中高壓變頻器主電路拓撲結構的分析比較

摘要：對中高壓變頻器幾種常見的主電路拓撲結構進行了分析比較，對不同電路結構的中高壓變頻器的可靠性、冗余設計、諧波含量及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。

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

1前言

眾所周知，大功率風機、水泵的變頻調速方案，可以收到顯著的節(jié)能效果，其直接經濟效益很大，宏觀經濟效益及社會效益則更大?？梢灶A計，大功率交流電機變頻調速新技術的發(fā)展是我國節(jié)能事業(yè)的主導方向之一。 目前，阻礙變頻調速技術在高壓大功率交流傳動中推廣應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速系統(tǒng)技術含量高，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速技術的推廣應用，因此如何解決高壓供電和用高技術生產出低成本高可靠性的變頻調速裝置是當前世界各國相關行業(yè)競相關注的熱點。 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，會使電路復雜，損耗增加；同時，器件的串聯(lián)對驅動電路的要求也大大提高，要盡量做到串聯(lián)器件同時導通和關斷，否則由于各器件開斷時間不一，承受電壓不均，會導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速中更為突出。諧波會污染電網，殃及同一電網上的其它用電設備，甚至影響電力系統(tǒng)的正常運行；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。

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中高壓變頻器主電路拓撲結構的分析比較

還有效率問題，變頻調速裝量的容量愈大，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構，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，必須設法盡量減少功率開關器件和變頻調速裝置的損耗。

可靠性和冗余設計問題，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的巨大損失，因此高壓變頻裝置設計中是否便于采用冗余設計及旁路控制功能也是至關重要的。

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、一致性的拓撲結構，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，國內外各變頻器生產廠商八仙過海，各有高招，因此其主電路結構不盡一致，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）公司生產的完美無諧波變頻器；洛克韋爾（AB）公司生產的Bulletin1557和PowerFlex7000系列變頻器，德國西門子公司生產的SIMOVERTMV中壓變頻器；瑞典ABB公司生產的ACS1000系列變頻器；意大利ANSALDO公司生產的SILCOVERTTH變頻器以及日本三菱、富士公司生產的完美無諧波變頻器和國內北京的凱奇、先行、利德華福公司和成都佳靈公司生產的高壓變頻器等。

本文對中高壓變頻器幾種常用的主電路拓撲結構進行了分析比較，對不同電路結構的中高壓變頻器的可靠性、冗余設計、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，其電路結構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，電機轉矩可快速變化而不影響磁通，綜合了脈寬調制和電流源結構的優(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構圖。

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機的參數(shù)有關，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，結構簡單，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，但同時使網側諧波增大，需加進線電抗器濾波才能滿足電網的要求，這也增加了體積和成本。

因為是直接高壓變頻，電網電壓和電機電壓相同，容易實現(xiàn)旁路控制功能，以便在裝置出現(xiàn)故障時將電機投入電網運行。

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，生產出功率為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）高達97％。達到這么高指標的原因是采用了三項新的

圖1Bulletin1557變頻器主電路結構圖

圖2多重化變頻器拓撲結構圖

圖3五功率單元串聯(lián)變頻器的電氣連接

高壓變頻技術：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；二是在輸入整流部分采用了多相多重疊加整流技術；三是在結構上采用了功率單元模塊化技術。

所謂多重化技術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)控制和以光導纖維隔離驅動。多重化技術從根本上解決了一般6脈沖和12脈沖變頻器所產生的諧波問題，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690V×5=3450V，所對應的線電壓為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△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)接組別來實現(xiàn)。

圖3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，單相輸出的低壓PWM電壓型逆變器。功率單元電路見圖4。每個功率單元輸出電壓為1、0、－1三種狀態(tài)電平，每相5個單元疊加，就可產生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。用這種多重化技術構成的高壓變頻器，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)來實現(xiàn)高壓輸出，所以不存在器件均壓的問題。每個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，由5對依次相移12°的三角載波對基波電壓進行調制。對A相基波調制所得的5個信號，分別控制A1～A5五個功率單元，經疊加可得圖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