高压变频器设计原理

1.引言

　　电机是工业生产中主要的耗电设备，高压大功率电动机的应用更为突出，而这些设备大部分都存在很大的节能潜力。所以大力发展高压大功率变频调速技术具有时代的必要性和迫切性。

　2.几种常用高压变频器的主电路分析

　　(1)单元串联多重化电压源型高压变频器

　　单元串联多重化电压源型高压变频器利用低压单相变频器串联，弥补功率器件IGBT的耐压能力的不足。所谓多重化，就是每相由几个低压功率单元串联组成，各功率单元由一个多绕组的移相隔离变压器供电，用高速微处理器实现控制和以光导纤维隔离驱动。但其存在以下缺点：

　　a) 使用的功率单元及功率器件数量太多，6kV系统要使用150只功率器件(90只二极管，60只IGBT)，装 置的体积太大，重量大，安装位置和基建投资成问题;

　　b)所需高压电缆太多，系统的内阻无形中增大，接线太多，故障点相应的增多;

　　c) 一个单元损坏时，单元可旁路，但此时输出电压不平衡中心点的电压是浮动的，造成电压、电流不平衡，从而谐波也相应的增大，勉强运行时终 究会导致电动机的损坏;

　　d)输出电压波形在额定负载时尚好，低于25Hz以下畸变突出;

　　d)输出电压波 形在额定负载时尚好，低于25Hz以下畸变突出;

　　e)由于系统中存在着变压器，系统效率再提高不容易实现;移相变压器中，6kV 三相6绕组×3(10kV时需12绕组×3)延边三角形接法，在三相电压不平衡(实际上三相电压是不可能绝对平衡的)时，产生的内部环流，必将引起内阻的 增加和电流的损耗，也相应的就造成了变压器的铜损增大。此时，再加上变压器的铁芯的固有损耗，变压器的效率就会降低，也就影响了整个高压变频器的效率。这 种情况在越低于额定负荷运行时，越是显著。10kV时，变压器有近400个接头、近百根电缆。在额定负荷时效率可达96%，但在轻负荷时，效率低于 90%。

　　(2)中性点钳位三电平PWM变频器

　　该系列变频器采用传统的电压型变频器结构。中性点钳位三电平PWM变频器的逆变部 分采用传统的三电平方式，所以输出波形中会不可避免地产生比较大的谐波分量，这是三电平逆变方式所固有的。因此在变频器的输出侧必须配置输出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。

　　多电平+多重化高压变频器。多电平+多重化高压变频器的本意是想解决高压IGBT的耐压有限的问题，但此种方式，不仅增加了系统的复杂性，而且降低了多重化冗余性能好和三电平结构简单的优点。因此此类变频器实际上并不可取。

　　此类型变频器的性能价格优势并不大，与其同时采用多电平和多重化两种技术，还不如采用前面提到的高压IGBT的多重化变频器或者三电平变频器。

　　(3)电流源型高压变频器

　　功率器件直接串联的电流源型高压变频器是在线路中串联大电感，再将SCR(或GTO、 SGCT等)开关速度较慢的功率器件直接串联而构成的。

　　这种方式虽然使用功率器件少、易于控制电流，但是没有真正解决高压功率器 件的串联问题。因为即使功率器件出现故障，由于大电感的限流作用，di/dt受到限制，功率器件虽不易损坏，但带来的问题是对电网污染严重、功率因数低。并且电流源型高压变频器对电网电压及电机负载的变化敏感，无法做成真正的通用型产品。

　　电流源型高压变频器是最早的产品，但凡是电压型变频器到达的地方，它都被迫退出，因为在经济上、技术上，它都明显处于劣势。

　　3.IGBT直接串联的直接高压变频器

　　3.1 主电路简介

　　
图1.IGBT直接串联高压变频

　　如图1所示，图中系统由电网高压直接经高压断路器进入变频器，经过高压二极管全桥整流、直流平波电抗器和电容滤波，再通过 逆变器进行逆变，加上正弦波滤波器，简单易行地实现高压变频输出，直接供给高压电动机。

　　功率器件IGBT直接串联的二电平电压型 高压变频器是采用变频器已有的成熟技术，应用独特而简单的控制技术成功设计出的一种无输入输出变压器、IGBT直接串联逆变、输出效率达98%的高压调速系统。对于需要快速制动的场合，采用直流放电制动装置，如图2所示：

　　
图2.具有直流放电制动装置的IGBT直接串联高压变频器主电路图

　　如果需要四象限运行，以及需要能量回馈的场合，或输入电源侧短路容量较小时，也可采用如图3所示的PWM整流电路，使输入 电流也真正实现完美正弦波。

　　
图3.具备能量回馈和四象限运行的IGBT直接串联高压变频器主电路图

　　3.2 IGBT直接串联高压变频器25Hz、30Hz、40Hz、50Hz电压、电流输出波形及谐波图：

　3.3 核心关键技术

　　(1)高速功率器件的串联技术

　　根据查新，世界 各国均未生产出IGBT直接串联的高压变频器。原因正如一些权威人士所言:“IGBT是不能串联的。因为开关时间短，微秒级，很难保证所有管子串联同时开关。否则有的早开，所有的电压都来加在晚开的管子上，那么这个1200V的管子加上6000V，只能烧掉，一烧一串，不可能串联。”

　　(2) 正弦波技术

　　高压电机对变频器的输出电压波形有严格的要求，是业内人士都知道的常识。解决变频器输出电压波形，从两方面着手:一是优化 PWM波形;二是研制出特种滤波器。

　　过去一些人认为:“三电平的电压波形一定优于二电平，今后就是低压变 频器也应采用三电平。”，这种说法可能不太全面。三电平的总谐波含量可能低于二电平，但由于三电平的11次、13次谐波含量特别高，处理起来特别困难，而二电平只要波形优化得好，60次以下的谐波皆可大大降低。而对60次以上的谐波滤波自然容易得多。人们使用三电平是为避免器件串联的困难，不得已而为之。

　　(3) 抗共模电压技术

　　仅解决IGBT的串联，并不能甩掉输入变压器。原因在于共模电压的存在。在低压变频器领域，近年来发现的电机轴承损坏，共模电压就是影响之一，在高压变频器的领域中，共模电压更是必须解决的关键问题之一。共模电压(也叫零序电压)，是指电动机定子绕组的中心点和地之间的电压。

　　共模电压也是对外产生干扰的原因，特别是长线传输设备。无论是电流源还是电压源变频器产生共模电压是必然的。技术人员根据共模电压产生的机理，采取了“堵和疏”的办法将共模电压消灭在变频器内部。

　　由于采用了上述三项核心关键技术，使IGBT直接高 压变频器的效率达到98%以上。输出电压正弦化、共模电压最小化。适用于任何异步电机、同步电机，无需降容使用，几km的长线传输也无问题。对于传输距离 太长时应考虑线路电压补偿。如提高电压或增大导线截面等。

　　4 系统特点：

　　(1)电压等级为3kV-10kV;

　　(2)系统自带专门设计的高压开关柜，与本身高压变频器高效安全配套，并含变/工频切换装 置和电子式真空断路器;

　　(3)全中文操作界面，基于 Windows操作平台，彩色液晶触摸屏，便于就地监控、设定参数、选择功能和调试;

　　(3)内置PLC可编程控制器，易于改变和扩展控制逻辑关系;

　　(4)高压主电路与低压控制电路采 用光纤传输，安全隔离，使得系统抗干扰能力强;

　　(5)控制电路通讯方式采用全数字化通讯;

　　(6)系统的 整流单元、逆变单元设计，选用组合模块化积木结构，整机占地面积小、重量轻，便于安装、维护;

　　(7)装置可在本机上操作，也可实 现远距离外控，具备完善、方便的操作功能选择;

　　(8)系统具有标准的计算机通讯接口RS232或 RS422、RS485，可方便 的与用户DCS系统或工控系统组态建立整个系统的工作站，进一步提高系统的自动化控制程度，实现整个工控系统的全闭环监控，从而获得更加完善的、可靠自动化运行;

　　(10)具备全面的故障监测、可靠的故障报警保护功能;

　　(11)输入功率因数高，输出电压谐波 含量小，无需功率因数补偿和谐波抑制器;

　　(12)输出电压为标准正弦波形，对电缆和电动机的绝缘无损害，减轻电动机的轴承和叶片 等机械部分震动和磨损，延长电动机的使用寿命，输出至电动机的线缆长度可达20km;

　　(13)采用独特的抗共模电压技术，使系统*模电压 ≤1000V，无需再提高电动机的绝缘等级，无需专用电机;

　　(14)易于实现能量回馈和四象限运行;并可直接引出直流 进行直流输电;

　　(15)对用户的高压异步电动机无任何特殊要求。不但适用于新旧异步电动机，也适用于同步电动机。

　　5.应用实例

　　IGBT直接串联高压变频器在 炼铁厂冲渣泵上的应用

　　5.1 应用概况

　　永峰钢厂是莱钢集团公司的一个主要生产厂，负责公司所需铁水和铁块冶炼。高炉冶炼铁水过程中产生大量的熔渣，通常是用大流量的中压水将其降温并 冲散，同时输送到水渣池回收，作为炼铁生产的副产品。高炉生产是不间断的，一般情况下每天出铁15次，在高炉出铁前、后各放一次渣，两次出渣时间约 30min，在此时间内要求水冲渣系统的水泵满负荷工作，其余时间水泵只需保持约30%水流量防止管道堵塞即可。4#-高炉使用ZGB-300型冲渣泵，原系统运行时，起动前管道进出水阀门关闭，起动后阀门开度约90%，机组全速运行，电网电压6300V，电机运行电流33A，功率因数81.6%，耗电功率294kW。不需冲渣水时通过调节阀门在30%来调节水流量(此时电机电流25A)，耗电功率214kW，一方面导致大量的节能损失，另一方面频繁操作阀门，致使其使用寿命大大降低，增加了停产更换阀门的时间，为此公司决定对4#高炉冲渣泵进行改造。

　　5.2 改造方案

　　由电机转速公式n=60f×(1-s)/p可知:只要改变电机的频率f，就可以实现电机的转速调节，高电压大功率变频器通过控制IGBT(绝缘栅双极型电力场效应管)的导通和关断，使输出频率连续可调。而且是随着频率的变化，输出电流、电压、功率都将发生变化，即负荷大时转速大， 输出功率大，负荷小时转速小，输出功率也小。

　　由流体力学：：Q′=Q(n′/n) 、H′=H(n′/n)2 、P′=P(n′/n)3 可知: 当泵机低于额定转速时节电为：E=〔1-(n′/n)3〕×P×T(kWh)

　　可见，通过变频改造，冲渣泵流量Q、压力H及轴功率P都将发生较大的改 变，不但节能而且大大提高了设备运行性能。根据冲渣泵的实际特性对其进行了具体改造，冲渣泵在冲渣时工作在49.5Hz，在不冲渣时工作在25Hz，考虑 到工艺对调速精度要求不是很高，本系统只采用开环控制并在高炉值班室操作，需冲渣时给调节系统一个“1”的信号，电机高速运行，不需冲渣时将此信号取消，电机低速运行，取得了很好的节能效果。

　　5.3 改造后的系统实际运行状况

　　根据18个月的运行，经过反复多种测试各运行参数一直正常，变频器质量性能良好，安全可靠，各项指标均达到了设计要求.

　　(1)谐波抑制效果良好。电压谐波含量小于3%，符合 IEEE519-1992和GB/T14549-93标准。

　　(2)各种保护功能完善。过流、过压、欠压、故障保 护等功能可靠，并且考虑了外部电网的防雷击等多环节保护功能。

　　(3)各种指示功能完备。具有输入、输出电流和电压、运行频率、故障显示、运行状态指示等功能。

　　(4)操作简便。同普通的低压变频器的功能操作方式相似，功能设置和调整简单方便。

　　5.4 改造效益

　　机组49.5Hz运行和无变频器运行相比可节省功率ΔP1=P50-P49.5=80kW;

　　机组25Hz运行和无变频器运行相比可节省功率ΔP2=214kW-P25=132kW;

　　年节电量:ΔW= (H1ΔP1+H2ΔP2)=365(7.5×80+16.5×132)=1013970kWh;

　　(注:每年按365天 计H1:冲渣时间=15×30/60=7.5小时;H2:不冲渣时间=24-7.5=16.5小时);

　　经济效益:ΔW电价=1013970×0.56=567823元(注:莱钢厂工业电价0.56元/kWh);

　　实现电机软起动功能，延长了电机寿命，大大减少了冲渣泵故障发生率;

　　提高了自动化水平，节约了大量工业用水;

　　由上述可知，综合经济效益每年可达60多万元，一年即可全部收回成本。

　　5.5 结论

　　通过对冲渣泵系统的变频调速的技术改造，经过较长时间的运行检验，证明该产品性能可靠、功能齐全、技术先进，说明国内自主开发的高压变频器在技术上已经处于世界先进水平，在高压变频改造领域具有极大的推广价值。