中高壓變頻器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分析比較

摘要：對中高壓變頻器幾種常見的主電路結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jì)、諧波含量及dv/dt等指標(biāo)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。

關(guān)鍵詞：中（高）壓變頻器；完美無諧波；單元串聯(lián)多電平技術(shù)；中性點(diǎn)鉗位技術(shù)；集成門極換流晶閘管

1前言

眾所周知，大功率風(fēng)機(jī)、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(jì)效益很大，宏觀經(jīng)濟(jì)效益及社會效益則更大?？梢灶A(yù)計(jì)，大功率交流電機(jī)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(gè)：一是我國大容量（200kW以上）電動機(jī)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(fēng)機(jī)、水泵等節(jié)能改造都要求低投入、高回報(bào)，從而造成經(jīng)濟(jì)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(diào)速技術(shù)的推廣應(yīng)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(diào)速裝置是當(dāng)前世界各國相關(guān)行業(yè)競相關(guān)注的熱點(diǎn)。 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(shí)，因?yàn)楦髌骷膭討B(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(shí)，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(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，否則由于各器件開斷時(shí)間不一，承受電壓不均，會導(dǎo)致器件損壞甚至整個(gè)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)的正常運(yùn)行；諧波還會干擾通訊和控制系統(tǒng)，嚴(yán)重時(shí)會使通訊中斷，系統(tǒng)癱瘓；諧波電流也會使電動機(jī)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。

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中高壓變頻器主電路結(jié)構(gòu)的分析比較

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(jì)、諧波含量以及dv/dt等指標(biāo)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(jié)構(gòu)為交倉豹步壞緦髟蔥停采用功率器件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(jī)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(diǎn)，其運(yùn)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(biāo)準(zhǔn)的12脈沖和18脈沖及PWM整流器，標(biāo)準(zhǔn)的諧波濾波器及功率因數(shù)補(bǔ)償器，以使其諧波符合IEEE5191992標(biāo)準(zhǔn)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?fù)浣Y(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(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(xiàn)能量回饋和四象限運(yùn)行；缺點(diǎn)是變頻器的性能與電機(jī)的參數(shù)有關(guān)，不易實(shí)現(xiàn)多電機(jī)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(jī)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(jī)的絕緣造成危害，要求提高電機(jī)的絕緣等級；且諧波成分大，需要專門設(shè)計(jì)輸出濾波器，才能供電機(jī)使用，即使如此其總諧波畸變THD也僅能達(dá)到4％左右。

輸入端采用可控器件實(shí)現(xiàn)PWM整流，便于實(shí)現(xiàn)能量回饋和四象限運(yùn)行，但同時(shí)使網(wǎng)側(cè)諧波增大，需加進(jìn)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?yàn)槭侵苯痈邏鹤冾l，電網(wǎng)電壓和電機(jī)電壓相同，容易實(shí)現(xiàn)旁路控制功能，以便在裝置出現(xiàn)故障時(shí)將電機(jī)投入電網(wǎng)運(yùn)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的完美無諧波(PERFECTHARMONY)高壓變頻器，無須輸出變壓器實(shí)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(jìn)的IGBT功率開關(guān)器件，達(dá)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(yán)格要求；輸入功率因數(shù)可達(dá)0.95以上，THD1％，總體效率（包括輸入隔離變壓器在內(nèi)）高達(dá)97％。達(dá)到這么高指標(biāo)的原因是采用了三項(xiàng)新的

圖1Bulletin1557變頻器主電路結(jié)構(gòu)圖

圖2多重化變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(dú)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(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(gè)低壓PWM功率單元串聯(lián)組成，各功率單元由一個(gè)多繞組的隔離變壓器供電，用高速微處理器實(shí)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(shí)現(xiàn)完美無諧波變頻。圖2為6kV變頻器的主電路拓?fù)鋱D，每組由5個(gè)額定電壓為690V的功率單元串聯(lián)，因此相電壓為690V×5=3450V，所對應(yīng)的線電壓為6000V。每個(gè)功率單元由輸入隔離變壓器的15個(gè)二次繞組分別供電，15個(gè)二次繞組分成5組，每組之間存在一個(gè)12°的相位差。圖3中以中間△接法為參考(0°)，上下方各有兩套分別超前（＋12°、＋24°）和滯后（－12°、－24°）的4組繞組。所需相差角度可通過變壓器的不同聯(lián)接組別來實(shí)現(xiàn)。

圖3中的每個(gè)功率單元都是由低壓絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）構(gòu)成的三相輸入，單相輸出的低壓PWM電壓型逆變器。功率單元電路見圖4。每個(gè)功率單元輸出電壓為1、0、－1三種狀態(tài)電平，每相5個(gè)單元疊加，就可產(chǎn)生11種不同的電平等級，分別為±5、±4、±3、±2、±1和0。圖5為一相合成的正波輸出電壓波形。用這種多重化技術(shù)構(gòu)成的高壓變頻器，也稱為單元串聯(lián)多電平PWM電壓型變頻器，采用功率單元串聯(lián)，而不是用傳統(tǒng)的器件串聯(lián)來實(shí)現(xiàn)高壓輸出，所以不存在器件均壓的問題。每個(gè)功率單元承受全部的輸出電流，但僅承受1/5的輸出相電壓和1/15的輸出功率。變頻器由于采用多重化PWM技術(shù)，由5對依次相移12°的三角載波對基波電壓進(jìn)行調(diào)制。對A相基波調(diào)制所得的5個(gè)信號，分別控制A1～A5五個(gè)功率單元，經(jīng)疊加可得圖5所示的具有11級階梯電平的相電壓波形，線電壓波型具有21階梯電平，它相當(dāng)于30脈波變頻，理論上19次以下的諧波都可以抵消，總的電壓和電流失真率可分別低于1.2％和0.8％，堪稱完美無諧波變頻器。它的輸入功

圖4功率單元電路

圖5五功率單元串聯(lián)輸出電壓波形