高壓大功率變頻器在鋼鐵廠的應用

按國際慣例和我國國家標準對電壓等級的劃分，對供電電壓≥10kV時稱高壓，1kV～10kV時稱中壓。我們習慣上也把額定電壓為6kV或3kV的電機稱為“高壓電機”。高壓電動機在工礦企業中應用極為廣泛，在冶金、鋼鐵、化工、水處理等行業中，用于拖動風機、泵類、壓縮機及各種大型機械，其消耗的能源占電機總能耗的70％以上。由于相應額定電壓1～10kV的變頻器有著共同的特征，因此，我們把驅動1～10kV交流電動機的變頻器稱之為高壓變頻器。但目前我國的調速和起動方法仍很落后，浪費了大量的能源且造成機械壽命低。因此，推廣應用高壓變頻調速及起動裝置的效益和潛力是非常巨大的。

2 幾種高壓大功率變頻器概述

2.1 單元串聯多重化電壓源型高壓變頻器

該系列高壓變頻器是利用低壓單相變頻器串聯，解決功率器件IGBT的耐壓能力的不足。所謂多重化，就是每相由幾個低壓功率單元串聯組成，各功率單元由一個多繞組的移相隔離變壓器供電，用高速微處理器實現控制和以光導纖維隔離驅動。

其缺點是:

（1） 使用的功率單元及功率器件數量太多，6kV系統要使用150只功率器件（90只二極管，60只IGBT），裝置的體積太大，重量大，安裝位置和基建投資也成問題;
（2） 所需高壓電纜太多, 系統的內阻無形中增大, 接線太多，故障點相應的增多;
（3） 一個單元損壞時, 單元可旁路, 但此時輸出電壓不平衡中心點的電壓是浮動的, 造成電壓、電流不平衡，從而諧波也相應的增大, 勉強運行時終究會導致電動機的損壞;
（4） 輸出電壓波形在額定負載時尚好，低于25Hz以下畸變突出;
（5） 由于系統中存在著變壓器, 系統效率再提高不容易實現;
（6） 變壓器鐵芯的固有損耗, 也影響了整個高壓變頻器的效率。這種情況在越低于額定負荷運行時, 越是顯著。

2.2 中性點箝位三電平PWM變頻器

該系列變頻器采用傳統的電壓型變頻器結構。其逆變部分采用傳統的三電平方式，輸出波形中會產生較大的諧波分量，這是三電平逆變方式所固有的。因此在變頻器的輸出側須配置輸出LC濾波器才能用于普通的鼠籠型電機。同樣由于諧波的原因，電動機的功率因數、效率以至壽命都會受到一定的影響，在額定工況點能達到最佳的工作狀態，但隨著轉速的下降，功率因數和效率都會相應降低。

2.3 多電平+多重化高壓變頻器

多電平+多重化高壓變頻器的本意是想解決高壓IGBT的耐壓有限的問題，但此種方式，不僅增加了系統的復雜性，而且降低了多重化冗余性能好和三電平結構簡單的優點。因此此類變頻器實際上并不可取。

2.4 電流源型高壓變頻器

功率器件直接串聯的電流源型高壓變頻器是在線路中串聯大電感，再將SCR（或GTO、SGCT等）開關速度較慢的功率器件直接串聯而構成的。

這種方式雖然使用功率器件少、易于控制電流，但沒有真正解決高壓功率器件的串聯問題。因為即使功率器件出現故障，由于大電感的限流作用，di/dt受到限制，功率器件雖不易損壞，但帶來的問題是對電網污染嚴重、功率因數低。電流源型高壓變頻器是最早的產品，但凡是電壓型變頻器到達的地方，它都被迫退出，因為在經濟上、技術上，它都明顯處于劣勢。

3 功率器件IGBT直接串聯的真正直接高壓

3.1 主電路簡介

圖1中看出系統由電網高壓直接經高壓斷路器進入變頻器，經過高壓二極管全橋整流、直流平波電抗器和電容濾波，再通過逆變器進行逆變，加上正弦波濾波器，簡單易行地實現高壓變頻輸出，直接供給高壓電動機。

圖1 IGBT直接串聯高壓變頻器

功率器件IGBT直接串聯的二電平電壓型高壓變頻器是采用變頻器已有的成熟技術，應用獨特而簡單的控制技術成功設計出的一種無輸入輸出變壓器、IGBT直接串聯逆變、輸出效率達98%的高壓變頻調速系統。

對于需要快速制動的場合，采用直流放電制動裝置，如圖2所示。

圖2 具有直流放電制動裝置的IGBT直接串聯高壓變頻器主電路圖

如果需要四象限運行, 以及需要能量回饋的場合，或輸入電源側短路容量較小時, 也可采用如圖3所示的PWM整流電路, 使輸入電流真正實現完美正弦波。

圖3 具備能量回饋和四象限運行的IGBT直接串聯高壓變頻器主電路圖

現將 IGBT直接串聯高壓變頻器與以往幾種高壓變頻器的主要性能比較列于附表。

附表 IGBT直接串聯高壓變頻器與其它幾種高壓變頻器的主要性能比較表

3.2 IGBT直接串聯高壓變頻器技術介紹

（1） 高速功率可關斷器件的串聯技術

佳靈獨有的世界首創高速功率可關斷器件（特別是IGBT）直接串聯技術[3], 使真正無輸出、輸入變壓器的高壓變頻器成為現實。這對于提高性能、效率、減小體積、重量等各項主要技術經濟指標, 是以往任何一種變頻器都無法比擬的。

（2） 抗共模電壓技術

采用抗共模電壓技術，使高壓變頻器徹底去掉變壓器得以最終實現，并對電機無特殊的絕緣要求，使佳靈公司高壓變頻器真正成為世界最小體積的變頻器[3]。

（3） 正弦波技術

輸入電流正弦波技術，提高了功率因數，降低了對電網的干擾，特別是根據電源及負載的情況，輸入端可用多種不同的配置，以符合IEEE519-92的要求。更可滿足四象限快速加減速等場合的應用要求。

3.3 IGBT直接串聯高壓變頻器的性能特點

（1）無與倫比的電動機速度和轉矩控制

IGBT直接串聯高壓變頻器的開環動態速度控制精度與采用閉環磁通矢量控制的變頻器相對應。其靜態速度控制精度通常為正常轉速的0.1%至0.5%，能滿足大多數工業領域的要求。在速度調節精度要求更高的場合，可采用脈沖編碼器。IGBT直接串聯高壓變頻器具有快速轉矩階躍響應, 對電網側和負載側的變化具有極快的反應, 對失電、負載突變和過電壓狀態易于控制。因此，IGBT直接串聯高壓變頻器的優勢特別明顯。

（2） 模塊化的構造與設計保證了系統的高利用率

每個功率單元都是相同的，并裝在一個可抽出的機架上，模塊化的結構使得調換單元的工作只需15min，換一個功率單元只需斷開5個接口和一個光纖插口。模塊化設計不僅使系統結構十分緊湊，而且也增強了系統的維修便利性，因而提高了系統的可利用率。

（3） 高效率及完善的磁通優化

IGBT直接串聯高壓變頻器系統效率在98%以上。這一效率大大超過其它變頻調速系統的效率，其它變頻調速系統的效率計算，需包括變壓器，功率因數補償裝置，諧波濾波器等的損失。

在優化模式狀態，電動機的磁通能自動地與負載對應，保證了高效率，并降低了電動機噪音。由于磁通的優化，根據不同的負載點，電動機和傳動系統的總體效率提高1%到10%。

（4） 變頻輸出質量適用于普通電機, 電機無須降容

IGBT直接串聯高壓變頻器輸出波形，在整個速度和負載范圍內具有正弦波特性。適用于普通的標準感應電機和同步電機，電機無須降容，也不必使用專用變頻電機。

在低工作頻率段時，IGBT直接串聯高壓的PWM開關模式消弱了所有流向電動機的諧波。在高工作頻率段，PWM與內置于變頻中的微型電容器配合將諧波含量作進一步消除。與恒速運行相比，沒有額外的電機溫升及瞬變電壓對電動機絕緣破壞現象。

（5） 安靜平穩的電機運行，降低了噪聲

低噪聲運行的直接原因是高質量的電壓電流輸出波形。由于開關狀態是分別確定的，沒有固定的開關頻率，因此沒有使用普通PWM技術的交流傳動裝置中常見的共振所引起的刺耳的噪音。

4 IGBT直接串聯高壓變頻器的應用

4.1 項目應用背景

JCS6K-800高壓大功率IGBT直接串聯變頻器應用于萊鋼廠4#轉爐煤氣鼓風機的變頻運行。由于采用了IGBT直接串聯技術、直接速度控制技術、抗共模電壓技術、正弦波技術，不需要輸入輸出變壓器。系統效率高、體積小，結構緊湊，安裝簡單，現場配線少，調試周期短, 投入生產快。配套電機為南陽防爆集團有限公司生產的800kW/6kV YB630S1-2型電動機，風機為吉林四平鼓風機廠生產的7000m3/H逆旋風機，整個機組在調速范圍之內