目前高压变频器的特性论述

目前高压变频器的特性论述编者按】介绍了目前常用的几种高压变频器特性进行了对比分析。从中叙述了各种高压变频器的内含技术的不同，带来不同的变频器和运行系统的传动性能、稳定性、可靠性、使用寿命、维护费用等性价比的质量重要指标。做到明白的选用，才能得到使用理想、投入少、返回快、经济实用、真正的节能回报效果。前言目前，世界上对高压电动机变频调速技术的研究非常活跃，高压变频器的种类层出不穷，作为用户都希望能选择实用而具有良好性价比的高压变频器，如何选择便是值得研究的问题。知己知彼，百战百胜，首先按照自己的工况拟定对高压变频器的技术要求，针对性的选择高压变频器的方案、产品和售后服务，否则会出现应用不理想，投资损失大。不同高压变频器的电路拓扑方案具有不同的技术水平。技术水平决定变频器和传动系统的稳定性、可靠性、使用寿命、维护费用、性价比等重要指标。就如同笔记本电脑功能都基本相同，但不同的技术水平，质量价位从3000元到数万元之差。为此，了解不同种类的高压变频器内含技术水平，选择变频器的品质与工况相结合，达到投入少、节能回报率高的理想效果。1高压变频器的概念按国际惯例和我国国家标准对电压等级的划分，对供电电压≥10kV时称高压，1kV～10kV时称中压。我们习惯上也把额定电压为6kV或3kV的电机称为“高压电机”。由于相应额定电压1～10kV的变频器有着共同的特征，因此，我们把驱动1～10kV交流电动机的变频器称之为高压变频器。高压变频器又分为两种性质类型，电流型和电压型，其特点区别：变频器其主要功能特点为逆变电路。根据直流端滤波器型式，逆变电路可分为电压型和电流型两类。前者在直流供电输入端并联有大电容，一方面可以抑制直流电压的脉动，减少直流电源的内阻，使直流电源近似为恒压源；另一方面也为来自逆变器侧的无功电流提供导通路径。因此，称之为电压型逆变电路。在逆变器直流供电侧串联大电感，使直流电源近似为恒流源，这种电路称之为电流型逆变电路。电路中串联的电感一方面可以抑制直流电流的脉动，但输出特性软。电流型变频器是在电压型变频器之前发展起来的早期拓扑。2电压型逆变器与电流型逆变器的特点区别（1）直流回路的滤波环节。电压型逆变器的直流滤波环节主要采用大电容，因此电源阻抗小，相当于电压源。电流型逆变器的直流滤波环节主要采用大电感，相当于恒流源。（2）输出波形。电压型逆变器输出的电压波形是SPWM高频矩形载波，输出的电流波形在感性负载时近似于正弦波，含有部份的高次谐波分量，输入采用简易滤波，便可满足国家潜波含量标准。电流型变换器输出的电流波形是一个交变矩形波，其输出的电压波形接近正弦波，含有丰富的高次谐波分量，电机易发高热，一般使用时都要选用进口的特制电动机。输入谐波含量极高，须采用巨大，笨重的滤波器，方能使用。（3）四象限运行。电流型逆变器由于在其直流供电侧串联大电感，在维持电流方向不变的情况下，可控硅整流桥可改变电压极性，所以很容易使逆变器运行在整流状态，从而使整流桥处于逆变状态，实现四象限运行。电压型高压变频器只有二电平采用IGBT整流回馈，可四象限运行。（4）动态性能。电流型逆变器有大电感，电流动态响应较困难，需求动态力矩跟不上，特性软；电压型逆变器可以用电流反馈环控制，响应速度快，适应现代控制理论：高级的佳灵直接速度控制、富士矢量控制，ABB直接转矩控制，次之的空间电压矢量控制和转差优化F/U控制。在速度开环的条件下，可高速、高精度地实现对电机的磁通力矩控制，使电机特性可柔、可刚；动态性能尤好。（5）过流及短路保护是高压变频器关键的保护功能。电流型逆变器因回路中串有大电感，能抑制短路等故障时电流的上升率，故电流型逆变器的过流和短路保护容易实现，而一般的电压型逆变器则较为困难，只有二电平电压型高压变频器设有直流电感，可抑制di/dt的上升速率，易实现过流保护和短路保护。（6）对开关管的要求。电压型逆变器中的开关管要求关断时间短，但耐压较低；而电流型逆变器中的开关管对关断时间无严格要求，但耐压要求相对较高。（7）采用电流型逆变器需加两个电感，并且开关管截止时所承受的电压比电压型高的多。目前只有AB公司有该技术方案的产品。从上述区别中表明电压型高压变频器比电流型高压变频器更具应用前景。3四种电压型高压变频器的拓扑方式的特点3.1目前电压型高压变频器实现高压的拓扑方式近年来，随着电力电子技术应用的发展需要，促使电力电子器件快速发展；反过来，一代新器件或一项新技术一旦克服了老器件的某些缺点，就会推动包括变频器在内的电力电子应用装置出现革命性的变化。IGBT在90年代迅速发展，绝缘性、模块化与其工作频率可达20kHz，使变频器进入“静音”时代。它没有2次击穿的困扰，在380V、660V异步电动机变频调速的使用效果，被社会广泛接受，使得低电压变频器的发展，在目前进入大发展的全盛时期。在电压为1140V～3-10kV的高压电动机变频调速中，IGBT模块的工作电压己远远跟不上使用要求。由于IGBT元件目前IGBT作到3.3kV，IGCT作到4.5kV，但也不能满足直接使用的电压等级。又其性能差价格高昂，制造产品昂贵。由于IGBT元件串联后将出现的一些世界级技术难题，在高开关频率下的多环节动态dv/dt高峰值，线路电感、引线电感、母板技术、串联同步控制、动态均压等等，都使产品出现崩溃性的难点，被国内外业内研发专家列为研发的禁区。高压变频器究竟用什么器件，成为世界业内电气设计的研究创造的热门。因此，高压变频器在不同的历史时期，就有不同的技术与技术产品出现：A类：风机、水泵专用高压变频器。驱动对象：高压交流异步电动机风机、水泵专用（要求不高的平方转矩和对动态控制要求不高的工况）（1）高-低-高方式，采用降压变压器低压变频器特殊升压变压器电机；（2）12脉冲变压器整流IGBT三电平两电位重叠间接高压方式；（3）曲拆多脉冲变压器整流IGBT单元串联多电位重叠间接高压方式；注：间接—指在变频器变流环节中，存在利用了变压器来进行电压变换的过程。B类：通用高压变频器。驱动对象：高压交流异步电动机；高压交流同步电动机。负载通用类：（既可适用风机、水泵，也可使用于全程快速高转矩控制和四象限运行的各种机械传动控制。）（4）直接整流IGBT元件串联直接高压方式；3.2高-低-高方式电压变换方式：降压变压器（R1）低压变频器（R2）升压变压器（R3）电机（R4）。系统等效阻抗R=R1+R2+R3+R4输出变压器需特殊制造，成本高，功率因数低，效率低，自损耗大，笨重。系统性能差，可用于一般工艺调速，不宜于调速节能的应用。3.3IGBT三电平两电位重叠间接高压方式（简称：三电平高压变频器）电压变换方式：电源降压变压器（R1）IGBT三电平逆变器（R2）电机（R3）。系统等效阻抗R=R1+R2+R3（升压时加升压变压器阻抗R4）三电平高压变频器又称“中性点箝位式”（也称NPC(NeturalPointClamped中点箝位方式)高压变频器，这是近几年才开发和推出的一种高压变频器，高压变频调速系统采用中性点箝位三电平技术。变频器主要由输入12脉冲变压器、整流器、中性点箝位回路、三电平模式逆变器、输出滤波器、控制部分等组成。整流电路一般采用二极管，箝位采用高压快恢复二极管，逆变部分功率器件采用GTO、IGBT或IGCT。输出电压等级4.16kV。初期便用时由于输出电压与电机工作电压不直接匹配，对6KV须将高压电机“Y”接法改为“”接法。当变频器故障时，又改回去，工频运行。目前为可在输出端增设一个自耦升压变压器，可直接用于6KV和10KV高压电机，类似高--低--高方式。目前为ABB公司和西门子公司技术方案产品。3.3.1技术特征图1中性点箝位三电平PWM高压变频器主电路拓扑结构图由图1可以看出，该系列变频器采用类似传统的电压型变频器结构，关键技术在对中点上、下漂动处理，空载和轻载漂动小，随负载的加重或动态变化，电容难以支撑中点位，特别是各电容的容抗不等因素，箝位中点也稳不住，箝位电压随之浮动。中点的浮动的幅度大小，将会产生输出电压的非对称性，输出谐波，波形失真，共模电压的增大变化。其表现为，若输出端在不接电抗器，直接连高压电机运行，电动机会出现剧烈抖动和高热（这是任何一种方式变频器都不会产生的现象）。为此，三电平高压变频器不管电机离的远近，都须装输出电抗器，解决电机振动大,噪音大的缺陷。而共模电压的隐患导致电机绝缘老化问题。由于三电平逆变开关模式中存在的多点死区，而需长死区时间保障开关切换就带来很高的共模电压。其缺陷是由电路特点，硬件产生的，单靠优化控制软件，只能收到微小的效果。还需同佳灵JCS型一样，增加输出共模抑制器方可有效。三电平在输出电压较低时，实际上也相当于二电平的电压波形，其11、13、17次谐波含量仍很高，谐波电流仍很大。若不加滤波器，还只能用供应商的专用电动机，且其输出电压只能达4200V，实际上是在后面加上了升压变压器才能达到。3.3.2产品特点1）效率极低三电平变频器的结构简单，但二极管的增多、线路增多，况且每个IGBT的驱动波形不一致，也必将导致箝位和开关性能的不一致。功率元件的导通和关断是由箝位二极管来保证的。箝位二极管的耐压要求高，快恢复性能好，主器件数量多，致使系统结构相对复杂，而且扩展能力有限。2）变频器容量需增大20%，投资高开关器件的导通负荷不一致。靠近母线的开关和靠近输出端的导通负荷不平衡，这样应导致开关器件的电流等级不同。在电路中，如果按导通负荷最严重的情况设计器件的电流等级，则每相有2*(m-2)个外层器件的电流等级过大，造成浪费。变频器输出线电压4.16kV，电机三角形接法为3.3kV，变频器输出必降压设定为3.3kV。变频器将产生无用功率为：4.16kV—3.3kV=0.86kV在使用选型时，变频器的容量至少需增加20%的匹配容量，而增大投资。3）由于需星/三角变换装置，才能实现工频/变频切换对于6kV高压电机，三电平变频器采用Ｙ/△改接的办法，将Ｙ型接法的6kV电机改为△接法。但在进行了Ｙ/△改接后，电机的电压与电网的电压不一致，无法实现旁路功能，当变频器出现故障时，又要保证生产的正常进行，必须首先将电机改回Ｙ型接法，再投入6kV电网。为此，电机的改接必须加装Ｙ/△切换柜实现，以便实现旁路功能。4）输出谐波含量大，需要专用变频电机。由于三电平变频器，所固有的输出波形中含高的谐波分量，使得输出性能不良好。输出电流、电压波形见图2。低速区变频器的波形极差，基本上不能满足工况的要求。因此，在变频器的输出侧必须配置LC滤波器才能用于普通的鼠笼型电机。同样由于谐波的原因，电动机的功率因数和效率、甚至寿命都会受到一定的影响，只有在额定工况点才能达到最佳的工作状态，但随着转速的下降，功率因数和效率都会相应降低。输出电压谐波5.、7高，11次、13次谐波达到20%以上，会引起电动机谐波无功发热、转矩脉动，这对电缆和电动机都是致命的影响。因此，外商一般都力荐采用专用电动机。3.4单元串联多重化变频器曲拆多脉冲变压器整流IGBT单元串联多电位重叠间接高压方式电压变换方式：电源变压器（R1）单元串联变频器（R2）电机（R3）系统等效阻抗R=R1+R2+R33.4.1主电路单元串联多重化技术高压变频器，是利用移相主变压器降压，再通过多个低压单相变频器（图3a）串联和控制器结构组成。各功率单元由一个曲拆多绕组的移相主变压器降压供电。变压器是单元串联高压变频器设备电路结构中的一个重要部件。3kV有12个功率单元，每4个功率单元串联构成一相。6kV系列有15个功率单元，每5个功率单元串联构成一相。10kV系列有21个功率单元，每7个功率单元串联构成一相。移相变压器中，变频器6kV时需要3×5个绕组，引出主接线头48根，（10kV时需3×7个绕组，引出主接线头66根，）。变压器输入端采用内部三角形，输出为外部星形的延边三角形接法，见图3。所谓多重化技术就是每相由几个低压PWM功率单元串联组成，各功率单元由一个多绕组的隔离变压器多级移相叠加的整流方式供电，由CPU实现控制