)N=KP1（P為整流相數(shù)、K為自然數(shù)）。所以網(wǎng)側(cè)特征諧波只有11、13、23、25次等。如果采用24脈波整流電路，網(wǎng)側(cè)諧波將更進一步被抑制。兩種方案均可使輸入功率因數(shù)在全功率范圍內(nèi)保證在0.95以上，不需要功率因數(shù)補償電容器。 變頻器的逆變部分采用傳統(tǒng)的三電平方式，所以輸出波形中會不可避免地產(chǎn)生比較大

11、的諧波分量（THD達12.8），這是三電平逆變方式所固有的，其線電壓波形見圖7。因此在變頻器的輸出側(cè)必須配置輸出LC濾波器才能用于普通的鼠籠型電機。經(jīng)過LC濾波器后，可使其THD1。同樣由于諧波的原因，電動機的功率因數(shù)和效率都會受到一定的影響，只有在額定工況點才能達到最佳的工作狀態(tài)，隨著轉(zhuǎn)速的下降，功率因數(shù)和效率都會相應(yīng)降低。 三電平逆變器的結(jié)構(gòu)簡單，體積小，成本低，使用功率器件數(shù)量最少（12只），避免了器件的串聯(lián)，提高了裝置的可靠性指標。根據(jù)目前IGCT及高壓IGBT的耐壓水平，三電平逆變器的最高輸出電壓等級為4.16kV，當輸出電壓要求6kV時，采用12個功率器件已不能滿足要求，必須采用器

12、件串聯(lián)，除了增加成本外，必然會帶來均壓問題，失去了三電平結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，并且會大大影響系統(tǒng)的可靠性。若將來采用9kV耐壓的IGCT，則三電平變頻器可直接輸出6kV，但是諧波及dv/dt也相應(yīng)增加，必須加強濾波功能以滿足THD指標?；蛘卟捎孟旅嬉v到的四電平逆變器。在9kV耐壓的器件出現(xiàn)之前，對于6kV高壓電機，可采用Y/改接的辦法，將Y型接法的6kV電機改為改接后，電機電壓與電網(wǎng)電壓不一致，無法實現(xiàn)旁路功能，當變頻器出現(xiàn)故障時，又要保證生產(chǎn)的正常進行，必須首先將電機改回Y型接法，再投入6kV電網(wǎng)。為此，電機的Y/改接應(yīng)通過Y/切換柜實現(xiàn)，以便實現(xiàn)旁路功能。而ACS1000系列本身的旁路切換是在電機

13、電壓與電網(wǎng)電壓一致時完成的。若采用有源輸入前端，則可實現(xiàn)能量回饋及四象限運行，但三電平結(jié)構(gòu)不易實現(xiàn)冗余設(shè)計。 5、多電平高壓變頻器 隨著現(xiàn)代拓撲技術(shù)的發(fā)展，多電平高壓變頻調(diào)速技術(shù)得到了實際的應(yīng)用。這種高壓變頻器的代表是法國阿爾斯通（ALSTOM）公司生產(chǎn)的ALSPAVDM6000系列高壓變頻器，其逆變器結(jié)構(gòu)如圖8所示。 功率器件不是簡單地串聯(lián)，而是結(jié)構(gòu)上的串聯(lián)，通過電容鉗位，保證了電壓的安全分配。其主要特點是： 1）通過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、4.16kV、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)在多臺高壓變頻器之

14、間能量互相交換。 3）這種結(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。 4）輸出波形非常接近正弦波，可適用于普通感應(yīng)電機和同步電機調(diào)速，而無需降低容量，沒有dv/dt對電機絕緣等的影響，電機沒有額外的溫升，是一種技術(shù)先進的高壓變頻器。輸出電壓和電機電流波形如圖9所示。 5）ALSPAVDM6000系列高壓變頻器可根據(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。 6、多電平多重化變頻器 日本

15、富士公司采用高壓IGBT開發(fā)的中壓變頻器FRENIC4600FM4系列，它匯集了多電平和多重化變頻器的許多優(yōu)點，它以多個中壓三電平PWM逆變器功率單元多重化串聯(lián)的方式實現(xiàn)直接高壓輸出，因此構(gòu)成了一個雙完美無諧波系統(tǒng)：對電網(wǎng)為多重疊加整流，諧波符合IEEE5191992的要求；對電動機為完美無諧波正弦波輸出，可以直接驅(qū)動任何品牌的交流鼠籠型電動機。 該型變頻器由于采用了高壓整流二極管和高壓IGBT，因此系統(tǒng)主電路使用的器件大為減少，可靠性提高，損耗降低，體積縮小。變頻器的綜合效率可達98，功率因數(shù)高達0.95，不需要加設(shè)進相電容器或交直流電抗器，也不需要輸出濾波器，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大為簡化。率單元，在

16、器件數(shù)量上并不占優(yōu)勢，要比同樣電壓和功率等級的三電平三相逆變器足足多用一倍的器件，同樣比普通單相逆變功率單元也正好多出一倍的器件。例如：用3300V耐壓的IGBT器件，采用單元串聯(lián)多重化電路6kV系統(tǒng)每相需三個單元串聯(lián)，總共9個單元，共需54只整流二極管，36只IGBT；而采用三電平功率單元，每相需兩個單元串聯(lián)，總共6個單元，共需72只整流二極管，48只IGBT，足足多用了1/3的器件并且使功率單元的冗余成本增加了一倍，降低了多重化變頻器冗余性能好的優(yōu)點，同時增加了裝置的成本。所以該型變頻器實際上并不可取。 7變壓器耦合輸出高壓變頻器 中高壓變頻器的主電路拓撲結(jié)構(gòu)，除了前面提到的二電平、多電平

17、和單元串聯(lián)多重化方案外，1999年，有人提出了一種新型的變壓器耦合式單元串聯(lián)高壓變頻器主電路拓撲結(jié)構(gòu)。其主要思想是用變壓器將三個由高壓IGBT或IGCT構(gòu)成的常規(guī)二電平三相逆變器單元的輸出疊加起來，實現(xiàn)更高電壓輸出，并且這三個常規(guī)逆變器可采用普通低壓變頻器的控制方法，使得變頻器的電路結(jié)構(gòu)及控制方法都大大簡化。 方案由下列部分組成： 一個18脈波的輸入變壓器，可基本實現(xiàn)輸入電流無諧波； 三個常規(guī)兩電平的三相DC/AC逆變器； 三個變化為1：1的輸出變壓器； 高壓電機。 下面從幾個方面分析其工作原理。 1）電壓關(guān)系 考慮電機的線電壓，可得： UKL=Ua1b1Ub1a2Ua2b2 ULM=Ub2c

18、2Uc2b3Ub3c3（1） UMK=Uc3a3Ua3c1Uc1a1 由于輸出變壓器的變比為1：1，也就是Ub1a2=Ua3b3，Uc2b3=Uc1b1，Uc1a3=Ua2b2，于是可得到， UKL=Ua1b1Ua2b2Ua3b3ULM=Ub1c1Ub2c2Ub3c3（2） UMK=Uc1a1Uc2a2Uc3a3電壓間的這種關(guān)系體現(xiàn)在圖12中。每個逆變器都采用SPWM或空間電壓矢量PWM（SVPWM）控制方法，每個逆變器輸出線電壓的有效值為aE，其中E為逆變器輸入直流電壓，a為調(diào)制深度，在諧波注入SPWM和SVPWM中a最大可為1.15。由式（2）可得電機線電壓的有效值為aE。 對線電壓為23

19、00V的高壓電機，E=1090V，采用額定電壓為1700V的IGBT就可構(gòu)成本系統(tǒng)；對線電壓為4160V的高壓電機，E=1970V，可采用額定電壓為3300V的IGBT；而當高壓電機的線電壓為6600V時，E=3130V，則應(yīng)采用額定電壓為4500V的IGCT；因此本方案具有很強的適應(yīng)性。 2)電流關(guān)系 設(shè)電機三相電流平衡，電流的有效值為I，在不考慮電流諧波的情況下ia1=Isin(t)ib2=Isin(t120)（3）ic3=Isin(t120) 在圖12中，ia1=i4i6，ib2=i6i2，i2i4i6=0，從而有ia1=Isin(t90)ib2=Isin(t30)（4）ic3=Isin

20、(t150) 考慮到輸出變壓器原邊和副邊電流相等，可計算得到第一個逆變器的三個輸出電流為，ia1=Isin(t)ib1=Isin(t120)（5）ic1=Isin(t120) 另外兩個逆變器的三個輸出電流也滿足以上關(guān)系，即：ia1=ia2=ia3=Isin(t)ib1=ib2=ib3=Isin(t120)(6)ic1=ic2=ic3=Isin(t120) 也就是說三個逆變器輸出電流完全平衡。 3）功率關(guān)系在得出電壓電流關(guān)系式后，我們很容易得到該高壓變頻器各部分間的功率關(guān)系。很顯然三個逆變器的視在功率VA1，VA2，VA3為VA1=VA2=VA3=aEI，而整個高壓變頻器的視在功率VA為VA=a

21、EI，也就是說三個逆變器均分了整個變頻器的輸出。 4）PWM策略 由于三個逆變器電壓、電流和功率完全對稱，因此三個逆變器可采用完全相同的控制規(guī)律，這時加在電機的線電壓等于一個逆變器輸出線電壓的三倍，相當于一個兩電平的PWM高壓變頻器，這種方法雖然簡單，但由于dv/dt太大，不宜采用。 一種比較好的方法是將三個逆變器的PWM信號相互錯開1/3個開關(guān)周期，對SPWM來說就是三個逆變器各自采用一個三角波，且這三個三角波之間相位互差120。圖13是采用這種方法后得到的電機線電壓波形，其中電壓頻率為40Hz，注入了15的三次諧波?？梢钥闯鲞@就是一個線電壓為7電平的高壓變頻器，相當于四電平變頻器的線電壓波形。 5）輸出變壓器輸出變壓器在本方案中起著十分重要的作用，也可能是本方案的薄弱環(huán)節(jié)，因為太大容量的變壓器會限制它的應(yīng)用。一般情況下該變壓器可采用圖14所示結(jié)構(gòu)。從前面分析知道，輸出變壓器各繞組間的電壓有效值都為aE，且流過各繞組的電流相等，有效值都為，于是可得到該變壓器的容量為aE，也就是說輸出變壓器的容量為變頻器總?cè)萘康?/3，比高低高方案中的輸出變壓器的容量要小的多。 這種高壓變頻器