1 引言 　　目前，世界上對(duì)高壓電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)的研究非?；钴S，高壓變頻器的種類(lèi)層出不窮，作為用戶(hù)都希望能選擇實(shí)用而具有良好性?xún)r(jià)比的高壓變頻器，如何選擇便是值得研究的問(wèn)題。知己知彼，百戰(zhàn)百勝，首先按照自己的工況擬定對(duì)高壓變頻器的技術(shù)要求，針對(duì)性的選擇高壓變頻器的方案、產(chǎn)品和售后服務(wù)，否則會(huì)出現(xiàn)應(yīng)用不理想，投資損失大。不同高壓變頻器的電路拓?fù)浞桨妇哂胁煌募夹g(shù)水平。技術(shù)水平?jīng)Q定變頻器和傳動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、使用壽命、維護(hù)費(fèi)用、性?xún)r(jià)比等重要指標(biāo)。就如同筆記本電腦功能都基本相同，但不同的技術(shù)水平，質(zhì)量?jī)r(jià)位從3000元到數(shù)萬(wàn)元之差。為此，了解不同種類(lèi)的高壓變頻器內(nèi)含技術(shù)水平，選擇變頻器的品質(zhì)與工況相結(jié)合，達(dá)到投入少、節(jié)能回報(bào)率高的理想效果。 2 高壓變頻器的概念 　　按國(guó)際慣例和我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電壓等級(jí)的劃分，對(duì)供電電壓≥10kV時(shí)稱(chēng)高壓，1kV～10kV時(shí)稱(chēng)中壓。我們習(xí)慣上也把額定電壓為6kV或3kV的電機(jī)稱(chēng)為高壓電機(jī)。由于相應(yīng)額定電壓1～10kV的變頻器有著共同的特征，因此，我們把驅(qū)動(dòng)1～10kV交流電動(dòng)機(jī)的變頻器稱(chēng)之為高壓變頻器。高壓變頻器又分為兩種性質(zhì)類(lèi)型，電流型和電壓型，其特點(diǎn)區(qū)別: (1) 變頻器其主要功能特點(diǎn)為逆變電路。根據(jù)直流端濾波器型式，逆變電路可分為電壓型和電流型兩類(lèi)。前者在直流供電輸入端并聯(lián)有大電容，一方面可以抑制直流電壓的脈動(dòng)，減少直流電源的內(nèi)阻，使直流電源近似為恒壓源;另一方面也為來(lái)自逆變器側(cè)的無(wú)功電流提供導(dǎo)通路徑。因此，稱(chēng)之為電壓型逆變電路。 (2) 在逆變器直流供電側(cè)串聯(lián)大電感，使直流電源近似為恒流源，這種電路稱(chēng)之為電流型逆變電路。電路中串聯(lián)的電感一方面可以抑制直流電流的脈動(dòng)，但輸出特性軟。電流型變頻器是在電壓型變頻器之前發(fā)展起來(lái)的早期拓?fù)洹? 3 電壓型逆變器與電流型逆變器的特點(diǎn)區(qū)別 (1) 直流回路的濾波環(huán)節(jié) 　　電壓型逆變器的直流濾波環(huán)節(jié)主要采用大電容，因此電源阻抗小，相當(dāng)于電壓源。電流型逆變器的直流濾波環(huán)節(jié)主要采用大電感，相當(dāng)于恒流源。 (2) 輸出波形 　　電壓型逆變器輸出的電壓波形是SPWM高頻矩形載波，輸出的電流波形在感性負(fù)載時(shí)近似于正弦波，含有部份的高次諧波分量，輸入采用簡(jiǎn)易濾波，便可滿(mǎn)足國(guó)家諧波含量標(biāo)準(zhǔn)。電流型變換器輸出的電流波形是一個(gè)交變矩形波，其輸出的電壓波形接近正弦波，含有豐富的高次諧波分量，電機(jī)易發(fā)高熱，一般使用時(shí)都要選用進(jìn)口的特制電動(dòng)機(jī)。輸入諧波含量極高，須采用巨大，笨重的濾波器，方能使用。 (3) 四象限運(yùn)行 　　電流型逆變器由于在其直流供電側(cè)串聯(lián)大電感，在維持電流方向不變的情況下，可控硅整流橋可改變電壓極性，所以很容易使逆變器運(yùn)行在整流狀態(tài)，從而使整流橋處于逆變狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行。電壓型高壓變頻器只有二電平采用IGBT整流回饋，方可四象限運(yùn)行。 (4) 動(dòng)態(tài)性能 　　電流型逆變器有大電感，電流動(dòng)態(tài)響應(yīng)較困難，需求的動(dòng)態(tài)力矩跟不上，特性軟;而電壓型逆變器可以用電流反饋環(huán)控制，響應(yīng)速度快，適應(yīng)現(xiàn)代控制理論:高級(jí)的佳靈直接速度控制、富士矢量控制，ABB直接轉(zhuǎn)矩控制，次之的空間電壓矢量控制和轉(zhuǎn)差優(yōu)化F/U控制。在速度開(kāi)環(huán)的條件下，可高速、高精度地實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的磁通力矩控制，使電機(jī)特性可柔、可剛;動(dòng)態(tài)性能尤好。 (5) 過(guò)流及短路保護(hù)是高壓變頻器關(guān)鍵的保護(hù)功能 　　電流型逆變器因回路中串有大電感，能抑制短路等故障時(shí)電流的上升率，故電流型逆變器的過(guò)流和短路保護(hù)容易實(shí)現(xiàn)，而一般的電壓型逆變器則較為困難，只有二電平電壓型高壓變頻器設(shè)有直流電感，可抑制di/dt的上升速率，易實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)和短路保護(hù)。 (6) 對(duì)開(kāi)關(guān)管的要求 　　電壓型逆變器中的開(kāi)關(guān)管要求關(guān)斷時(shí)間短，但耐壓較低;而電流型逆變器中的開(kāi)關(guān)管對(duì)關(guān)斷時(shí)間無(wú)嚴(yán)格要求，但耐壓要求相對(duì)較高。 (7) 采用電流型逆變器需加兩個(gè)電感，并且開(kāi)關(guān)管截止時(shí)所承受的電壓比電壓型高的多。目前只有AB公司有該技術(shù)方案的產(chǎn)品。 從上述區(qū)別中表明電壓型高壓變頻器比電流型高壓變頻器更具應(yīng)用前景。 4 四種電壓型高壓變頻器的拓?fù)浞绞降奶攸c(diǎn) 4.1 目前電壓型高壓變頻器實(shí)現(xiàn)高壓的拓?fù)浞绞? 　　近年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展需要，促使電力電子器件快速發(fā)展;反過(guò)來(lái)，一代新器件或一項(xiàng)新技術(shù)一旦克服了老器件的某些缺點(diǎn)，就會(huì)推動(dòng)包括變頻器在內(nèi)的電力電子應(yīng)用裝置出現(xiàn)革命性的變化。 　　IGBT在90年代迅速發(fā)展，絕緣性、模塊化與其工作頻率可達(dá)20kHz，使變頻器進(jìn)入靜音時(shí)代。它沒(méi)有二次擊穿的困擾，在380V、660V異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的使用效果，被社會(huì)廣泛接受，使得低電壓變頻器的發(fā)展，在目前進(jìn)入大發(fā)展的全盛時(shí)期。 　　在電壓為1140V至3~10kV的高壓電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速中，IGBT模塊的工作電壓己遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上使用要求。由于IGBT元件目前IGBT作到3.3kV，IGCT作到4.5kV，但也不能滿(mǎn)足直接使用的電壓等級(jí)。又其性能差價(jià)格高昂，制造產(chǎn)品昂貴。由于IGBT元件串聯(lián)后將出現(xiàn)的一些世界級(jí)技術(shù)難題，在高開(kāi)關(guān)頻率下的多環(huán)節(jié)動(dòng)態(tài)dv/dt高峰值，線路電感、引線電感、母板技術(shù)、串聯(lián)同步控制、動(dòng)態(tài)均壓等等，都使產(chǎn)品出現(xiàn)崩潰性的難點(diǎn)，被國(guó)內(nèi)外業(yè)內(nèi)研發(fā)專(zhuān)家列為研發(fā)的禁區(qū)。高壓變頻器究竟用什么器件，成為世界業(yè)內(nèi)電氣設(shè)計(jì)的研究創(chuàng)造的熱門(mén)。因此，高壓變頻器在不同的歷史時(shí)期，就有不同的技術(shù)與技術(shù)產(chǎn)品出現(xiàn): (1) A類(lèi):風(fēng)機(jī)、水泵專(zhuān)用高壓變頻器 驅(qū)動(dòng)對(duì)象:高壓交流異步電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)的風(fēng)機(jī)、水泵專(zhuān)用(要求不高的平方轉(zhuǎn)矩和對(duì)動(dòng)態(tài)控制要求不高的工況); 高-低-高方式，采用降壓變壓器→低壓變頻器→特殊升壓變壓器→電機(jī); 12脈沖變壓器→整流→IGBT三電平兩電位重疊間接高壓方式; 曲折多脈沖變壓器→整流→IGBT單元串聯(lián)多電位重疊間接高壓方式。 注:間接—指在變頻器變流環(huán)節(jié)中，存在利用了變壓器來(lái)進(jìn)行電壓變換的過(guò)程。 (2) B類(lèi):通用高壓變頻器 驅(qū)動(dòng)對(duì)象:高壓交流異步電動(dòng)機(jī);高壓交流同步電動(dòng)機(jī)。 (3) 負(fù)載通用類(lèi) 既可適用風(fēng)機(jī)、水泵，也可使用于全程快速高轉(zhuǎn)矩控制和四象限運(yùn)行的各種機(jī)械傳動(dòng)控制; (4) 直接整流→IGBT元件串聯(lián)直接高壓方式。 4.2 高-低-高方式 電壓變換方式:降壓變壓器(R1)→低壓變頻器(R2) 升壓變壓器(R3)→電機(jī)(R4)。 系統(tǒng)等效阻抗R=R1+R2+R3+R4  輸出變壓器需特殊制造，成本高，功率因數(shù)低，效率低，自損耗大，笨重。系統(tǒng)性能差，可用于一般工藝調(diào)速，不宜于調(diào)速節(jié)能的應(yīng)用。 4.3 IGBT三電平兩電位重疊間接高壓方式(簡(jiǎn)稱(chēng):三電平高壓變頻器 ) 電壓變換方式:電源→降壓變壓器(R1)→IGBT三電平逆變器(R2)→電機(jī)(R3)。 系統(tǒng)等效阻抗R=R1+R2+R3(升壓時(shí)加升壓變壓器阻抗R4) 三電平高壓變頻器又稱(chēng)中性點(diǎn)箝位式(也稱(chēng)NPC(Netural Point Clamped中點(diǎn)箝位方式)高壓變頻器，這是近幾年才開(kāi)發(fā)和推出的一種高壓變頻器，高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)采用中性點(diǎn)箝位三電平技術(shù)。變頻器主要由輸入12脈沖變壓器、整流器、中性點(diǎn)箝位回路、三電平模式逆變器、輸出濾波器、控制部分等組成。  整流電路一般采用二極管，箝位采用高壓快恢復(fù)二極管，逆變部分功率器件采用GTO、IGBT或IGCT。輸出電壓等級(jí)4.16kV。 初期使用時(shí)，由于輸出電壓與電機(jī)工作電壓不直接匹配，對(duì)6kV須將高壓電機(jī)Y接法改為Δ接法。當(dāng)變頻器故障時(shí)，又改回去，工頻運(yùn)行。 目前為可在輸出端增設(shè)一個(gè)自耦升壓變壓器，可直接用于6kV和10kV高壓電機(jī)，類(lèi)似高—低—高方式。目前為ABB公司和西門(mén)子公司技術(shù)方案產(chǎn)品。

4.3.1技術(shù)特征

圖1 中性點(diǎn)箝位三電平PWM高壓變頻器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

　　由圖1可以看出，該系列變頻器采用類(lèi)似傳統(tǒng)的電壓型變頻器結(jié)構(gòu)，關(guān)鍵技術(shù)在對(duì)中點(diǎn)上、下漂動(dòng)處理，空載和輕載漂動(dòng)小，隨負(fù)載的加重或動(dòng)態(tài)變化，電容難以支撐中點(diǎn)位，特別是各電容的容抗不等因素，箝位中點(diǎn)也穩(wěn)不住，箝位電壓隨之浮動(dòng)。中點(diǎn)的浮動(dòng)的幅度大小，將會(huì)產(chǎn)生輸出電壓的非對(duì)稱(chēng)性，輸出諧波，波形失真，共模電壓的增大變化。其表現(xiàn)為，若輸出端在不接電抗器，直接連高壓電機(jī)運(yùn)行，電動(dòng)機(jī)會(huì)出現(xiàn)劇烈抖動(dòng)和高熱(這是任何一種方式變頻器都不會(huì)產(chǎn)生的現(xiàn)象)。為此，三電平高壓變頻器不管電機(jī)離的遠(yuǎn)近，都須裝輸出電抗器，以解決電機(jī)振動(dòng)大,噪音大的缺陷。而共模電壓的隱患導(dǎo)致電機(jī)絕緣老化問(wèn)題。由于三電平逆變開(kāi)關(guān)模式中存在的多點(diǎn)死區(qū)，而需長(zhǎng)死區(qū)時(shí)間保障開(kāi)關(guān)切換就帶來(lái)很高的共模電壓。其缺陷是由電路特點(diǎn)，硬件產(chǎn)生的，單靠?jī)?yōu)化控制軟件，只能收到微小的效果。還需同佳靈JCS型一樣，增加輸出共模抑制器方可有效。 　　三電平在輸出電壓較低時(shí)，實(shí)際上也相當(dāng)于二電平的電壓波形，其11、13、17次諧波含量仍很高，諧波電流仍很大。若不加濾波器，還只能用供應(yīng)商的專(zhuān)用電動(dòng)機(jī)，且其輸出電壓只能達(dá)4200V，實(shí)際上是在后面加上了升壓變壓器才能達(dá)到。 4.3.2 產(chǎn)品特點(diǎn) (1) 效率極低 　　三電平變頻器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但二極管的增多、線路增多，況且每個(gè)IGBT的驅(qū)動(dòng)波形不一致，也必將導(dǎo)致箝位和開(kāi)關(guān)性能的不一致。功率元件的導(dǎo)通和關(guān)斷是由箝位二極管來(lái)保證的。箝位二極管的耐壓要求高，快恢復(fù)性能好，主器件數(shù)量多，致使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，而且擴(kuò)展能力有限。 (2) 變頻器容量需增大20%，投資高 　　開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通負(fù)荷不一致?？拷妇€的開(kāi)關(guān)和靠近輸出端的導(dǎo)通負(fù)荷不平衡，這樣就導(dǎo)致開(kāi)關(guān)器件的電流等級(jí)不同。在電路中，如果按導(dǎo)通負(fù)荷最嚴(yán)重的情況設(shè)計(jì)器件的電流等級(jí)，則每相有2×(m-2)個(gè)外層器件的電流等級(jí)過(guò)大，造成浪費(fèi)。變頻器輸出線電壓為4.16kV，電機(jī)三角形接法為3.3kV，變頻器輸出必降壓設(shè)定為 3.3kV。變頻器將產(chǎn)生無(wú)用功率為:4.16kV-3.3kV=0.86kV。在使用選型時(shí)，變頻器的容量至少需增加20%的匹配容量，從而增大投資。 (3) 由于需星/三角變換裝置，才能實(shí)現(xiàn)工頻/變頻切換 　　對(duì)于6kV高壓電機(jī)，三電平變頻器采用Ｙ/△改接的辦法，將Ｙ型接法的6kV電機(jī)改為△接法。但在進(jìn)行了Ｙ/△改接后，電機(jī)的電壓與電網(wǎng)的電壓不一致，無(wú)法實(shí)現(xiàn)旁路功能，當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，又要保證生產(chǎn)的正常進(jìn)行，必須首先將電機(jī)改回Ｙ型接法，再投入6kV電網(wǎng)。為此，電機(jī)的改接必須加裝Ｙ/△切換柜實(shí)現(xiàn)，以便實(shí)現(xiàn)旁路功能。 (4) 輸出諧波含量大，需要專(zhuān)用變頻電機(jī) 　　由于三電平變頻器所固有的輸出波形中含高的諧波分量，使得輸出性能不良好。輸出電流、電壓波形見(jiàn)圖2。低速區(qū)變頻器的波形極差，基本上不能滿(mǎn)足工況的要求。因此，在變頻器的輸出側(cè)必須配置LC濾波器才能用于普通的鼠籠型電機(jī)。同樣由于諧波的原因，電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)和效率、甚至壽命都會(huì)受到一定的影響，只有在額定工況點(diǎn)才能達(dá)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(huì)相應(yīng)降低。輸出電壓諧波5、7高，11次、13次諧波達(dá)到20%以上，會(huì)引起電動(dòng)機(jī)諧波無(wú)功發(fā)熱、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，這對(duì)電纜和電動(dòng)機(jī)都是致命的影響。因此，外商一般都力薦采用專(zhuān)用電動(dòng)機(jī)。

圖2 三電平變頻器輸出波形圖

4.4單元串聯(lián)多重化變頻器  曲拆多脈沖變壓器→整流→IGBT單元串聯(lián)多電位重疊間接高壓方式; 電壓變換方式:電源→變壓器(R1)→單元串聯(lián)變頻器(R2)→電機(jī)(R3);  系統(tǒng)等效阻抗R=R1+R2+R3。 4.4.1 主電路 　　單元串聯(lián)多重化技術(shù)高壓變頻器，是利用移相主變壓器降壓，再通過(guò)多個(gè)低壓?jiǎn)蜗嘧冾l器(如圖3a所示)串聯(lián)和控制器結(jié)構(gòu)組成。各功率單元由一個(gè)曲折多繞組的移相主變壓器降壓供電。變壓器是單元串聯(lián)高壓變頻器設(shè)備電路結(jié)構(gòu)中的一個(gè)重要部件。3kV有12個(gè)功率單元，每4個(gè)功率單元串聯(lián)構(gòu)成一相。6kV系列有15個(gè)功率單元，每5個(gè)功率單元串聯(lián)構(gòu)成一相。10kV系列有21個(gè)功率單元，每7個(gè)功率單元串聯(lián)構(gòu)成一相。移相變壓器中，變頻器6kV時(shí)需要3×5個(gè)繞組，引出主接線頭48根，(10kV時(shí)需3×7個(gè)繞組，引出主接線頭66根，)。變壓器輸入端采用內(nèi)部三角形，輸出為外部星形的延邊三角形接法，如圖3所示。

圖3 單元串聯(lián)多重化技術(shù)高壓變頻器

　　所謂多重化技術(shù)就是每相由幾個(gè)低壓PWM功率單元串聯(lián)組成，各功率單元由一個(gè)多繞組的隔離變壓器多級(jí)移相疊加的整流方式供電，由CPU實(shí)現(xiàn)控制再以光導(dǎo)纖維隔離驅(qū)動(dòng)。輸出側(cè)由每個(gè)單元的U、V輸出端子相互串接而成星型接法給電機(jī)供電。通過(guò)對(duì)每個(gè)單元的PWM波形進(jìn)行重組多重化?？蓪?shí)現(xiàn)輸入端(變頻器在高頻段輸出50Hz時(shí))條件下有較低的諧波含量(輸出端諧波含量高)。如圖3(b)所示為6kV變頻器的主電路拓?fù)鋱D，每組由5個(gè)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(duì)應(yīng)的線電壓為6000V。每個(gè)功率單元由輸入隔離變壓器的15個(gè)二次繞組分別供電，15個(gè)二次繞組分成五組，每組之間存在一個(gè)12?的相位差。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?)的四組繞組。所需相差角度可通過(guò)變壓器的不同聯(lián)接組別來(lái)實(shí)現(xiàn)。 　　圖3(c)中的功率單元都是由低壓(IGBT)構(gòu)成的三相輸入，單相輸出的低壓PWM電壓型逆變器。每個(gè)功率單元按預(yù)編程時(shí)序輸出不同相位差的PWM電壓為1、0、－1三種狀態(tài)電平，每相5個(gè)單元成階梯疊加，就可產(chǎn)生11個(gè)不同的梯度電平波形。圖4為一相合成的輸出正弦波包絡(luò)電壓波形。這種電壓波形對(duì)電單元串聯(lián)機(jī)無(wú)特殊要求，可用于普遍籠型電機(jī)。

圖4 功率單元串聯(lián)高壓變頻器輸出波形圖

　　這種多重化技術(shù)構(gòu)成的高壓變頻器，也稱(chēng)為單元串聯(lián)電壓型變頻器，采用功率單元串聯(lián)雙Y回路，采取變壓器多繞組別分組分壓整流單元均壓，單元電平疊加，變頻器輸出高電壓的正弦波包絡(luò)階梯電壓波形。適應(yīng)普通籠型電機(jī)的變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)。 　　多重化被稱(chēng)為完美無(wú)諧波，是外國(guó)某公司營(yíng)銷(xiāo)技術(shù)名詞，以為中國(guó)人對(duì)變頻技術(shù)的不了解，用輸入端滿(mǎn)載諧波含量作誤導(dǎo)宣傳，是概念混淆，偷梁換柱的說(shuō)法。事實(shí)上，變頻器產(chǎn)生的諧波應(yīng)嚴(yán)格分為兩個(gè)部分即:一是輸入端諧波含量指標(biāo)，指變頻器對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的騷擾作用;二是輸出端諧波含量指標(biāo)，指變頻器的高頻輻射和對(duì)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的運(yùn)轉(zhuǎn)脈動(dòng)性、溫升、絕緣老化、軸承疲勞的副作用。實(shí)際上人們都知道變壓器本身在作隔離功能的同時(shí)將產(chǎn)生新的諧波源，完全正弦的工頻變壓器都存在的勵(lì)磁諧波，那非線性整流疊加的的變壓器怎能完美無(wú)諧波。諧波還是有的，可以說(shuō):輸入端諧波含量低，符合標(biāo)準(zhǔn)。事實(shí)上《GB/T14549-93，電能質(zhì)量，公用電網(wǎng)諧波》和GB/T12668.4高壓變頻器標(biāo)準(zhǔn)中的輸入諧波含量指標(biāo)，許多高壓變頻器都可達(dá)標(biāo)到。單元串聯(lián)多重化是在輸出端建立在120?方波的基礎(chǔ)上，變頻器在額定頻率、額定重負(fù)載時(shí)其波形較好，諧波含量較低。在低頻段或輕負(fù)載時(shí)波形畸變大，輸出三相電壓非對(duì)稱(chēng)性頻擺加大，電機(jī)磁鏈脈動(dòng)增大，電機(jī)中性點(diǎn)與變頻器中性點(diǎn)出現(xiàn)電位差，諧波劇增。由于這種結(jié)構(gòu)的變頻器中存在變壓器，如果電機(jī)的中性點(diǎn)沒(méi)有接地，電機(jī)就存在共模電壓。當(dāng)電機(jī)的中性點(diǎn)接地后，共模電壓仍然存在，沒(méi)有消失，通過(guò)接地點(diǎn)轉(zhuǎn)移到變壓器上。讓變壓器來(lái)承受共模電壓對(duì)絕緣的沖擊和諧波熱能。這就是這種單元串聯(lián)高壓變頻器變壓器易壞的主要原因之一。變頻器往往是用于低于工頻下作節(jié)能運(yùn)行的，這對(duì)電機(jī)壽命是極為不利的。外國(guó)某公司高壓變頻器在中國(guó)的初期應(yīng)用中都須更換由他們生產(chǎn)的專(zhuān)用電機(jī)。也間接表明單元串聯(lián)多重化變頻器的輸出諧波嚴(yán)重性。 4.4.2 單元串聯(lián)多重化變頻器的技術(shù)特點(diǎn) (1) 是一種單變壓器高—低－高的有效方式 　　采用功率單元串聯(lián)電壓相加回路，采取變壓器多繞組別分組分壓整流單元均壓，單元電平疊加，變頻器輸出高電壓的階梯電壓波形，經(jīng)電機(jī)定子電感濾波，相電壓為正弦波(實(shí)際上任何變頻器輸出波形很差，只要經(jīng)電機(jī)定子電感濾波，相電壓都為正弦波); (2) 成熟技術(shù)易于組合不同電壓輸出的要求 　　由于采用功率單元串聯(lián)，采用低壓變頻器成熟技術(shù)，由低壓IGBT組成逆變單元，通過(guò)串聯(lián)單元的個(gè)數(shù)適應(yīng)不同的輸出電壓要求; (3) 功率單元模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、單元間具有互換性 由于多功率單元具有相同的結(jié)構(gòu)及參數(shù)，便于單元間具有互換性，實(shí)現(xiàn)冗余設(shè)計(jì)，即使在個(gè)別單元故障時(shí)也可通過(guò)單元旁路功能將該單元短路，系統(tǒng)仍能降額地運(yùn)行; (4) 實(shí)現(xiàn)工/變頻切換操作簡(jiǎn)單 　　若考慮變頻器故障后的工頻運(yùn)行，可增設(shè)一個(gè)簡(jiǎn)單切換裝置，可方便地通過(guò)倒切開(kāi)關(guān)，切換到工頻運(yùn)行; (5) 需制造復(fù)雜而昂貴的移相變壓器 　　由于系統(tǒng)中存在著必須的移相變壓器，系統(tǒng)效率再提高不容易實(shí)現(xiàn);移相變壓器中，6kV三相6繞組×3(10kV時(shí)需12繞組×3)延邊三角形接法，在三相電壓不平衡(實(shí)際上三相電壓是不可能絕對(duì)平衡的)時(shí)，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(shí)，再加上變壓器的鐵芯的固有損耗(勵(lì)磁功率是為不變因數(shù))，變壓器的效率就會(huì)降低。也就影響了整個(gè)系統(tǒng)的效率，并隨負(fù)載率的降低，效率更要降低。變頻器系統(tǒng)平均效率低。如果變壓器損壞，維修極復(fù)雜，費(fèi)用極高?？傎M(fèi)用至少為購(gòu)價(jià)的45%左右; (6) 輸入諧波重載時(shí)含量低 　　由于采用了必要的移相變壓器，實(shí)現(xiàn)多組整流，間接地獲得了輸入端的低諧波含量指標(biāo); (7) 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);移相主變壓器接點(diǎn)太多，接線復(fù)雜，系統(tǒng)的內(nèi)阻和損耗增大，驅(qū)動(dòng)元器和連線多。相應(yīng)地長(zhǎng)期使用中故障必然多，維護(hù)復(fù)雜且工作量大; (8) 電機(jī)溫度高 　　輸出電壓波形在額定負(fù)載時(shí)尚好，低于25Hz以下畸變突出，諧波含量大增。電機(jī)從0Hz起動(dòng)時(shí)振動(dòng)大，電機(jī)溫度高，是不能快加速的原因; (9) 只能用于風(fēng)機(jī)水泵的變頻調(diào)速 (10) 動(dòng)態(tài)特性軟，響應(yīng)速度慢，加速和減速時(shí)間長(zhǎng) (11) 不易用于含有制動(dòng)工況的機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng) 不易實(shí)現(xiàn)能量回饋的四象限運(yùn)行，且無(wú)法實(shí)現(xiàn)制動(dòng); (12) 裝置的體積太大，重量大，安裝占地面積大。 4.5 IGBT元件直接串聯(lián)高壓變頻器(通用高壓變頻器 ) 直接整流→IGBT元件串聯(lián)直接高壓方式(無(wú)內(nèi)含輸入變壓器) 在中高壓領(lǐng)域，矛盾的焦點(diǎn)是自關(guān)斷功率器件如IGBT的耐壓?jiǎn)栴}，對(duì)3kV、6kV、10kV或更高的工作電壓IGBT的耐壓短期內(nèi)是無(wú)法解決的，而對(duì)高速功率開(kāi)關(guān)器件的串聯(lián)問(wèn)題是全世界公認(rèn)都未解決的尖端難題。 電壓變換方式:電源→IGBT元件串聯(lián)直接高壓器(R1)→電機(jī)(R2)。 系統(tǒng)等效阻抗R=R1+R2。 4.5.1主回路 IGBT元件直接串聯(lián)高壓變頻器主回路原理圖如圖5所示。

圖5 IGBT元件直接串聯(lián)高壓變頻器主回路原理圖

　　前面已討論多電平、多重化的優(yōu)點(diǎn)，而現(xiàn)代PWM 控制技術(shù)的發(fā)展水平，產(chǎn)生的電壓波形能基本消除低次諧波，二電平比三電平整體效果更好，與多重化相差不大，在低頻段波形優(yōu)于多電平和多重化。同時(shí)多電平、多重化帶來(lái)的問(wèn)題與直接串聯(lián)比是相當(dāng)多的。 4.5.2 靜、動(dòng)態(tài)性能 　　直接串聯(lián)二電平可以像低壓變頻器一樣加直流制動(dòng)電路或能量回饋，其動(dòng)態(tài)性能也可以像低壓變頻器一樣優(yōu)越，其電路仍很簡(jiǎn)單。這對(duì)于多電平，特別是多重化并不容易實(shí)現(xiàn)。使它們只能用于一些調(diào)速要求不高的場(chǎng)合。為此，IGBT元件直接串聯(lián)高壓變頻器(通用高壓變頻器)應(yīng)用了佳靈的核心技術(shù)－直接速度控制(DSC)技術(shù)對(duì)交流傳動(dòng)來(lái)說(shuō)是一個(gè)最優(yōu)的電機(jī)控制方法，它可以對(duì)所有交流電機(jī)的核心變量進(jìn)行直接控制。不需在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上安裝脈沖編碼器來(lái)反饋轉(zhuǎn)子位置信號(hào)而具有精確的速度和轉(zhuǎn)矩的控制技術(shù)。極其關(guān)鍵的是控制中不受定子溫度和轉(zhuǎn)子溫度變化引起對(duì)電機(jī)參數(shù)變化的影響(矢量控制受轉(zhuǎn)子溫度影響而變差，直接轉(zhuǎn)矩控制受定子溫度影響而變差)。DSC開(kāi)發(fā)出交流傳動(dòng)中前所未有的能力并給所有的應(yīng)用提供了優(yōu)秀服務(wù)。 　　DSC直接速度控制，是交流傳動(dòng)領(lǐng)域電機(jī)控制方式的一次革命，它從零速開(kāi)始不使用電機(jī)軸上的脈沖碼盤(pán)反饋就可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度和轉(zhuǎn)矩的精確控制。在零速度時(shí)能產(chǎn)生滿(mǎn)載轉(zhuǎn)矩。 　　在DSC中，定子磁通、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)速被作為主要的控制變量。以滑差為誤差，以轉(zhuǎn)矩為調(diào)節(jié)量，以魯棒性設(shè)計(jì)控制，確保穩(wěn)定性和可靠性。高速數(shù)字信號(hào)處理器與先進(jìn)的電機(jī)軟件模型相結(jié)合使電機(jī)的狀態(tài)每秒鐘被更新4萬(wàn)次。由于電機(jī)狀態(tài)以及實(shí)際值和給定值的比較值被不斷地更新，逆變器的每一次開(kāi)關(guān)狀態(tài)都是單獨(dú)確定的。這意味著變頻器可以產(chǎn)生最佳的開(kāi)關(guān)組合并對(duì)負(fù)載擾動(dòng)和瞬時(shí)掉電、網(wǎng)壓波動(dòng)等動(dòng)態(tài)變化做出快速響應(yīng)。在DSC中不需要對(duì)電壓，頻率分別控制的PWM調(diào)制器。開(kāi)環(huán)動(dòng)態(tài)速度控制精度可以達(dá)到閉環(huán)磁通矢量控制的精度。DSC靜態(tài)速度控制精度為標(biāo)稱(chēng)速度的0.1%～0.4%(50Hz～2Hz)，它滿(mǎn)足了絕大多數(shù)的工業(yè)應(yīng)用。當(dāng)要求更精確的速度調(diào)節(jié)時(shí)，可以加裝脈沖編碼器可選件。DSC的開(kāi)環(huán)轉(zhuǎn)矩階躍上升時(shí)間小于 5ms，而不帶速度傳感器的磁通矢量控制變頻器的開(kāi)環(huán)轉(zhuǎn)矩階躍上升時(shí)間卻多于100ms，與直接轉(zhuǎn)矩控制同等，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)為0.3%，比直接轉(zhuǎn)矩控制優(yōu)。JL5000變頻器其優(yōu)良的魯棒性，即可靠性穩(wěn)定性是無(wú)與倫比的。 4.5.3 復(fù)雜程度 　　和其它高壓變頻器相比較，三電平要多6個(gè)快速二極管，五電平就更多了。多電平每個(gè)開(kāi)關(guān)都要獨(dú)立控制;多重化每個(gè)單元上的4個(gè)開(kāi)關(guān)器件都要獨(dú)立控制，并且都存在笨重、復(fù)雜、成本高、自損大的輸入變壓器。IGBT元件直接串聯(lián)無(wú)輸入變壓器組成的同一組件都只需一個(gè)開(kāi)關(guān)量控制。其高效性和可靠性從原理上講就高許多。 4.5.4 節(jié)能效果 　　多重化為得到若干組不同的獨(dú)立電壓，變壓器采用延邊三角形法，很難得到三相平衡的移相電壓。這必然形成環(huán)流，增大銅、鐵損耗，并且負(fù)載變化不大，而數(shù)百個(gè)變壓器的內(nèi)外接頭也將增大損耗，降低可靠性。輸入變壓器，降低了效率。應(yīng)用變頻器是為了獲取節(jié)能產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益為主要目的。IGBT元件直接串聯(lián)高壓變頻器在同等工況多節(jié)能5%以上，更高效的節(jié)能設(shè)備在運(yùn)用若干年后產(chǎn)生的效益，也是很可觀的。以2000kW的高壓變頻器為例，僅變壓器的自損耗一年就達(dá)360天×24h×100kW×0.5元/kW?h=360000元。 4.5.5 輸入輸出諧波含量符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 　　IGBT直接串聯(lián)高壓變頻器在輸入端加了采用無(wú)源校正技術(shù)，這種技術(shù)能對(duì)基波進(jìn)行相移補(bǔ)償或抑制某些指定的諧波。具體方法是在輸入端增加無(wú)源元件，以補(bǔ)償濾波電容的輸入電流。在輸入回路中串入電感器，以限制輸入電流的上升速度，延長(zhǎng)整流管導(dǎo)通時(shí)間，功率因數(shù)可以提高到0.9以上。諧波都被轉(zhuǎn)移到調(diào)制頻率附近。使得輸入端諧波含量THD指標(biāo)完全符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。在輸出端采用了電壓正弦波整形器，將高壓變頻器輸出的PWM電壓波形整形為和電網(wǎng)電壓一樣的標(biāo)準(zhǔn)正弦電壓波形。無(wú)論變頻器工作在高頻段還是低頻段和電機(jī)負(fù)載工作在重載或輕載條件中時(shí)波形都不變。并在輸出端設(shè)有抗共模技術(shù)世界專(zhuān)利的共模電壓治理器，成為唯一的一種解決了高壓EMC問(wèn)題的高壓變頻器。其輸出端諧波含量指標(biāo)完全符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。 4.5.6 世界唯一能用于任何電機(jī)負(fù)載性質(zhì)的IGBT通用高壓變頻器 　　高效JCS系列高壓變頻器由于無(wú)輸入、無(wú)輸出主變壓器和內(nèi)含國(guó)際技術(shù)水平的高度，是在目前的高壓變頻器中一種無(wú)以倫比的高效、高質(zhì)量性?xún)r(jià)比產(chǎn)品。其通用性:用于風(fēng)機(jī)、水泵變工況調(diào)速節(jié)能應(yīng)用;用于位勢(shì)負(fù)載應(yīng)用，例如起重機(jī)，提升機(jī)，電梯、皮帶機(jī)等;用于對(duì)轉(zhuǎn)角、位移做精確控制，如軋機(jī);用于恒轉(zhuǎn)矩的通用機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)。 5 結(jié)束語(yǔ)  　　綜上所述，可說(shuō)在高壓電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速應(yīng)用領(lǐng)域中，體現(xiàn)了科技研究人員為人類(lèi)社會(huì)發(fā)展，促進(jìn)科學(xué)技術(shù)的飛躍，設(shè)計(jì)出了種種高壓變頻器，在一定時(shí)期起到了積極推廣應(yīng)用，做出了歷史科學(xué)的重大貢獻(xiàn)。新科學(xué)、新技術(shù)的更新或替代，是社會(huì)發(fā)展的必然規(guī)律。任何新技術(shù)都有一個(gè)從認(rèn)識(shí)、認(rèn)同、再創(chuàng)新發(fā)展的必然過(guò)程。從上述常見(jiàn)高壓變頻器電氣方案的分析中，電流型、高－低－高、三電平技術(shù)方案高壓變頻器在選用時(shí)值得慎重考慮。單元串聯(lián)疊加多電平技術(shù)高壓變頻器，在一定的時(shí)期范圍可有應(yīng)用價(jià)值。IGBT元件直接串聯(lián)高壓變頻器(通用高壓變頻器 )無(wú)輸入、無(wú)輸出主變壓器和內(nèi)含國(guó)際技術(shù)水平的高度，是在目前的高壓變頻器中一種無(wú)以倫比合理的質(zhì)量性?xún)r(jià)比產(chǎn)品。尤其高控制技術(shù)獲得通用性和具有純國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)的電力電子裝置，是民族的智慧和強(qiáng)大的體現(xiàn)。JCS高壓變頻器是曾獲得國(guó)內(nèi)同行知名權(quán)威專(zhuān)家們的支持、幫助、認(rèn)同的純國(guó)產(chǎn)高新技術(shù)產(chǎn)品，值得全面推廣應(yīng)用。JCS高壓變頻器還應(yīng)不斷充實(shí)新技術(shù)，升化品質(zhì)才能具有可持續(xù)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的戰(zhàn)略意義。