對(duì)國(guó)內(nèi)流行的多單元串聯(lián)式高壓變頻器的反思

　　國(guó)內(nèi)的高壓變頻器廠家,如利德華福等，都在走ROBICON的路線：用復(fù)雜的多脈沖變壓器，串聯(lián)一大堆的整流橋和逆變橋以提高電壓。而且?guī)缀跫壹胰绱耍ハ嗫截惓u，幾乎把高壓變頻器變成了勞動(dòng)密集型產(chǎn)品。

　　這種拓?fù)溆心敲春脝幔坎徽f(shuō)別的，就成本而言，單單是那個(gè)變壓器，10千伏需要27個(gè)副邊繞組（最近他們提高了DCLINK電壓，繞組數(shù)減少了一些，但仍然要24個(gè)）。由于鐵心和銅材價(jià)格翻跟斗似的上漲，現(xiàn)在變壓器成本幾乎占變頻器總成本的40%以上。這使得這種結(jié)構(gòu)由于使用低壓半導(dǎo)體而產(chǎn)生的成本優(yōu)勢(shì)蕩然無(wú)存。

　　反觀半導(dǎo)體器件，電壓等級(jí)越做越高，現(xiàn)在6500V的IGBT，IGCT以及SGCT十分成熟，每安培的價(jià)格也以3~5%的速度逐年下降；實(shí)用的10千伏器件也呼之欲出。多單元串聯(lián)技術(shù)在10年前是有優(yōu)勢(shì)的，因?yàn)槟菚r(shí)高壓半導(dǎo)體器件技術(shù)跟不上。但現(xiàn)在看，這種拓?fù)渑c半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展背道而馳----新的高壓半導(dǎo)體技術(shù)在這種拓?fù)渲芯谷粺o(wú)用武之地，真是電力電子行業(yè)的一大怪事！

　　當(dāng)然，按流行的說(shuō)法，這種拓?fù)溆兄C波小的優(yōu)點(diǎn)。

　　這個(gè)可以從兩方面來(lái)說(shuō)。第一是輸入諧波。理論上，36脈沖變壓器的輸入諧波小于3%或更低。但實(shí)際上，由于受變壓器制造工藝和變頻器運(yùn)行方式的制約，這個(gè)指標(biāo)經(jīng)常達(dá)不到，有時(shí)甚至高于5%。這是因?yàn)槎嗝}沖變壓器消除諧波的機(jī)理是利用同次諧波在不同副邊繞組中的移相角不同。它對(duì)變壓器有如下的要求：

　　1）各個(gè)副邊繞組的負(fù)載必須平衡；

　　2）各個(gè)副邊繞組的阻抗必須平衡；

　　3）各個(gè)副邊繞組的之間的互感必須嚴(yán)格控制；

　　4）各個(gè)副邊對(duì)原邊的電壓比必須平衡；

　　5）各個(gè)副邊繞組的移相角必須精確。

　　其中第一條與變頻器的運(yùn)行控制有關(guān)，當(dāng)電機(jī)降壓運(yùn)行時(shí)，不是所有的單元都輸出功率，諧波并不能互相抵消。其他4條與變壓器的制造工藝有關(guān)，都不太好處理。比如第5條，移相角的問(wèn)題。以36脈沖為例，一共3*6=18個(gè)副邊繞組，每6個(gè)一組，相互之間移10度。這10度相差一般是通過(guò)ZIGZAG的接線形成（EXTENDED-YOR-D）。在這樣小的角度下，用于產(chǎn)生相差的線圈經(jīng)常只有幾匝（大功率變壓器本來(lái)匝數(shù)就少）。如果理論上，算出一個(gè)8.4匝，我們只能繞個(gè)8匝，這就有5%的匝數(shù)誤差。反映到相角，有時(shí)相差一兩度，怎么抵消諧波？根據(jù)我自己的經(jīng)驗(yàn)，18脈沖變壓器移相誤差2度是經(jīng)常的事，這時(shí)候電流中出現(xiàn)17次以下的低次諧波。脈沖數(shù)越多，移相角越小，變壓器越是難做。這就是為什么高于36脈沖的變壓器基本上做不出來(lái)。

　　第二方面，就是輸出諧波和DV/DT小。輸出諧波當(dāng)然是越小越好，但是凡事有個(gè)度，關(guān)鍵是我們以什么代價(jià)取得這個(gè)指標(biāo)。而且如前所述，變頻器降壓運(yùn)行時(shí)，有些單元不輸出功率，電平數(shù)量下降，輸出諧波也會(huì)升高。我的觀點(diǎn)是，不能不顧代價(jià)地追求輸出波形質(zhì)量，而應(yīng)該充分利用電機(jī)對(duì)諧波的容忍度，經(jīng)濟(jì)地選擇拓?fù)洹Ｖ劣贒V/DT，一個(gè)小的DV/DT濾波器就可以解決問(wèn)題。

　　當(dāng)然，我這里并不是說(shuō)多電平串聯(lián)這種結(jié)構(gòu)不能用，而是覺(jué)得它和半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展嚴(yán)重脫節(jié)甚至背道而馳，而且它嚴(yán)重依賴于輸入變壓器。考慮到國(guó)際市場(chǎng)鋼材和銅材價(jià)格的走向，業(yè)界也許該反思高壓變頻器的拓?fù)淞恕Ｕf(shuō)這種拓?fù)涓撸怯懈鶕?jù)的。ROBICON開發(fā)出這種產(chǎn)品后，賣了不少，占了不少的市場(chǎng)份額，卻沒(méi)有賺到多少錢，更在2005年差點(diǎn)破產(chǎn)，結(jié)果被西門子收購(gòu)。西門子家大業(yè)大，他們看中的與其說(shuō)是技術(shù)，不如說(shuō)是市場(chǎng)。

　　照我說(shuō)，這種拓?fù)渥畲蟮呢暙I(xiàn)是降低了高壓變頻器的技術(shù)門檻，讓國(guó)內(nèi)高校實(shí)驗(yàn)室都可以做出6千伏以上的樣機(jī)。而且，它很容易理解和掌握，為我國(guó)變頻器的推廣做出了貢獻(xiàn)。但是它也易于被復(fù)制抄襲，造成蜂擁而起。國(guó)內(nèi)廠家為什么沒(méi)有3電平的高壓產(chǎn)品？為什么沒(méi)有電流源型的高壓產(chǎn)品？原因是這些拓?fù)浼夹g(shù)復(fù)雜，不容易掌握。而國(guó)外主流廠家除ROBICON外，象ABB，SIEMENS，ROCKWELL，CONVERTEAM（ALSTOM），GE/TOSHIBA等，都沒(méi)有用多單元串聯(lián)結(jié)構(gòu)，除專利的因素外，成本因素也不容忽視。