中高壓變頻器的分類和比較

1 概述

目前，世界上的高壓變頻器不像低壓變頻器那樣具有成熟的一致性的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而是限于功率器件的電壓耐量和高壓使用條件的矛盾，國內(nèi)外各變頻器生產(chǎn)廠商，采用不同的功率器件和不同的主電路結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)各種拖動(dòng)設(shè)備的要求，因而在各項(xiàng)性能指標(biāo)和適用范圍上也各有差異。

根據(jù)有無直流環(huán)節(jié)而將高壓變頻器分為兩大類：

1）無直流環(huán)節(jié)的變頻器，即交—交變頻器；

2）有直流環(huán)節(jié)的變頻器稱為交—直—交變頻器，其中直流環(huán)節(jié)采用大電感以平抑電流脈動(dòng)的變頻器稱為電流源型變頻器；直流環(huán)節(jié)采用大電容以抑制電壓波動(dòng)的變頻器則稱為電壓源型變頻器。

電流源型變頻器又可以分為：

——負(fù)載換向式（晶閘管）變頻器（LCI）；

——采用自關(guān)斷器件（GTO或SGCT）的變頻器。

電壓源型變頻器則可以分為：

——功率器件串聯(lián)二電平直接高壓變頻器；

——采用IGCT或HV－IGBT的三電平變頻器；

——采用LV－IGBT的單元串聯(lián)多電平變頻器。

將上述歸納起來如圖1所示。

（a） 交—交變頻器

（b） 電流源型變頻器

（c） 電壓源型變頻器

圖1 3種高壓變頻器框圖

2 交—交變頻器（CYCLO）

交—交變頻器是采用晶閘管實(shí)現(xiàn)的無直流環(huán)節(jié)的直接由交流到交流的變頻器，也叫做周波換流器。當(dāng)電壓在3kV以下時(shí)，每相要用12只晶閘管，三相共36只；當(dāng)電壓超過3kV時(shí)，晶閘管必須串聯(lián)使用，所用的晶閘管要成倍增加。其電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

（a） 星形接法 （b） 三角形接法

圖2 交—交變頻器主電路結(jié)構(gòu)

其優(yōu)點(diǎn)是可用于驅(qū)動(dòng)同步和異步電機(jī)；堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩和保持轉(zhuǎn)矩大；動(dòng)態(tài)過載能力強(qiáng)；可四象限運(yùn)行；電機(jī)功率因數(shù)可為cosφ=1；極佳的低速性能；弱磁工作范圍廣；轉(zhuǎn)矩質(zhì)量高；效率高。

其主電路結(jié)構(gòu)，電壓電流波形分別如圖2、圖3所示。

圖3 交—交變頻器的電流電壓波形

其缺點(diǎn)是功率因數(shù)與速度有關(guān)，低速時(shí)功率因數(shù)低；最大輸出頻率為電源頻率的 1/n（n=2，3，……）；最大轉(zhuǎn)速500r/m；網(wǎng)側(cè)諧波大。

適用于軋鋼機(jī)，船舶主傳動(dòng)和礦石粉碎機(jī)等低速轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備。

3 負(fù)載換向式（晶閘管）變頻器（LCI）

適用于同步電機(jī)加轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器的高速高頻調(diào)速傳動(dòng)場(chǎng)合，可實(shí)現(xiàn)近似于直流電機(jī)的調(diào)速特性（無換向器電機(jī)），可省去維護(hù)困難的機(jī)械式換向器和電刷。功率范圍可達(dá)100MW以上，轉(zhuǎn)速可以大于7000r/m，電壓范圍可達(dá)1～23kV。

其主電路結(jié)構(gòu)，電壓電流波形，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)分別如圖4、圖5、圖6所示。

圖4 LCI變頻器主電路結(jié)構(gòu)