變頻與傳動之高壓變頻器原理及應(yīng)用

隨著現(xiàn)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(diào)速裝置不斷地成熟起來，原來一直難于解決的高壓問題，近年來通過器件串聯(lián)或單元串聯(lián)得到了很好的解決。其應(yīng)用領(lǐng)域和范圍也越來越為廣范，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。

1.引言

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

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單相變頻器串聯(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，用高速微處理器實現(xiàn)控制和以光導(dǎo)纖維隔離驅(qū)動。但其存在以下缺點：

a)使用的功率單元及功率器件數(shù)量太多，6kV系統(tǒng)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題；

b)所需高壓電纜太多，系統(tǒng)的內(nèi)阻無形中增大，接線太多，故障點相應(yīng)的增多；

c)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，從而諧波也相應(yīng)的增大，勉強運行時終 究會導(dǎo)致電動機的損壞；

d)輸出電壓波形在額定負載時尚好，低于25Hz以下畸變突出；

d)輸出電壓波 形在額定負載時尚好，低于25Hz以下畸變突出；

e)由于系統(tǒng)中存在著變壓器，系統(tǒng)效率再提高不容易實現(xiàn);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(chǎn)生的內(nèi)部環(huán)流，必將引起內(nèi)阻的 增加和電流的損耗，也相應(yīng)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，也就影響了整個高壓變頻器的效率。這 種情況在越低于額定負荷運行時，越是顯著。10kV時，變壓器有近400個接頭、近百根電纜。在額定負荷時效率可達96%，但在輕負荷時，效率低于90%。

(2)中性點鉗位三電平PWM變頻器

該系列變頻器采用傳統(tǒng)的電壓型變頻器結(jié)構(gòu)。中性點鉗位三電平PWM變頻器的逆變部 分采用傳統(tǒng)的三電平方式，所以輸出波形中會不可避免地產(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(cè)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(zhuǎn)速的下降，功率因數(shù)和效率都會相應(yīng)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的耐壓有限的問題，但此種方式，不僅增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，而且降低了多重化冗余性能好和三電平結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點。因此此類變頻器實際上并不可取。

此類型變頻器的性能價格優(yōu)勢并不大，與其同時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路中串聯(lián)大電感，再將SCR(或GTO、 SGCT等)開關(guān)速度較慢的功率器件直接串聯(lián)而構(gòu)成的。

這種方式雖然使用功率器件少、易于控制電流，但是沒有真正解決高壓功率器 件的串聯(lián)問題。因為即使功率器件出現(xiàn)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，但帶來的問題是對電網(wǎng)污染嚴(yán)重、功率因數(shù)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 主電路簡介



圖1.IGBT直接串聯(lián)高壓變頻

如圖1所示，圖中系統(tǒng)由電網(wǎng)高壓直接經(jīng)高壓斷路器進入變頻器，經(jīng)過高壓二極管全橋整流、直流平波電抗器和電容濾波，再通過 逆變器進行逆變，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。

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(yīng)用獨特而簡單的控制技術(shù)成功設(shè)計出的一種無輸入輸出變壓器、IGBT直接串聯(lián)逆變、輸出效率達98%的高壓調(diào)速系統(tǒng)。

對于需要快速制動的場合，采用直流放電制動裝置，如圖2所示：



圖2.具有直流放電制動裝置的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合，或輸入電源側(cè)短路容量較小時，也可采用如圖3所示的PWM整流電路，使輸入 電流也真正實現(xiàn)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(jù)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(quán)威人士所言:“IGBT是不能串聯(lián)的。因為開關(guān)時間短，微秒級，很難保證所有管子串聯(lián)同時開關(guān)。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1200V的管子加上6000V，只能燒掉，一燒一串，不可能串聯(lián)。”

(2)正弦波技術(shù)

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

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(yīng)采用三電平。”，這種說法可能不太全面。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，近年來發(fā)現(xiàn)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)鍵問題之一。共模電壓(也叫零序電壓)，是指電動機定子繞組的中心點和地之間的電壓。

共模電壓也是對外產(chǎn)生干擾的原因，特別是長線傳輸設(shè)備。無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(jù)共模電