當今國外高壓變頻器主電路拓撲方案的分析

　　經計算THD%=1.94%(單位：％)

圖3輸入電壓、電流波形

表1串聯單元個數后的線電壓

　　實現大幅節能

　　因為無需輸出變壓器的直接式高壓變頻器，可維持約97％的高電力轉換效率，不會造成不必要的能源浪費。由于電源功率因數一直確保0.95，不會因運行速度而變化，因此無需用于改善功率因數的電容器。

圖4電力轉換效率比、功率因數

　　2、中性點鉗位（NPC）三電平PWM主電路見圖5

　　2-1電路簡介

　　在PWM電壓源型變頻器中，當輸出電壓較高時，為了避免器件串聯引起的靜態和動態均壓問題，同時降低輸出諧波及du/dt的影響，逆變器部分可以采用中性點鉗位的三電平方式。逆變器的功率器件可采用高壓IGBT或IGCT。圖5是中性點鉗位三電平PWM中高壓變頻器的結構示意圖。

圖5中性點鉗位三電平PWM中高壓變頻器的結構示意圖
表3三電平變頻器輸出電壓組合

　　由此組合，三相三電平變頻器輸出的空間矢量可以有33＝27種，去掉其中8種重復的，實際是19種，包括一個零矢量。

　　電壓空間矢量法的基本思想是用三相三電平變頻器的上述六邊形的矢量軌跡，通過對輸出電壓的頻率、電壓（幅值）和PWM的調制（又稱菱形調制），使之逼近理想的正弦連續系統所具有的圓形電壓矢量軌跡。

　　在三電平變頻器中，每個橋臂雖有4個功率器件串聯，但不存在任何兩個串聯器件同時導通或關斷，所以沒有均壓問題。在輸出電壓相同的情況下，對器件要求較低。與普通PWM變頻器相比，由于輸出電壓的電平數增加，易于實現諧波的相互補償，輸出波形有很大的改善。功率因數接近于1，諧波失真2％以下。

　　2-2國外三電平的變頻調速裝置的三種實施方案（見圖6、圖7、圖8）

　　（1）ABB公司

圖6ABB中壓變頻器系統簡圖

　?。?）西門子公司

圖7西門子公司系統簡圖

　?。?）日本東芝三菱公司、提邁克TMEIC

　　AC/DC整流或回饋DC/AC逆變

圖8東芝三菱三電平中壓變頻器簡圖（四象限運行可以的）

　　2-3上述三種方案比較見表4

表4國外三電平變頻調速裝置實施方案簡單比較

2-4有源整流（AFE制式）

　　在6000V、1000KW高壓變頻調速裝置中，ABB、AB（羅克偉爾）和西門子、東芝－三菱公司均采用有源整流（AFE），以減少耗電、耗材、耗財的移相變壓器，控制方式仍為PWM方式，通過拓撲結構設計和軟件配合，實現五電平控制，達到24脈沖可四象限運行，也可二象限運行。二象限運行時，AFE有源整流還有功率因數補償功能。

　　2-5生產廠商

　　瑞士ABB

　　德國西門子

　　日本提邁克TMEIC

　　美國通用GE、羅克偉爾A-B

　　3、多相整流輸入、功率單元輸出H橋三電平主電路

　　3-1目前單元串聯多電平電路的不足之處

　　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、△，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的，所以造價較貴，就這個變壓器要占約40％以上的整機價值，能否不用移相方式，而選用多相脈沖輸入，相同型式的繞組整流變壓器來替代呢？回答是肯定的，目前國外于2010年問世有產品，例瑞士ABB、日本富士、法國施耐德已有新產品問世，經實踐應用測試，效果不錯，甚至更優越，超過移相方法，這樣整機價格就會下降，具體分析見下一節。

　　2）功率單元輸出是H橋型式，單相二電平，其電路是較簡單的，但其綜合性能不是最佳的，可否改為三電平橋式呢？回答是肯定的，見圖10根據三電平高壓變頻器實踐應用結果。

　　3）三電平比二電平有下列明顯優勢點：

　?、佥敵鲭娏鞲咏也?，見圖14諧波含量更小，見表5、表6

　?、谳敵鲭妷悍逯抵挥卸娖降牡?/2，可直接用于普通電動機，不需加LC濾波器

　?、圯敵雎╇娏髦挥卸娖降?/2（即共模電流更小）

　?、茌斎敫蓴_較二電平降低約20dB

　?、菘蛇x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

　　4）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，國內近50家制廠商，應認真考慮的一件大事，何樂而不為呢？要只爭朝夕呀！

　　3-2多相整流輸入，三電平輸出的改進方法及性能介紹

　　1）多相整流輸入性能介紹

　　根據資料介紹對不同輸出電壓，例3KV、6KV、10KV應采用多相整流，見表5

2）電源側電壓、電流波形見圖13

3）高次諧波電流含有率見表6

　　4）整機性能

　　綜合效率97％，功率因數>0.95，見圖12輸出電壓、電流波形見圖14

　　5）控制方式

　　矢量控制，無速度矢量傳感器控制或直接轉矩控制DTC以及可四象限運行具有能量回饋功能。

　　6）主回路構成介紹見圖9、圖10

　　7）工變頻旁路切換相位同步跟蹤見圖15、16，能做到工頻切換變頻或變頻切換工頻的無沖擊切換。

　　8）冷卻散熱

　　風冷<5000KW，水冷>5000-22000KW，逆變器模塊可用IGBT或IGCT

　　3-3應用范圍：電力——風機、水泵，采礦選礦——破碎機、風機、水泵、壓縮機、起重機、皮帶機、吊籠、升降機，水處理——泵、鼓風機，石油天然氣——泵、壓縮機、鼓風機，水電站——水泵、閘門提升下降，港口碼頭——起重機、皮帶輸送機。

圖910KV等級的主回路構成圖

圖10變頻器單元內部構成

　　注：三相輸入電壓就是單相輸出電壓（考慮壓降提高20V約4－5％）

　　動作原理

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

　　每個變頻器單元是一個單相3電平變頻器，可以獲得輸出電壓1155V。如圖9所示，10KV等級每一相有5個變頻器單元串聯，相電壓約5775V，三相以星形連接，可以得到10000線電壓。此外，單相3電平變頻器與單相2電平變頻器相比，每個變頻器單元的輸出電壓可以大2倍，因此只需用較少的變頻器單元就可以得到10/6/3KV電壓。（參照圖11、12）

　　大幅減少了電源側高次諧波電流量

　　由于電力電子技術的飛速發展，近年工業用電氣設備以及家用電器中半導體的使用越來越廣泛，在提高產品性能，方便操作的另一方面，這些電器產生的高次諧波使得電網的電壓失真，乃至于影響與電網相連接的其他電氣設備不能正常工作的現象日益嚴重。然而，電力電子技術應用到電氣設備上去是大勢所趨，為此有必要對抑制高次諧波的對策作更深入的研究和探討。FRENIC4600FM5e，通過采用多相二極管整流方式（相當于36相整流）抑制高次諧波，與現有的方案相比，高次諧波發生量大幅度降低，遠遠小于IEEE-519(1992)規定的高次諧波發生量，是一種不污染電源的變頻器。

圖13電源側電流波形

　　高效率：綜合效率約97％

　　●不需要輸出變壓器，沒有輸出變壓器的損耗

　　●獨特的多電平PWM控制方式，降低了開關損耗

　　●電源側高次諧波電流減少，降低了輸入變壓器一次繞組的高次諧波損耗

圖14綜合效率曲線

　　功率因數高：電源功率因數大于95％

　　●通過多相二極管全波整流，電源側功率因數提高，可以以高功率因數運轉

　　●不需要加裝改善電源側功率因數的進相電容器和直流電抗器

　　●變頻器可以在較小容量的電源下運轉

圖15電源側功率因數曲線

　　注：以上效率，功率因數數據在3.3KV，390KVA時的輸出為315KW，是額定速度運行時的計算數據，效率數據為標準4極電動機驅動時的數據。

　　保護電機穩定運行

　　變頻器的輸出電流如果含有高次諧波，電機軸的輸出便會發生脈動轉矩。脈動轉矩會導致轉速波動，如果脈動轉矩的脈動頻率與機械系統的頻率一致，而且脈動轉矩很大，就會引起很大的機械振動。FRENIC4600FM5e采用多電平（最大21電平）PWM控制方式，輸出側高次諧波極少，脈動轉矩的主要成分在載波頻率（數kHz）附近，脈動轉矩對機械系統幾乎沒有影響。

　　●采用多電平PWM控制方式，輸出電流波形非常接近正弦波。大大減少了電機的轉矩脈動。

　　●輸出電流波形非常接近正弦波，降低了電機高次諧波損耗。

　　●采用多電平(最大21電平)PWM控制方式．開關浪涌電壓減低到最小，降低了電機的電動應力。

　　●使用變頻器驅動．不需要降低電機的容量。

　　●變頻器驅動，不需要特殊電纜。

　　●不僅用于平方遞減轉矩負載，象擠壓機之類恒轉矩負載也能應用。

　　●在電源容量較小的系統中驅動大容量電機時，會因電機啟動電流引起電源電壓波動，而變頻器是軟啟動，可以抑制電動機的啟動電流，即使在電源容量較小的系統中也能正常驅動大容量電機。

圖16為10KV、6.6KV、3.3KV輸出電壓、電流波形

　　關于浪涌電壓和多電平輸出

　　PWM變頻器輸出電壓波形是以直流中間回路的電壓Ed為振幅的直流限幅電壓（稱做脈沖電壓）。該變頻器輸出的脈沖電壓通過電纜加在電機上之后，在電機端子和變頻器端子之間反復反射，結果在電機端子上產生大于變頻器輸出電壓的上升非常陡峭的過電壓，從而造成繞組絕緣破壞。這個過程電壓最大值接近變頻器直流中間回路電壓Ed的2倍。

　　富士高壓變頻器采用多電平PWM控制，抑制該直流中間電壓，輸出電壓波形10KV等級為21電平，6KV等級為13電平，3KV等級為9電平，有效抑制了電動機端子上發生的過電壓。

　　10KV等級輸出電壓波形（21電平）

　　10KV等級富士高壓變頻器，在1/4周期內輸出電壓分成21個階梯變化（相當于21電平）。每個階梯的電壓值相當于直流中間回路電壓Ed，因此，在輸出相同電壓時，階梯數越多，每個階梯的電壓值就越低。

　　因此電機端子上產生的浪涌電壓也就越低，使得電機承受的應力得以降低。

　　3-4工頻旁路回路／瞬停再啟動功能

　　●通過按系統電壓進行相位控制，可以實現從變頻器驅動切換到工頻電源驅動，或從工頻電源驅動切換至變頻器驅動的無沖擊切換。（參照圖17）

　　(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。

　　●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)啟動回路運轉。

　　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。(參照圖18)

　　●當電壓發生瞬時降低時，可以根據用途選擇運轉方式。

　　1．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。

　　2．選擇自由停車再啟動

　　變頻器停止運轉，電機處于自由停車狀態。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。

　　3．選擇瞬時電壓降低時繼續運轉

　　即使瞬時電壓降低，電機也不會處于自由停車狀態，變頻器可以繼續運轉。電源電壓恢復后，立刻再加速，恢復運轉速度。

　　注1)瞬時電壓降低于額定電壓的85％以下時。

　　注2)瞬時電壓降低時繼續運轉時間為300ms以內。

圖18電源系統圖

　　4、二電平電流源型CSI主電路

　　世界各國生產的高壓變頻器其主電路大都是電壓源型VSI方式，唯獨美國羅克偉爾ROCKWELLA-B公司生產的是電流源型CSI方式交－交直變的，它的特點是電路簡單，使用器件少、功率很大、成本較低、有獨到之處，所以在某些場合亦有應用。性能是諧波略大，可以四象限運行，頻率一般低于輸入，下面就A-B1557型及A-B7000型作簡介如下：

　　功率器件串聯二電平電流型中高壓變頻器

　　這種類型的變頻器多為電流源型變頻器，采用大電感作為中間直流濾波環節。整流電路一般采用晶閘管(SCR)作為功率器件，根據電流電壓的不同，每一個橋臂需由SCR串聯，而逆變器則采用SCR或GTO、SGCT等功率器件串聯。圖19是功率器件串聯二電平電流型中高壓變頻器的結構示意圖。

圖19功率器件串聯二電平電流型中高壓變頻器的結構示意圖

　　美國羅克韋爾(A-B)公司生產的中壓變頻器Bulletinl557系列，其電路結構為交一直一交電流源型，采用功率器件GTO串聯的兩電平逆變器。其控制方式采用無速度傳感器直接矢量控制，電動機轉矩可快速變化而不影響磁通，綜合了脈寬調制和電流源結構的優點，其運行效果近似直流傳動裝置。在Bulletinl557系列的基礎，A-B公司又推出了Powerflew7000系列，用新型功率器件——對稱門極換流晶閘管(SGCT)代替原先的GTO，使驅動和吸收電路簡化，系統效率提高，6kV系統每個橋臂采用3只耐壓為6500V的SGCT串聯。Powerflew7000系列產品具有如下特點：

　?、匐娏髟葱妥冾l器的優點是易于控制電流，便于實現能量回饋和四象限運行；缺點是變頻器的性能與電動機的參數有關，不易實現多電動機聯動，通用性差，電流的諧波成分大，污染和損耗較大，且共模電壓高，對電動機的絕緣有影響。

　?、赑owerflew7000系列變頻器采用功率器件串聯的二電平逆變方案，結構簡單，使用的功率器件少，但器件串聯帶來均壓問題，且二電平輸出的du/dt會對電動機的絕緣造成危害，要求提高電動機的絕緣等級。諧波成分大，需要專門設計輸出濾波器，才能供電動機使用。

　?、圯斎攵瞬捎每煽仄骷崿FPWM整流，可方便地實現能量回饋和四象限運行的，同時也使網側諧波增大，需加進線電抗器濾波．方能滿足電網的要求，而且增加了成本。

　?、苡捎谑侵苯痈邏鹤冾l，電網電壓和電動機相同，便于實現旁路控制功能，以保證在裝置出現故障時電動機的正常運行。

　　5、其它類型主電路

　　除以上介紹的四種高壓變頻器主電路比較通用外，尚有應用較少的主電路型式，本文例舉多電平(例四電平)、多重化、自換向式電流型四種電路簡介如下；

　　5-1多電平中高壓變頻器

　　隨著現代拓撲技術的發展，采用多電平結構的變頻調速系統得到了發展和應用。多電平中高壓變頻器的代表應是法國AISTOM公司生產的AISPAVDM6000系列中高壓變頻器。圖20是四電平中高壓變頻器的結構示意圖，從圖20中可以得到如下結論：系統采用模塊化結構，有效保證了功率器件的串聯連接，它不是元器件的簡單串聯，而是結構上的串聯，這樣就保證了電壓的安全和自然分配。采用電容器分壓方式。

　　多電平電壓變頻器具有如下特點：

　?、偻ㄟ^整體單元裝置的串／并聯拓撲結構以滿足不同的電壓等級(如3.3kV、6.6kV、10kV)的需要。

　?、谶@種結構可使系統普遍采用直流母線方案，以實現在多臺中高壓變頻器之間能量互相轉換。

　?、圻@種結構沒有傳統結構中的各級功率器件上的眾多分壓分流裝置，消除了系統的可靠性低的因素，從而使系統結構非常簡單，可靠，易于維護。

　?、茌敵霾ㄐ畏浅＝咏也ǎ蛇m用于普通感應電動機和同步電動機調速，而無需降低容量，沒有du/dt對電動機絕緣等的影響，電動機沒有額外的溫升，是一種技術比較先進的中高壓變頻器。

　?、軦ISPAVDM6000系列中高壓變頻器可根據電網對諧波的不同要求采用12脈波、18脈波的二極管整流或晶閘管整流；若要將電能反饋回電網，可用晶閘管整流橋；若要求控制電網的諧波功率因數及實現四象限運行，可選擇有源前端。（AFE）整流。

圖20四電平中高壓變頻器的結構示意圖

　　5-2中高壓變頻器的多重化結構

　　“多重化”的含義是將變頻器的交流模塊單元[整流器和(或)逆變器]進行并聯或串聯，以達到用較低電壓／電流等級的功率器件實現較高電壓和(或)更大容量變頻的要求。這種方法在中高壓變頻器中使用很普遍。
5-2-1多重化電流型，圖21所示為一個使用輸出變壓器實現多重化的電流型變頻器原理圖，圖中以二重化為例。圖中，兩個電流型逆變單元相并聯，兩逆變單元的相位彼此錯開30°，因此又叫12脈波變頻器(或12相電流型變頻器)。兩個逆變器相互交錯疊加的結果，不僅使變頻器容量增加一倍，而且合成的輸出電流具有階梯波的特性(見圖22)，更接近于正弦波。因為12脈波變頻器的輸出諧波分量最低是11、13次．只含12k±1(k=1，2，…)的奇次諧波，因此比六相變頻器小得多。

圖21二重化的電流型變頻器原理圖

圖2212脈波變頻器的電流波形

　　如果將N個逆變器并聯，就是N重變頻器，此時電流容量增加到N倍，高次諧波只有6kN±1(k=1，2，…)的頻率。

　　電流諧波減小的同時，電動機的轉矩脈動也大為降低。計算表明，電動機與N變頻器連接時，脈動轉矩幅度可降低到1/N以下。

　　5-2-2多重化PWM電壓型

　　圖23所示為并聯多重化PWM電壓型變頻器電路。采用二極管構成二組三相橋式整流電路，按12脈波組態，輸出為二重式，每組由6個IGBT構成一個橋式逆變單元。輸出濾波器用來去除PWM的調制波中的高頻成分并減少du/dt、di/dt的影響，由于頻率高，濾波器的體積很小。

圖23并聯多重化PWM電壓型變頻器電路

　　變頻器的驅動(逆變)單元設計成模塊化獨立單元的形式，直流母線(DC-BUS)上可任意連接1～6個驅動單元。驅動單元可驅動同一臺電動機，也可以驅動不同的電動機(驅動同一臺電動機的逆變單元一般不超過兩個)。

　　這種設計使工廠中不同地方的設備可采用公共的直流母線供電，從而減少設備總投資，并使多電動機調速系統的總功率平衡達到最優化。如果已投產的變頻器逆變單元沒有用足，以后設備增加，要求增加輸出，只要在直流母線上并接更多的單元即可。

　　這種變頻器具備了PWM技術帶來的各項優點，在額定功率下效率可達到98％以上，在整個調速范圍內達到0.95以上的功率因數。無需輸入濾波器就可達到IEEE519一1992《電力系統中諧波控制的要求》中對諧波的要求。

　　此方案的不足之處在于IGBT器件的電壓和容量的限制。目前，高壓IGBT的水平已達到4000V/1500A或更高，但為可靠性起見實用上均留有余地；又因為IGBT器件一般少用串聯，故本系列變頻器逆變器二重化時的輸出功率通常不超過2400V/200kW。

　　5-3SCR電流型變頻器

　　SCR電流型變頻器采用晶閘管三相橋式整流電路將交流變為直流，然后再在逆變部分也采用晶閘管三相橋式電路將直流變為頻率可調的交流，將其輸出以控制電動機運行和調速。由于在它的直流母線上串聯有平波電抗器，此種變頻器因此具有電流源特性，故得名。

　　根據晶閘管換流方式的不同，有多種電流型變頻器。目前用得最成功的，當屬“負載換向式”電流型變頻器。它通過負載所供給的超前電流使晶閘管關斷，以實現自然換向。由于同步電動機可以通過勵磁電流的調整達到功率因數超前，實現起來比較容易，因此，負載換向式電流型變頻器(LCI)特別適合于同步電動機的變頻調速和起動。

　　當電流型變頻器用于異步電動機調速時，必須在變頻器的輸出端加設LC濾波器，以達到自然換向的目的，這稱為“輸出濾波器換向式”變頻器或“自換向式”變頻器(SSI)，以區別于用于同步電動機調速的“負載換向式”變頻器(LCI)。

　　圖24所示是自換向式變頻器(SSI)較好的一種形式。該變頻器的逆變器和整流器具有相同的結構，器件可互換。位于直流回路上的分流電路用于輔助換向。當頻率較低或起動初期，由于濾波器不能有效換向，可通過分流器使直流回路中的電流迅速旁路，使逆變器的晶閘管有效關斷，實現換向。大約達到額定頻率的60％時(視電動機特性而定)，分流器斷開，逆變器通過輸出濾波器和交流電動機自身反電動勢的聯合作用自然換向。

　　輸出濾波器的另一個作用是減小輸出波形畸變并抑制di/dt。濾波器的參數應根據特性由計算機仔細選擇。濾波器與電動機之間的接觸器用來隔斷電容器和電動機之間的聯系，以防止一旦變頻器停止功率輸出時電動機的自激發電。

圖24自換向式變頻器

　　電流型變頻器的優點是能量可以回饋到電網，因此系統可以四象限運行。由于存在大的平波電抗器和快速電流調節器，過電流保護較容易實現。但是由于采用三相橋式晶閘管整流，電流型變頻器的輸入波形畸變較為嚴重，功率因數也會隨電動機轉速的下降而有所下降。實際上常采用接入輸入濾波器或多重化(如12脈波)的方法，使輸入電壓和電流畸變達到IEEE519一1992《電力系統中諧波控制的要求》規定量值。

　　由于晶閘管(SCR)器件生產工藝成熟，可做到其他器件尚不能達到的電壓和容量(10kV/10kA以上)，所以，此種變頻器在3000kW以上的大型調速系統，尤其是在大型同步電動機調速系統中仍有優勢。

　　美國ANSALDOROSSHILL公司最早開發和成批生產VF系列中高壓變頻器，用于大型異步/同步電動機的調速，見表7。

　　表7VF系列電流型變頻器

　　注：1hp=745.700W。

　　意大利ANSALDO公司還生產SilcovertS系列變頻器，專門用于大型同步電動機調速和起動，標準產品為6kV/25MW，特殊訂貨產品為22.5kV/MW。

　　德國SIEMENS公司Simoverts系列，也是一種電流型的交－直－交變頻器。其功率單元由兩套完全隔離的6脈波電流型變頻器構成2脈波系統。產品規格與ANSALDO相似。

　　6、結論

　　本文介紹了當今國外流行并生產的中高壓變頻器11種主電路構成及特性，八種類型是①單元串聯多電平②中心點鉗位(NPC)三電平③多相整流輸入功率單元輸出H橋三電平④二電平電流型⑤多電平⑥多重化電流型⑦多重化電壓型⑧自換向式電流型。特別是第③種電路方案是2010年才問世的新產品，綜合性能指標較佳，是今后發展方向之一，也值得國內近50家工廠，現在還在生產的第①種電路方案改進成為第③種的思路借鑒，顯得十分的必要，至于究竟選用何種主電路方案，它們各有特色，各有千秋，應用對象，各不相同那就請客戶根據自己的設備特性，使用要求、經濟實力、各取所需吧！