IGBT直接串聯(lián)

1、IGBT直接串聯(lián)直接串聯(lián)高壓高壓變頻器變頻器成都佳靈電氣集團成都佳靈電氣集團2005年年04月月26日日第一篇第一篇 變頻產業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢變頻產業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢21世紀全球經濟發(fā)展過程中，有兩條顯著的相互交織的主線：能源與環(huán)境。能源的緊張不僅制約了相當多發(fā)展中國家的經濟增長，也為許多發(fā)達國家?guī)砹讼喈敶蟮膯栴}。能源集中的地方也往往成為全世界所關注的熱點地區(qū)。而能源的開發(fā)與利用又對環(huán)境的保護有著重大影響。全球變暖、酸雨等一系列環(huán)境災難都與能源的開發(fā)和利用有著密切的關系。 1. 變頻產業(yè)的現(xiàn)狀變頻產業(yè)的現(xiàn)狀資料表明，受資金、技術、能源價格等因素的影響，中國能源利用效率比發(fā)達國家低很多。90年代，

2、中國高耗能產品的耗能量一般比發(fā)達國家高12%55%，能源系統(tǒng)總效率為9.3%，只及發(fā)達國家的50%左右。單位GNP能耗（以中國為1，與西方國家作對比）中國 瑞士 意大利日本法國德國英國美國10.070.090.090.110.120.140.221. 變頻產業(yè)的現(xiàn)狀變頻產業(yè)的現(xiàn)狀對能源的有效利用在我國已經非常迫切。作為能源消耗大戶之一的電機在節(jié)能方面是大有潛力可挖的。我國電機的總裝機容量已達4億千瓦，年耗電量達6000億千瓦時，約占工業(yè)耗電量的80%。我國在用電機拖動系統(tǒng)的總體裝備水平僅相當于發(fā)達國家60年代水平。因此，在國家十五計劃中，電機系統(tǒng)節(jié)能方面的投入將高達500億元左右。2004年總

3、銷售額估計為100億，由此預計每年市場容量增長在30%以上，市場空間巨大，前景看好。1. 變頻產業(yè)的現(xiàn)狀變頻產業(yè)的現(xiàn)狀工業(yè)生產中大量應用的風機、泵類等需要進行流量調節(jié)控制的電力拖動系統(tǒng)中保留交流電動機的恒速拖動，大多采用擋板和閥門來調節(jié)風速、流量、壓力等。這種方法不但增加了系統(tǒng)的復雜性，也造成了能源大量浪費。因此，人們一直希望能夠采用交流電動機調速系統(tǒng)來取代直流電動機調速系統(tǒng)，并進行了大量的研究開發(fā)工作。2. 變頻發(fā)展的趨勢變頻發(fā)展的趨勢多年來已研制出多種交流電動機調速裝置，如：定子調壓調速變極調速滑差調速電磁耦合器調速串級調速整流子電機調速 這些調速系統(tǒng)的研制成功雖然取得了一定的成果，但仍存

4、在著調速范圍窄、損耗仍偏大、功率因數(shù)低、適用負載面窄等缺點，限制了這些交流調速系統(tǒng)的應用。2. 變頻發(fā)展的趨勢變頻發(fā)展的趨勢2. 變頻發(fā)展的趨勢變頻發(fā)展的趨勢 隨著電力電子技術、微電子技術及控制理論的發(fā)展，作為交流調速中心的變頻調速技術得到了顯著的發(fā)展，并廣泛地應用于工業(yè)生產的各項領域。與傳統(tǒng)的交流拖動系統(tǒng)相比，變頻調速系統(tǒng)有許多突出的優(yōu)點。1）節(jié)能變頻器容易實現(xiàn)對現(xiàn)有的交流電機進行調速控制。在工業(yè)中，發(fā)電廠、冶金、石油、化工、機械、電子、建材、紡織、輕工等許多行業(yè)大量存在需要電機變速及軟起動的場合。根據全國第三次工業(yè)普查公布的統(tǒng)計數(shù)字，我國風機水泵壓縮機類通用機械總裝機容量為1.6億kW，占

5、全國耗電總量的1/3，占工業(yè)用電量的40%，在國民經濟中舉足輕重，節(jié)能潛力很大。2. 變頻發(fā)展的趨勢變頻發(fā)展的趨勢1998年1月1日我國實施的節(jié)約能源法第四章第三十九條(二)款明文規(guī)定：逐步實現(xiàn)電動機、風機、泵類設備和系統(tǒng)的經濟運行，發(fā)展電機調速的電力電子技術提高電能利用率”。近幾年的實踐證明：通過變頻調速來取代利用閥門，擋板控制，節(jié)電效果明顯，特別是對于中大容量交流電動機拖動的風機、泵類系統(tǒng)(300kW以上)，若采用變頻調速，節(jié)電效果更加明顯，而且投資回收期短，一般為12年。變頻調速已成為節(jié)能的重要手段和重大措施。2. 變頻發(fā)展的趨勢變頻發(fā)展的趨勢2）調速范圍大而且連續(xù) 變頻調速系統(tǒng)通過連續(xù)

6、改變變頻器輸出頻率來實現(xiàn)轉速的連續(xù)變化，使電動機工作在轉差較小的范圍，電動機的調速范圍較寬，運行效率也明顯提高。一般來說，通用變頻器的調速范圍可達1:10以上，而高性能矢量控制變頻器調速范圍可達1:10000。2. 變頻發(fā)展的趨勢變頻發(fā)展的趨勢3）容易實現(xiàn)正、反轉切換和構成自動控制系統(tǒng) 在電網電壓下運行的交流電動機進行正、反轉切換時，只需改變相序即可實現(xiàn)。如果在電動機尚處高速時就進行相序切換，電動機內將會產生較大的沖擊電流，甚至有燒毀電機的危險。而在變頻調速系統(tǒng)中可以通過改變變頻器輸出頻率先使電動機降至低速，再進行相序切換。這樣切換電流可以比較小，電動機的功耗和發(fā)熱也都減小了許多。另外變頻器具

7、有標準的計算機通訊接口同其它設備一起構成自動控制系統(tǒng)。2. 變頻發(fā)展的趨勢變頻發(fā)展的趨勢4）起動電流小，可用于頻繁起動和制動場合 異步電動機直接起動的起動電流通常為額定電流的56倍，電機損耗較大，所需電源容量也很大，因此不宜頻繁起、停。采用變頻器對異步電動機進行驅動時，可以將變頻器的輸出頻率降至很低時起動，電動機的起動電流很小，因而變頻器輸入端要求電源配置的配電容量也可以相應減小。2. 變頻發(fā)展的趨勢變頻發(fā)展的趨勢另外它還可以采用變頻器來實現(xiàn)電氣制動。制動時變頻器的輸出頻率先逐步減小，負載所存儲的機械能將轉換為電能回饋到變頻器，通過一定的制動回路將這部分能量或者以熱能形式消耗掉，或者回饋給電網

8、。因此變頻器驅動交流電機調速系統(tǒng)可以工作在頻繁起動和制動場合。2. 變頻發(fā)展的趨勢變頻發(fā)展的趨勢5）結構簡單、運行安全可靠 變頻調速系統(tǒng)中異步電機結構簡單、堅固耐用，而且通常不需再用齒輪箱等其他變速裝置，保養(yǎng)維修都比較簡單，可根據工作環(huán)境的不同，選擇不同的異步電機，而變頻器通常不需改變。因此，變頻調速系統(tǒng)能應用于易燃、易爆、腐蝕等惡劣環(huán)境中。2. 變頻發(fā)展的趨勢變頻發(fā)展的趨勢6）企業(yè)投資變頻調速系統(tǒng)的成本-利潤分析。財政部、國家稅務總局頒布并從1999年7月1日起實行的技術改造國產設備投資抵免企業(yè)所得稅暫行辦法第二條明確規(guī)定： “凡在我國境內投資于符合國家產業(yè)政策的技術改造項目的企業(yè)，其項目所

9、需國產設備投資的40可從企業(yè)技術改造項目設備購置當年比前一年新增的企業(yè)所得稅中抵免?！?所以使用國產變頻調速設備，會獲得國家產業(yè)政策有力支持，具有良好的性能/價格比，能在較短時間回收投資。2. 變頻發(fā)展的趨勢變頻發(fā)展的趨勢鑒于以上所列出的變頻調速的部分優(yōu)點，在交流電機的調速技術中，變頻調速是應用最大、效率最高的。交流變頻調速是當代電力電子、微電子、自動控制、傳感器、電機等多種先進技術集成起來的一項高新技術。近二十年的理論發(fā)展和應用實踐表明，它的調速性能好、 節(jié)能明顯，是電氣傳動的發(fā)展方向；它的應用面寬，為企業(yè)節(jié)能降耗、提高產品質量和生產效率、最終提高經濟效益提供了技術的和物質的手段。2. 變頻

10、發(fā)展的趨勢變頻發(fā)展的趨勢變頻調速裝置在我國的應用有了突飛猛進的發(fā)展。由于變頻調速在頻率范圍、動態(tài)響應、調速精度、低頻轉矩、轉差補償、通訊功能、智能控制、功率因數(shù)、工作效率、使用方便等方面是以往的交流調速方式無法比擬的。它以體積小、重量輕、通用性強、拖動領域寬、保護功能完善、可靠性高、操作簡便等優(yōu)點，深受鋼鐵、冶金、礦山、石油、石化、化工、醫(yī)藥、紡織、機械、電力、輕工、建材、造紙、印刷、卷煙、給排水等行業(yè)的歡迎，社會效益非常顯著。2. 變頻發(fā)展的趨勢變頻發(fā)展的趨勢目前，國內變頻調速系統(tǒng)的研究非?；钴S，產業(yè)化方面發(fā)展迅速。“成都佳靈”，從1986年第一臺GTR國產商品化變頻器，到2001年第一臺I

11、GBT直接串聯(lián)高壓變頻器，近二十年來，自強不息，穩(wěn)健經營，持續(xù)發(fā)展，在技術上不斷創(chuàng)新，鑄造了中國變頻史上的22個第一，并擁有三十九項專利?！凹鸯`人”可謂是做到了變頻產業(yè)國產化道路上的步步領先。2. 變頻發(fā)展的趨勢變頻發(fā)展的趨勢小功率交流調速方面，由于“佳靈”小功率產品的規(guī)模效應，價格上、工藝上和技術上已敢與國外品牌抗衡。在高壓大功率方面，國外公司又為“佳靈”留下了超越對手的巨大空間。首先，國外的電網電壓等級一般為3kV，而我國的電網電壓等級大多為6kV和10kV。其次，高壓大功率交流調速系統(tǒng)無法進行大規(guī)模的批量生產，而國外的具有一定專業(yè)知識的勞動力成本較高。IGBT直接高壓變頻器就是在此情況下

12、，應運而生的。2. 變頻發(fā)展的趨勢變頻發(fā)展的趨勢第二篇第二篇 “佳靈佳靈”高壓變頻高壓變頻器器概概 述述 世界首創(chuàng)的電壓源型IGBT直接串聯(lián)高壓變頻器，國家重點技術創(chuàng)新項目，解決了高壓IGBT模塊直接串聯(lián)的世界性難題，開辟了高壓變頻領域新紀元，具備世界領先水平。該產品利用當今成熟的低壓變頻技術，貫以最新控制理論，融入高速功率可關斷器件直接串聯(lián)技術、正弦波技術、抗共模電壓技術、直接速度控制技術（DSC）于一體，使其成為無輸入輸出變壓器、同容量產品中體積最小的真正的直接高-高變頻器。 概概 述述 “佳靈”高壓變頻器從1998年開始研制到2001年第一臺成功的應用，為時三年。這期間，“佳靈”投入了大

13、量的人力和物力，不斷的創(chuàng)新和開拓，解決一個又一個難關，終于突破了“IGBT難以直接串聯(lián)使用”的世界性難題。大量成功的應用證明：IGBT直接串聯(lián)的中高壓變頻器，具有占地面積小、重量輕、系統(tǒng)效率高、可靠性高等同類產品無可比擬的優(yōu)點。 目前，“佳靈”高壓變頻器已經廣泛應用于石油、化工、給排水、電力、冶金、建材、礦山等行業(yè)。 1. “佳靈佳靈”高壓變頻器型號命名含義高壓變頻器型號命名含義 JCS： 風機、水泵專用型，適用于變壓力變流量的自動節(jié)能調速，過載能力位為120%/min，150%立即保護，間隔10分鐘一次。JCP：一般機械傳動調速用型，過載能力位為150%/min，200%立即保護。JCC：

14、起重機、重型機械、軋機、電力機車適用型，（具有S形加減速、低速大轉矩等特性負載）過載能力位為200%/min。 高壓變頻器輸出額定電壓等級變頻器適應電機功率（按4極電機計算）JCS(JCP/JCC)k 2. 性能特點性能特點 1）電壓等級為3kV10kV；2）功率器件選用西門子公司九十年代末推出的高壓功率模塊IGBT，直接串聯(lián)使用；3）系統(tǒng)自帶專門設計的高壓開關柜，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；4）全中文操作界面，基于Windows操作平臺，彩色觸摸屏，便于就地監(jiān)控、設定參數(shù)、選擇功能和調試；5）內置PLC可編程控制器，易于改變和擴展控制邏輯關系； 2.

15、 性能特點性能特點6）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(tǒng)抗干擾能力強；7）控制電路通訊方式采用全數(shù)字化通訊。簡單、可靠；8）系統(tǒng)的整流單元、逆變單元設計，選用組合模塊化積木結構，整機占地面積小、重量輕，便于安裝、維護；9）系統(tǒng)控制采用專用的工業(yè)控制計算機，結合PLC可編程控制技術，使電動機在變頻運行時變量調節(jié)的更平滑、穩(wěn)定，使實時過程控制自動化程度高；10）裝置可在本機上操作，也可實現(xiàn)遠距離外控，具備完善、方便的操作功能選擇； 2. 性能特點性能特點11）系統(tǒng)具有標準的計算機通訊接口RS232或RS422、RS485，可方便的與用戶DCS系統(tǒng)或工控系統(tǒng)組態(tài)建立整個系統(tǒng)的工

16、作站，進一步提高系統(tǒng)的自動化控制程度，實現(xiàn)整個工控系統(tǒng)的全閉環(huán)監(jiān)控，從而獲得更加完善的、可靠自動化運行；12）具備全面的故障監(jiān)測、可靠的故障報警保護功能；13）輸入功率因數(shù)高，輸出電壓諧波含量小，無需功率因數(shù)補償和諧波抑制器；14）輸出電壓為標準正弦波形，對電纜和電動機的絕緣無損害，減輕電動機的軸承和葉片等機械部分震動和磨損，延長電動機的使用壽命，輸出至電動機的線纜長度可達15km；15）采用獨特的抗共模電壓技術，使系統(tǒng)中共模電壓滿足MGI標準，無需再提高電動機的絕緣等級，無需專用電機； 2. 性能特點性能特點16）易于實現(xiàn)能量回饋和四象限運行；并可直接引出直流進行直流輸電；17）適用于石油、

17、化工、給排水、電力、冶金、建材、軍事、礦山等行業(yè)的高壓電動機變頻節(jié)能運行系統(tǒng)。18）對用戶的高壓異步電動機無任何特殊要求。不但適用于新舊異步電動機，也適用于同步電動機。 3. 關鍵技術關鍵技術 高速功率器件的串聯(lián)技術高速功率器件的串聯(lián)技術 高速功率可關斷器件，特別是IGBT直接串聯(lián)，有效解決了高速功率可關斷器件的動靜態(tài)均壓、均流、同步開關斷問題，使真正無輸出、輸入變壓器的高壓變頻器成為現(xiàn)實。這大大提高了高壓變頻器的性能、效率，減小體積、重量等各項主要技術經濟指標。 目前，世界其它變頻器廠家均未生產出IGBT直接串聯(lián)的高壓變頻器。原因正如業(yè)內一些權威人士所言：“IGBT是不能串聯(lián)的。因為開關時間

18、短，微秒級，很難保證所有管子串聯(lián)同時開關。否則有的早開，所有的電壓都來加在晚開的管子上，那么這個1700V的管子加上6000V，只能燒掉，一燒一串，不可能串聯(lián)?！?. 關鍵技術關鍵技術這一世界性的難題已經被中國“成都佳靈”率先解決，從而使得人們對任意高電壓大電流進行隨意控制不再是夢想，高速功率器件串聯(lián)技術不僅對高壓變頻調速技術有著革命性的突破，而且對柔性輸電系統(tǒng)、城市無功補償、有源濾波、城市電網穩(wěn)壓、潮流控制、直流輸電等整個電力電子領域都將具有劃時代的意義。3. 關鍵技術關鍵技術正弦波技術正弦波技術 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?！凹鸯`”解決變頻器輸出電壓

19、波形，從兩方面著手：一是優(yōu)化PWM波形；二是研制出特種濾波器在波形發(fā)生、濾波材料、設計方面的創(chuàng)新和優(yōu)化，使輸出電壓諧波失真小于3%。使得這種變頻器適用于任何交流電機，而無距離限制的要求。輸入電流正弦波技術，提高了功率因素，降低了對電網的干擾，特別是根據電源及負載的情況，輸入端可用多種不同的配置，以符合IEEE519-92的要求。更可滿足四象限快速加減速等場合的應用要求。 3. 關鍵技術關鍵技術過去一些人認為：“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?！边@種說法并不全面。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，處理起來特別困難，而二

20、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。正如東北大學劉宗富教授所講：“能用兩點式誰會去用三點式呢？” 3. 關鍵技術關鍵技術抗共模電壓技術抗共模電壓技術 無論是電流源型還是電壓源型變頻器產生共模電壓是必然的。在高壓變頻領域，共模電壓是必須解決的關鍵問題之一，它影響電機的絕緣，對外產生干擾，特別是長輸線設備?！凹鸯`”根據共模電壓產生的機理，采取了“堵和疏”的辦法將共模電壓消滅在變頻器內部?？构材ｋ妷杭夹g使高壓變頻器徹底去掉變壓器得以最終實現(xiàn)，并對電機無特殊的絕緣要求，使“佳靈”高壓變頻器真正成為

21、體積最小的高壓變頻器。 3. 關鍵技術關鍵技術直接速度控制技術（直接速度控制技術（DSC） 以直接速度控制技術(DSC)為核心的電機控制技術，是繼V/F、轉差頻率補償、矢量控制、直接轉矩控制技術（DTC）之后的由佳靈首創(chuàng)的新一種控制技術。它以電機定子磁通和轉速為主要控制變量，是交流傳動中革命性的電機控制方式,不需在電動機轉軸上安裝脈沖編碼器來反饋轉子位置信號而具有精確的速度和轉矩控制。直接速度控制技術(DSC)可在零速時產生滿載轉矩，動態(tài)響應速度高，其魯棒性超過以往的任一種控制技術。 4. 原理介紹原理介紹 “佳靈佳靈”高壓變頻器主電路圖高壓變頻器主電路圖 4. 原理介紹原理介紹“佳靈佳靈”

22、JCS高壓變頻器主要技術參數(shù)高壓變頻器主要技術參數(shù)輸入 相數(shù)/電壓/頻率：三相310kV，50/60Hz 允許波動：電壓：+10%-15%頻率：5% 功率因數(shù)功率因數(shù)0.97適用負荷 風機、水泵、機械傳動、空壓機、軋機等適用標準 QB、IEC、IEEE、GB通 訊 RS485串行口輸出 電壓/頻率：三相310kV，0120Hz 最高頻率：0.2120Hz可變設定 基本頻率：0.2120Hz可變設定 啟動頻率：0.260Hz可變設定 波 形：SPWM（優(yōu)化正弦波脈寬調制） 精 度：模擬設定：最高頻率設定值0.3% 數(shù)字設定：最高頻率設定值0.01% 諧波含量：3%（滿足國標要求） 效率：98.8

23、%（滿負荷時） 分辨率：模擬設定：最高頻率設定值二千分之一 數(shù)字設定：0.01Hz（99.99Hz以下），0.1Hz（100Hz以上）“ “佳靈佳靈” JCS高壓變頻器主要技術參高壓變頻器主要技術參數(shù)數(shù)控制方式途徑：IGBT直接串聯(lián)（無輸入、輸出變壓器）； SPWM控制轉矩提升 自動：根據負載轉矩調整到最佳值； 手動：010編碼設定起動電流：額定電流（恒電流起動）PID：手動設定PI參數(shù)值；P：3800% I：1.0320s加減速時間：0.13600s (加、減速時間可單獨設定)附屬功能：切換上限/下限頻率控制，跳躍頻率，電流限制等高壓隔離：電磁耦合光電隔離控制電壓輸入：AC380V/50Hz

24、“ “佳靈佳靈” JCS高壓變頻器主要技術參高壓變頻器主要技術參數(shù)數(shù)保護功能：過流，過壓，欠壓，短路，過載，缺相，過熱，接地，電動機過載，外部報警，電涌保護，主器件自保護運轉操作： 觸摸屏：運行鍵，停止鍵，功能設定等 遠程控制：端子輸入，運轉指令，自由運轉 PC控制：JLver5.1組態(tài)軟件，集散監(jiān)控，遠程監(jiān)控頻率設定： 觸摸屏：上升鍵，下降鍵 端子輸入：模擬信號DC05V或DC420mA 多段頻率：17段（17速） PC控制：鍵盤給定“ “佳靈佳靈”JCS高壓變頻器主要技術參數(shù)高壓變頻器主要技術參數(shù)“ “佳靈佳靈”JCS高壓變頻器主要技術參數(shù)高壓變頻器主要技術參數(shù)顯示： 數(shù)字液晶顯示： 輸出

25、頻率,輸出電壓,輸出電流,轉速,反饋值,設定值等數(shù)據 燈指示： 充電(有電壓)，顯示數(shù)據單位，操作方式外殼防護等級：IP20（可選）冷卻方式：強制風冷環(huán) 境： 使用場所：室內，沒有腐蝕性、易爆性氣體、灰塵、直接陽光等 溫度：-10+40/2095%RH不結露 振動：5.9m/s2(0.6G)以下 保存溫度：-20+65（適用于短時間保存） 海拔：海拔1000米以下“ “佳靈佳靈”JCS高壓變頻器主要技術參數(shù)高壓變頻器主要技術參數(shù)“ “佳靈佳靈”高壓變頻器柜體尺寸外形圖高壓變頻器柜體尺寸外形圖 開關柜變頻器柜3600輸出U、V、W控制柜1300輸入L1、L2、L312002200柜內所配的電氣功

26、能分配柜內所配的電氣功能分配第三篇第三篇 “佳靈佳靈”高壓變頻器與高壓變頻器與其它其它形式電路原理性能比較形式電路原理性能比較 概概 述述 隨著電力電子技術的飛速發(fā)展，變頻技術已成為當今調速節(jié)能和優(yōu)化設備運行的重要手段。目前，低壓變頻調速技術已比較成熟，但在高壓變頻調速技術方面，由于組成變頻器的功率器件耐壓能力所限，而且組成高壓變頻器的功率器件的耐壓能力在相當長的時間內還不可能滿足高壓變頻的需要，造成了現(xiàn)在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。而如何解決高速功率器件的串聯(lián)均壓問題已成為世界性的難題，所以人們都另辟蹊徑來回避這一難題，從而產生了當前各式各樣復雜的拓撲結構。但

27、成都佳靈電氣制造有限公司迎難而上，率先解決了這一困擾世人的難題，推出了具有當今世界領先水平的電壓源型IGBT直接串聯(lián)高壓變頻器。 以往幾種高壓變頻器的主電路分析以往幾種高壓變頻器的主電路分析單元串聯(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 單元串聯(lián)多重化電壓源型高壓變頻器是利用低壓單相變頻器串聯(lián)，來彌補功率器件IGBT的耐壓能力的不足。所謂多重化，就是每相由幾個低壓功率單元串聯(lián)組成，各功率單元由一個多繞組的移相隔離變壓器供電。圖4為6kV變頻器的主電路拓撲圖。圖5五單元串聯(lián)高壓變頻器電氣框圖, 圖5中的每個功率單元都是由低壓絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）構成的三相輸入，單相輸出

28、的低壓的PWM電壓型逆變器。圖圖4 4 多重化高壓變頻器拓撲結構圖多重化高壓變頻器拓撲結構圖 圖圖5 5五單元串聯(lián)高壓變頻器電氣框圖五單元串聯(lián)高壓變頻器電氣框圖 B C A 690V 690V 690V 690V 690V 690V 690V 690V 690V 690V 690V 690V 690V 690V 690V 3450V 相相電電壓壓 6000V 線線電電壓壓 +24 +24 +24 +12 +12 +12 +0 +0 +0 -12 -12 輸輸入入： AC6kV/50Hz -12 +24 +24 +24 輸輸入入移移相相隔隔離離變變壓壓器器功率單元A1功率單元B1功率單元C1功率

29、單元A2功率單元B2功率單元C2功率單元A3功率單元B3功率單元C3功率單元A4功率單元B4功率單元C4功率單元A5功率單元B5功率單元C5高高壓壓感感應應電電動動機機以往幾種高壓變頻器的主電路分析以往幾種高壓變頻器的主電路分析單元串聯(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其缺點是：其缺點是：1. 由于系統(tǒng)中存在著變壓器，所需電纜多，系統(tǒng)效率再提高不容易實現(xiàn)，裝置的體積太大，重量大，安裝位置和基建投資成題； 2. 移相變壓器中，6kV三相6繞組3（10kV時需12繞組3）延邊三角形接法，在三相電壓不平衡（實際上三相電壓是不可能絕對平衡的）時，產生的內部環(huán)流，必將引起內阻的增加

30、和電流的損耗，也相應的就造成了變壓器的銅損增大。此時，再加上變壓器的鐵芯的固有損耗，變壓器的效率就會降低，從而也就影響了整個高壓變頻器的效率；以往幾種高壓變頻器的主電路分析以往幾種高壓變頻器的主電路分析單元串聯(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3. 10kV時，變壓器有近400個接頭、近百根電纜。在額定負荷時效率只能達到96%，但在輕負荷時，效率低于90%；4. 線路接點多，功率單元及功率器件數(shù)量多，6kV系統(tǒng)要使用150只功率器件（90只二極管，60只IGBT），故障點相應的增多一個單元損壞時，單元可旁路，但此時輸出電壓不平衡中心點的電壓是浮動的，造成電壓、電流不平衡，

31、從造成而諧波含量也相應的增大，勉強運行時終究會導致電動機的損壞；5. 無法實現(xiàn)能量回饋四象限運行，且無法實現(xiàn)制動；6. 輸出電壓波形在額定負載時尚好，低于25Hz以下畸變突出。 以往幾種高壓變頻器的主電路分析以往幾種高壓變頻器的主電路分析中性點鉗位三電平中性點鉗位三電平PWM變頻器變頻器 中性點鉗位三電平PWM變頻器的整流部分采用12脈波二極管整流器，逆變部分采用三電平PWM逆變器。由圖6可以看出，該系列變頻器采用傳統(tǒng)的電壓型變頻器結構，通過要用高耐壓的IGBT（或IGCT）功率器件，使得器件總數(shù)減少為12個（僅限于4.16kV）。1. 中性點鉗位三電平PWM變頻器的逆變部分采用傳統(tǒng)的三電平方

32、式，所以輸出波形中會不可避免地產生比較大的諧波分量，尤其是11次、13次諧波含量達到20%以上，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。 圖六圖六 中性點鉗位三電平中性點鉗位三電平PWM變頻器主電路圖變頻器主電路圖 以往幾種高壓變頻器的主電路分析以往幾種高壓變頻器的主電路分析中性點鉗位三電平中性點鉗位三電平PWM變頻器變頻器同樣由于諧波的原因，電動機的功率因數(shù)和效率、甚至壽命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)，但隨著轉速的下降，功率因數(shù)和效率都會相應降低； 2. 由于目前三電平高壓變頻器最高輸出線電壓只能達到4.16kV，對于6kV高壓電機，

33、必須采用了/改接的辦法才能滿足要求，但出現(xiàn)故障時由于電機的電壓與電網的電壓不一致，無法實現(xiàn)旁路功能；3. 難以實現(xiàn)冗余設計；4. 這種變頻器的結構雖然較為簡單，但二極管數(shù)量增多、線路增多。由于每個二極管的鉗位和開關性能不一致，造成中性點鉗位的電壓浮動，不穩(wěn)定，易產生直流磁環(huán)。 以往幾種高壓變頻器的主電路分析以往幾種高壓變頻器的主電路分析多電平多電平+ +多重化高壓變頻器多重化高壓變頻器 多電平+多重化高壓變頻器的本意是想解決高壓IGBT的耐壓有限的問題，但這種方式不但增加了系統(tǒng)的復雜性，故障點大為增多，而且降低了多重化冗余性能好和三電平結構簡單的優(yōu)點。所以該型變頻器實際上并不可取，圖7 是多電

34、平+多重化高壓變頻器電路結構圖。圖圖7 7 多電平多電平+ +多重化高壓變頻器電路結構多重化高壓變頻器電路結構 （a）三相）三相 AC6.6kV 主電路主電路 （b）功率單元內部主電路）功率單元內部主電路 以往幾種高壓變頻器的主電路分析以往幾種高壓變頻器的主電路分析多電平多電平+ +多重化高壓變頻器多重化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路中串聯(lián)大電感，再將SCR（或GTO、SGCT等）開關速度較慢的功率器件直接串聯(lián)而構成的。如圖8所示。雖然這種方式使用功率器件少、易于控制電流，但業(yè)內人士都知道，電流源型高壓變頻器由于有大電感限流，功率器件雖不易被di/dt損壞，但帶來的問題

35、是對電網污染嚴重、功率因數(shù)低。而且電流源型高壓變頻器對電網電壓及電機負載的變化敏感，無法做成真正的通用型產品。電流源型高壓變頻器是最早的產品，目前已基本上被電壓型變頻器，因為在經濟上、技術上，它都明顯處于劣勢。圖8 電流源型高壓變頻器主電路圖 以往幾種高壓變頻器的主電路分析以往幾種高壓變頻器的主電路分析內反饋串級調速內反饋串級調速 內反饋串級調速就是在電機定子繞組中另加一套調節(jié)繞組，此調節(jié)繞組從定子主繞組感應電動勢并通過變流裝置（通常采用二極管整流、晶閘管逆變）串入電機的轉子繞組，改變其串入轉子繞組的電勢大小即可實現(xiàn)調速目的；同時調節(jié)繞組吸收轉子的轉差功率，并通過與轉子磁場的相互作用產生正向的

36、拖動轉矩，從而使電機從電網吸收的有功功率減少，主繞組的有功電流隨轉速成正比變化，達到調速節(jié)能目的，為提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，常采用直流斬波技術。圖9為斬波式內反饋串級調速原理圖。內反饋串級調速的優(yōu)點是可回收轉差功率、不需要龐大的變壓器、效率很高，但這種調速方式僅限于繞線式異步電機，而且定子繞組必須進行改造，所以使用面比較狹窄，另外這種調速僅限于調速范圍不大的應用場合（調速范圍70%95%），而且整體功率因數(shù)偏低，采用斬波式內反饋串級調速在較高轉速時僅為0.8左右。圖9 斬波式內反饋串級調速原理圖功率器件功率器件IGBT直接串聯(lián)的直接串聯(lián)的真正直接高壓變頻器真正直接高壓變頻器 主電路簡介主電路簡介由

37、圖由圖10中看出系統(tǒng)由電網高壓直接經高壓斷路器進入中看出系統(tǒng)由電網高壓直接經高壓斷路器進入變頻器，經過高壓二極管全橋整流、直流平波電抗器變頻器，經過高壓二極管全橋整流、直流平波電抗器和電容濾波，再經逆變器逆變，加上正弦波濾波器，和電容濾波，再經逆變器逆變，加上正弦波濾波器，簡單易行地實現(xiàn)高壓變頻輸出，直接供給高壓電動機。簡單易行地實現(xiàn)高壓變頻輸出，直接供給高壓電動機。功率器件功率器件IGBT直接串聯(lián)的二電平電壓型高壓變頻器應直接串聯(lián)的二電平電壓型高壓變頻器應用變頻器已有的成熟技術和獨特而簡單的控制技術，用變頻器已有的成熟技術和獨特而簡單的控制技術，徹底去掉輸入輸出變壓器、徹底去掉輸入輸出變壓器

38、、IGBT直接串聯(lián)逆變、輸出直接串聯(lián)逆變、輸出效率達效率達98%以上，功率因數(shù)以上，功率因數(shù)0.97以上，輸出電壓諧波以上，輸出電壓諧波含量小于含量小于3%，冗于設計簡單可靠、可實現(xiàn)直流制動和，冗于設計簡單可靠、可實現(xiàn)直流制動和能量回饋四象限運行，而且始終使負載電機工作在最能量回饋四象限運行，而且始終使負載電機工作在最佳狀態(tài)。佳狀態(tài)。 對于需要快速制動的場合，如圖所示，采用直流放電制動裝置。對于需要快速制動的場合，如圖所示，采用直流放電制動裝置。 如果需要四象限運行，或輸入電源側短路容量較小時，也可采用如圖所示的PWM整流電路，使輸入電流也真正實現(xiàn)了完美正弦波 IGBTIGBT直接串聯(lián)高壓變頻

39、器與以往幾種高壓變頻器的主要性能比較直接串聯(lián)高壓變頻器與以往幾種高壓變頻器的主要性能比較 序序號號方方 案案電路結構電路結構輸入輸入變壓器變壓器整流整流方式方式逆變逆變電路電路器件器件輸出輸出電壓等級電壓等級整整體體性性能能控制控制電路電路控制方控制方式式效效率率體積體積重重量量適適 用用1IGBT直直接 高 壓接 高 壓變頻器變頻器IGBT器件器件直 串 ， 國直 串 ， 國內外首創(chuàng)，內外首創(chuàng)，國家專利國家專利無 需 一無 需 一切 變 壓切 變 壓器器二極二極管或管或IGBTPWMIGBT113.8kV最最好好最簡最簡單單PWM二電平二電平98%系統(tǒng)系統(tǒng)面積面積最小最小最最輕輕風 機 水風

40、 機 水泵 、 超泵 、 超重負荷，重負荷，較 重 負較 重 負荷荷2單 元 多單 元 多重化重化IGBT低壓低壓單 相 變 頻單 相 變 頻器串聯(lián)器串聯(lián)需 極 復需 極 復雜 的 多雜 的 多繞 組 變繞 組 變壓器壓器二極二極管管IGBT或或IGCT310kV較較好好復雜復雜多 重 化多 重 化PWM 90%96%系統(tǒng)系統(tǒng)面積面積大大最最重重風機泵風機泵3多電平多電平IGBT串聯(lián)，串聯(lián)，中心嵌位中心嵌位需需 1 2 脈脈沖 變 壓沖 變 壓器器二極二極管管IGBT 34.16kV好好較復較復雜雜PWM三電平三電平96%系統(tǒng)系統(tǒng)面積面積較大較大重重一 般 傳一 般 傳動 ， 風動 ， 風機、

41、泵機、泵4多電平多電平+多重化多重化三 電 平 單三 電 平 單相 變 頻 串相 變 頻 串聯(lián)聯(lián)需 多 繞需 多 繞組 變 壓組 變 壓器器二極二極管管IGBT310kV較較好好多而多而最復最復雜雜多重化多重化+多單元多單元90%96%系統(tǒng)系統(tǒng)面積面積大大最最重重風 機 、風 機 、泵泵5電流型電流型S G C T 或或SCR要 變 壓要 變 壓器器SGCT或或SCRSGCT或或SCR310kV最最差差復雜復雜PWM/6脈 沖 或脈 沖 或12脈沖脈沖96%系統(tǒng)系統(tǒng)面積面積較大較大重重風 機 、風 機 、泵泵功率器件功率器件IGBT直接串聯(lián)的真直接串聯(lián)的真正直接高壓變頻器正直接高壓變頻器結論結

42、論 1）功率器件的耐壓等級決定了高壓變頻器的主路結構，要想避開器件串聯(lián)而要作出高壓變頻器，必然使線路復雜化，從而產生一系列嚴重的相關問題，比如：占地面積大、布置松散、接線多、效率低、安裝調試復雜等。2）IGBT器件的串聯(lián)成功，使高壓變頻器同低壓變頻器形成相同的電路拓樸方式，因此成熟的低壓變頻器的一切控制策略均可用于高壓變頻器，特別是像低壓變頻器一樣的控制簡單是提高可靠性的關鍵。正如俗話說的：“愈簡單，愈可靠。”功率器件功率器件IGBT直接串聯(lián)的真直接串聯(lián)的真正直接高壓變頻器正直接高壓變頻器3）針對高壓電機的特殊要求，而在輸出電壓波形和共模電壓的處理上的技術措施，使IGBT直接高壓變頻器的各項指

43、標大大優(yōu)于低壓變頻器。4）真正的“高-高”變頻器就是：不需一切變壓器，不需電抗器、濾波器、補償電容器、避雷器、啟動設備等一系列其它裝置，自成系統(tǒng)。電壓源型IGBT直接串聯(lián)高壓變頻器的具有其它高壓變頻器無可比擬的優(yōu)越性，必將成為高壓變頻器的主流產品，必將為世界工業(yè)的節(jié)能降耗、提高自動化水平。1 1廣東韶關鋼鐵公司廣東韶關鋼鐵公司 400kW/6kV 400kW/6kV 沖渣水泵沖渣水泵 1臺臺2 2廣東韶關鋼鐵公司廣東韶關鋼鐵公司 315kW/6kV 315kW/6kV 水泵水泵 1臺臺3天津熱電公司天津熱電公司5號熱源廠號熱源廠 315kW/10kV 315kW/10kV 一次風機一次風機 1

44、臺臺4天津熱電公司天津熱電公司5號熱源廠號熱源廠 250kW/10kV 250kW/10kV 二次風機二次風機 1臺臺5天津熱電公司天津熱電公司5號熱源廠號熱源廠 630kW/10kV 630kW/10kV 引風機引風機 1臺臺6 6山東萊鋼集團山東萊鋼集團 630kW/6kV 630kW/6kV 引風機引風機 2臺臺7 7山東萊鋼集團山東萊鋼集團 800kW/6kV 800kW/6kV 鼓風機鼓風機 1臺臺8 8山東萊鋼集團山東萊鋼集團 2500kW/10kV2500kW/10kV燒結爐風機燒結爐風機 2 2臺臺9 9山東萊鋼集團山東萊鋼集團 450kW/10kV 450kW/10kV 水泵

45、水泵 1臺臺1010勝利油田臨盤采油廠勝利油田臨盤采油廠 3000kW/6kV 3000kW/6kV 電源電源 1臺臺1111攀鋼集團礦業(yè)公司攀鋼集團礦業(yè)公司 450kW/6kV 450kW/6kV 供水水泵供水水泵 1臺臺1212陜西金堆城鉬業(yè)公司陜西金堆城鉬業(yè)公司 315kW/6kV 315kW/6kV 砂泵砂泵 1臺臺1313大同煤業(yè)集團大同煤業(yè)集團 400kW/6kV400kW/6kV皮帶運輸機皮帶運輸機 3 3臺臺1414河南焦作煤業(yè)集團河南焦作煤業(yè)集團 630kW/6kV 630kW/6kV 礦井提升機礦井提升機 1 1臺臺1515沙特阿拉伯油田沙特阿拉伯油田 300kW/3kV300kW/3kV潛油泵潛油泵 3 3臺臺1616沙特阿拉伯油田沙特阿拉伯油田 1600kW/6kV1600kW/6kV注水泵注水泵 2 2臺臺1717勝利油田東辛采油廠勝利