張選正， 倪 芳

(索肯和平(上海)電氣有限公司，上海 201908)

0 引言

目前國內生產中、高壓變頻器的公司有將近50家，其主電路是同類型的，即單元串聯多電平拓撲型式，今年國外少數公司已由多繞組移相輸入變壓器，改為多相整流輸入變壓器，輸出亦由H橋式單相二電平改為三電平，這樣使結構簡化，使用器件減少，性能更優(yōu)越，成本亦下降，值得借鑒。

1 國產高壓變頻器主電路型式

國產中高壓變頻器問世已有10年以上的時間，近5年來發(fā)展異常迅速，現在市場上可見的主電路型式有以下三種:

(1)二電平高進高出無需變壓器的型式，由四川省佳靈電氣有限公司自制研發(fā)，如圖1所示。

圖1 IGBT直接串聯中高壓變頻器

(2)三電平需要輸入三繞組變壓器的型式。國內已有產品是科孚德機電(上海)有限公司、三菱東芝合作的提邁克TMIEC，廣東明陽龍源電力電子有限公司，國電南京自動化股份有限公司等，如圖2所示。

(3)多電平需要輸入移相多繞組變壓器的型式為絕大多數，約占國有品牌的80%，使用占有率亦是首位。全國約有50家以上同類型產品，如圖3所示。

圖2 采用高壓IGBT的三電平高壓變頻調速系統

圖3 單元串聯多電平變頻器原理

2 單元串聯多電平中高壓變頻器的控制型式

單元串聯的電平中高壓變頻器大多數是壓頻U/F控制，或空間矢量脈寬調制(Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM)控制為主體的，它適用于一般通用設備，如水泵、風機、空壓機等。近幾年來少數廠家已試制成功無速度傳感器的矢量控制及直接轉矩控制，而且四象限運行，具有能量回饋功能的更新一代的變頻器，特別是礦用變頻器必須是防爆的，要解決散熱問題，還要防止電磁干擾、諧波治理、電磁兼容等問題。近5年來礦用變頻器和軟起動器是個熱門行業(yè)，急待開發(fā)3 300～6 000 V中高壓礦用變頻器。在工變頻自動切換方面，近年亦有新的發(fā)展，如深圳市微能科技有限公司對頻率跟蹤實現無擾動雙向切換;深圳市英威騰電氣股份有限公司對相位跟蹤實現無沖擊雙向切換;深圳市庫馬克新技術股份有限公司有當短時停電后來電，轉速自動跟蹤到停電前的轉速，以及所謂變頻節(jié)能寶控制及故障語音提示等功能。

3 單元串聯多電平中高壓變頻器的優(yōu)越性

單元串聯多電平中變壓變頻器由美國羅賓康ROBINCON公司研制成功，并于1995年問世，有綠色無諧波的美稱，直至今天也不衰落，它較好地解決了當時諧波處理無辦法及IGBT耐壓較低、價格昂貴以及二者技術上的難點與生產應用需要上的矛盾。其主要方法如下:

(1)通過輸入變壓器二次繞組的移相技術，如 +24°、+12°、0°、-12°、-24°，如圖 3(a)所示，把一次電路中產生的諧波相互抵消，從源頭就大大減少了諧波分量，以致發(fā)熱及損耗大為減少，使輸出電壓和電流諧波指標低于國際標準值IEEE519-92，電流THD ＜3%，電壓THD＜5%，取得了良好的效果。

(2)功率單元輸出電壓是單相的，如圖3(b)所示，有690 V或1 155 V(用于10 kV輸出電壓)，將其串聯(3～9個，按其輸出電壓大小而定)，這樣可使用的IGBT電壓等級為1 700 V，具有市場有貨源、價格不高、質量穩(wěn)定等特點，實質是單相的低中電壓，幾個串聯成較高相電壓，最后接成Y形輸出高壓(線電壓)的方式，即用低壓器件電路串接后成高壓，這樣既省錢，又便于故障快速處理，冗余度亦大。

(3)功率單元電路輸入是三相的，輸出為單相的，其正弦脈寬調制(Sin-Wave Pulse Width Modulation，SPWM)是用4個IGBT組成H型橋式電路，是個二電平的，因此輸出線電壓是多電平的，且每級之間電壓值相差較小，具有du/dt相應較低的優(yōu)越性。

(4)縱觀以上三個特點，可以認為這種單元串聯多電平的中高壓變頻器，實質上不是真正高壓的，而是低壓單元通過特定方法和手段，組成3 kV、6 kV、10 kV所謂的高壓變頻器，實質是假高壓(準高壓，相當高壓，過渡性)變頻器，在當年是可采用的，但其具有使用器件數量多、電路復雜、連接點多、結構龐大、造價高昂、重量體積大、可靠性差等不足之處，現已急待改進。

4 目前單元串聯多電平電路的不足

(1)移相輸入變壓器，尤其是二次繞組數量多，繞組型式多種，有延邊、Y、Δ，因此結構、工藝都較復雜，體積大、重量大、散熱大，一般都是干式的，選冷軋結晶硅鋼片制造，造價較貴，該變壓器要占約40%以上的整機價值，可以不用移相方式，而選用多相脈沖輸入、相同型式的繞組整流變壓器來替代。目前國外如瑞士ABB、日本富士、德國施耐德已有新產品問世，經實踐應用測試，效果不錯，甚至更優(yōu)越，超過移相方法，且整機價格會下降。

(2)功率單元輸出是H型橋式，單相二電平，其電路較簡單，但綜合性能不是最佳的，但可改為三電平橋式，如圖4所示。根據三電平高壓變頻器實踐應用結果，三電平比二電平有下列明顯優(yōu)勢:

①輸出電流更接近正弦波(見圖5)，諧波含量更小(見表1)。

圖4 三電平橋式功率單元

圖5 三電平橋式輸出電壓電流

表1 三電平橋式功率單元

②輸出電壓峰值只有二電平的1/2，可直接用于普通電動機，不需加LC濾波器。

③輸出漏電流只有二電平的1/2(即共模電流更小)。

④輸入干擾較二電平降低約20 dB。

⑤可選用IGBT范圍更寬(可做機型多，散熱面積大)，耐壓可降低，安全系數可更高，成本亦下降。

(3)通過上述三條改進后，使高壓變頻器結構簡化，減少器件使用數量，電路更簡化，連接點減少，可靠性更高，性能亦更好，指標亦更高，具有真正的高壓變頻器應該具有的各項性能技術要求。

5 多相整流輸入，三電平輸出的改進方法及性能介紹

根據資料介紹對不同輸出電壓，如3 kV、6 kV、10 kV采用多相整流，如表2所示。

(1)多相整流輸入性能介紹。

表2 不同輸出電壓時多相整流輸入性能

(2)電源側電壓、電流波形如圖6所示。

圖6 多相整流輸入、三電平輸出時電源側電壓電流波形

(3)高次諧波電流含有率如表3所示。

表3 多次諧波電流含有率

(4)整機性能:綜合效率97%，功率因數大于0.95，如圖7所示。功率因數數據在3.3 kV，390 kVA時的輸出為315 kW，是額定速度運行時的計算數據。另外，效率數據是選用標準4極的電動機驅動時的數據。輸出電壓、電流波形如圖8所示。

圖7 整機綜合效率及功率因數曲線

(5)控制方式為矢量控制，無速度矢量傳感器控制或直接轉矩控制及可四象限運行，具有能量回饋功能。

圖8 輸出電壓、電流波形

(6)主回路構成如圖9所示。FRENIC4600FM5e系列變頻器結構如圖9(a)所示，10 kV級別變頻器由輸入變壓器和15個變頻單元構成(6 kV級別由9個變頻單元構成，3 kV級別由6個變頻單元構成)。

圖9 多電路構成

每個變頻器單元是一個單相三電平變頻器，可以獲得輸出電壓1 155 V。如圖9(a)所示，10 kV等級每一相有5個變頻器單元串聯，相電壓約 5 775 V。三相以星形連接，可以得到10 000 V線電壓。此外，單相三電平變頻器與單相二電平變頻器相比，每個變頻器單元的輸出電壓可以大2倍，因此只需要用較少的變頻器單元就可以得到10、6、3 kV電壓。這樣，制造成本就下降了。

(7)工變頻旁路切換相位同步跟蹤如圖10(a)、(b)所示，能做到工頻切換變頻或變頻切換工頻的無沖擊切換。通過按系統電壓進行相位控制，可以實現從變頻驅動切換到工頻電源驅動，或從工頻電源驅動切換到變頻驅動的無沖擊切換。

圖10 工變頻旁路切換相位同步跟蹤圖

同步投入-解列功能:選件。此功能需要在變頻器輸出側配置電抗器。

①在變頻器的輸出側設置切換控制柜(選件)，可以切換到工頻(電網)起動回路運轉。

由此構成雙回路電機驅動電源，只要切換到工頻電網上即可讓電機在額定轉速上運轉。

②當電壓發(fā)生瞬時降低時，可以根據用途選擇運轉方式。選擇瞬時電壓降低為重故障。變頻器重故障停止，電機處于自由停車狀態(tài)。選擇自由停車再起動(選件)。變頻器停止運轉，電機處于自由停車狀態(tài)。電源復電時通過速度搜索功能，讓正在自由停車減速中或者已經停止的電動機自動再加速。選擇瞬時電壓降低時繼續(xù)運轉(選件)。即使瞬時電壓降低，電機也不會處于自由停車狀態(tài)，變頻器可以繼續(xù)運轉。電源電壓恢復后，立刻再加速，恢復運轉速度。

(8)冷卻散熱:風冷 ＜5 000 kW，水冷 ＞5 000～22 000 kW，逆變器模塊可用 IGBT或IGCT。

(9)應用范圍:電力如風機、水泵;采礦選礦如破碎機、風機、泵、壓縮機、起重機、皮帶機、吊籠、升降機;水處理如泵、鼓風機;石油天然氣如泵、壓縮機、鼓風機;水電站如水泵、閘門提升下降;港口碼頭如起重機、皮帶輸送機等。

6 結 語

單元串聯多電平主電路經過上述分析，應及早改進，二電平及三電平主電路各有千秋，用戶可根據自己的設備特性、使用要求、經濟實力，各取所需。

［1］張選正，中高壓變頻器應用技術［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2007.

［2］李練兵，變頻器應用與實踐［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2009.