高壓變頻器的特性論述(二)

3.3.1 技術特征
該系列變頻器采用類似傳統的電壓型變頻器結構，關鍵技術在對中點上、下漂動處理，空載和輕載漂動小，隨負載的加重或動態變化，電容難以支撐中點位，特別是各電容的容抗不等因素，箝位中點也穩不住，箝位電壓隨之浮動。中點的浮動的幅度大小，將會產生輸出電壓的非對稱性，輸出諧波，波形失真，共模電壓的增大變化。其表現為，若輸出端在不接電抗器，直接連高壓電機運行，電動機會出現劇烈抖動和高熱（這是任何一種方式變頻器都不會產生的現象）。為此，三電平高壓變頻器不管電機離的遠近，都須裝輸出電抗器，解決電機振動大,噪音大的缺陷。而共模電壓的隱患導致電機絕緣老化問題。由于三電平逆變開關模式中存在的多點死區，而需長死區時間保障開關切換就帶來很高的共模電壓。其缺陷是由電路特點，硬件產生的，單靠優化控制軟件，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，實際上也相當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，還只能用供應商的專用電動機，且其輸出電壓只能達4200V，實際上是在后面加上了升壓變壓器才能達到。
3.3.2產品特點
1）效率極低
三電平變頻器的結構簡單，但二極管的增多、線路增多，況且每個IGBT的驅動波形不一致，也必將導致箝位和開關性能的不一致。功率元件的導通和關斷是由箝位二極管來保證的。箝位二極管的耐壓要求高，快恢復性能好，主器件數量多，致使系統結構相對復雜，而且擴展能力有限。
2）變頻器容量需增大20%，投資高
開關器件的導通負荷不一致。靠近母線的開關和靠近輸出端的導通負荷不平衡，這樣應導致開關器件的電流等級不同。在電路中，如果按導通負荷最嚴重的情況設計器件的電流等級，則每相有2*(m-2)個外層器件的電流等級過大，造成浪費。變頻器輸出線電壓4.16kV，電機三角形接法為3.3kV，變頻器輸出必降壓設定為3.3kV。變頻器將產生無用功率為：
4.16kV—3.3kV=0.86kV
在使用選型時，變頻器的容量至少需增加20%的匹配容量，而增大投資。
3）由于需星/三角變換裝置，才能實現工頻/變頻切換
對于6kV高壓電機，三電平變頻器采用Ｙ/△改接的辦法，將Ｙ型接法的6kV電機改為△接法。但在進行了Ｙ/△改接后，電機的電壓與電網的電壓不一致，無法實現旁路功能，當變頻器出現故障時，又要保證生產的正常進行，必須首先將電機改回Ｙ型接法，再投入6kV電網。為此，電機的改接必須加裝Ｙ/△切換柜實現，以便實現旁路功能。
4）輸出諧波含量大，需要專用變頻電機。
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、電壓波形見圖2。低速區變頻器的波形極差，基本上不能滿足工況的要求。因此，在變頻器的輸出側必須配置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，電動機的功率因數和效率、甚至壽命都會受到一定的影響，只有在額定工況點才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。輸出電壓諧波5.、7高，11次、13次諧波達到20%以上，會引起電動機諧波無功發熱、轉矩脈動，這對電纜和電動機都是致命的影響。因此，外商一般都力薦采用專用電動機。
3.4單元串聯多重化變頻器
曲拆多脈沖變壓器整流IGBT單元串聯多電位重疊間接高壓方式
電壓變換方式：電源變壓器（R1）單元串聯變頻器（R2）電機（R3）
系統等效阻抗R=R1+R2+R3
3.4.1主電路
單元串聯多重化技術高壓變頻器，是利用移相主變壓器降壓，再通過多個低壓單相變頻器（圖3a）串聯和控制器結構組成。各功率單元由一個曲拆多繞組的移相主變壓器降壓供電。變壓器是單元串聯高壓變頻器設備電路結構中的一個重要部件。3kV有12個功率單元，每4個功率單元串聯構成一相。6kV系列有15個功率單元，每5個功率單元串聯構成一相。10kV系列有21個功率單元，每7個功率單元串聯構成一相。移相變壓器中，變頻器6kV時需要3×5個繞組，引出主接線頭48根，（10kV時需3×7個繞組，引出主接線頭66根，）。變壓器輸入端采用內部三角形，輸出為外部星形的延邊三角形接法，見圖3。
所謂多重化技術就是每相由幾個低壓PWM功率單元串聯組成，各功率單元由一個多繞組的隔離變壓器多級移相疊加的整流方式供電，由CPU實現控制再以光導纖維隔離驅動。輸出側由每個單元的U、V輸出端子相互串接而成星型接法給電機供電。通過對每個單元的PWM波形進行重組多重化。可實現輸入端（變頻器在高頻段輸出50Hz時）條件下有較低的諧波含量（輸出端諧波含量高）。圖（3b）為6kV變頻器的主電路拓撲圖，每組由5個額定電壓為690V的功率單元串聯，因此相電壓為690V×5=3450V，所對應的線電壓為6000V。每個功率單元由輸入隔離變壓器的15個二次繞組分別供電，15個二次繞組分成5組，每組之間存在一個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4組繞組。所需相差角度可通過變壓器的不同聯接組別來實現。
圖3e中的每個功率單元都是由低壓（IGBT）構成的三相輸入，單相輸出的低壓PWM電壓型逆變器。每個功率單元按預編程時序輸出不同相位差的PWM電壓為1、0、－1三種狀態電平，每相5個單元成階梯疊加，就可產生11個不同的梯度電平波形，圖4為一相合成的輸出正波包絡電壓波形。這種電壓波形對電單元串聯機無特殊要求，可用于普遍籠型電機。
這種多重化技術構成的高壓變頻器，也稱為單元串聯電壓型變頻器，采用功率單元串聯雙“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階梯電壓波形。適應普通籠型電機的變頻調速驅動。
多重化被稱為“完美無諧波”，是外國某公司營銷技術名詞，以為中國人對變頻技術的不了解，用輸入端滿載諧波含量作誤導宣傳，是概念混淆，偷梁換柱的說法。事實上，變頻器產生的諧波應嚴格分為兩個部分即：1、輸入端諧波含量指標，指變頻器對電網產生的騷擾作用。2、輸出端諧波含量指標，指變頻器的高頻輻射和對電動機產生的運轉脈動性、溫升、絕緣老化、軸承疲勞的副作用。實際上人們都知道變壓器本身在作隔離功能的同時將產生新的諧波源，完全正弦的工頻變壓器都存在的勵磁諧波，那非線性整流疊加的的變壓器怎能“完美無諧波”。諧波還是有的，可以說：輸入端諧波含量低，符合標準。事實上《GB/T14549-93，電能質量，公用電網諧波》和GB/T12668.4高壓變頻器標準中的輸入諧波含量指標，許多高壓變頻都可達標到。單元串聯多重化是在輸出端建立在120o方波的基礎上，變頻器在額定頻率、額定重負載時其波形較好，諧波含量較低。在低頻段或輕負載時波形畸變大，輸出三相電壓非對稱性頻擺加大，電機磁鏈脈動增大，電機中性點與變頻器中性點出現電位差，諧波劇增。由于這種結構的變頻器中存在變壓器，如果電機的中性點沒有接地，電機就存在共模電壓。當電機的中性點接地后，共模電壓仍然存在，沒有消失，通過接地點轉移到變壓器上。讓變壓器來承受共模電壓對絕緣的沖擊和諧波熱能。這就是這什么單元串聯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能運行的，這對電機壽命是極為不利的。外國某公司高壓變頻器在中國的初期應用中都須更換由他們生產的專用電機。也間接表明單元串聯多重化變頻器的輸出諧波嚴重性。
3.4.2單元串聯多重化變頻器的技術特點
（1）是一種單變壓器高—低－高的有效方式。采用功率單元串聯電壓相加回路，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，經電機定子電感濾波，相電壓為正弦波（實際上就任何變頻器輸出波形很差，只要經電機定子電感濾波，相電壓都為正弦波）。


（2）成熟技術易于組合不同電壓輸出的要求。由于采用功率單元串聯，采用低壓變頻器成熟技術，由低壓IGBT組成逆變單元，通過串聯單元的個數適應不同的輸出電壓要求；

(源自：)
（3）功率單元模塊化、標準化、單元間具有互換性。由于多功率單元具有相同的結構及參數，便于單元間具有互換性，實現冗余設計，即使在個別單元故障時也可通過單元旁路功能將該單元短路，系統仍能降額地可運行。

（4）實現工/變頻切換操作簡單。