高壓變頻器的特性論述(一)

目前，世界上對高壓電動機變頻調速技術的研究非常活躍，高壓變頻器的種類層出不窮，作為用戶都希望能選擇實用而具有良好性價比的高壓變頻器，如何選擇便是值得研究的問題。知己知彼，百戰百勝，首先按照自己的工況擬定對高壓變頻器的技術要求，針對性的選擇高壓變頻器的方案、產品和售后服務，否則會出現應用不理想，投資損失大。不同高壓變頻器的電路拓撲方案具有不同的技術水平。技術水平決定變頻器和傳動系統的穩定性、可靠性、使用壽命、維護費用、性價比等重要指標。就如同筆記本電腦功能都基本相同，但不同的技術水平，質量價位從3000元到數萬元之差。為此，了解不同種類的高壓變頻器內含技術水平，選擇變頻器的品質與工況相結合，達到投入少、節能回報率高的理想效果。
1 高壓變頻器的概念
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”。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。高壓變頻器又分為兩種性質類型，電流型和電壓型，其特點區別：
變頻器其主要功能特點為逆變電路。根據直流端濾波器型式，逆變電路可分為電壓型和電流型兩類。前者在直流供電輸入端并聯有大電容，一方面可以抑制直流電壓的脈動，減少直流電源的內阻，使直流電源近似為恒壓源；另一方面也為來自逆變器側的無功電流提供導通路徑。因此，稱之為電壓型逆變電路。
在逆變器直流供電側串聯大電感，使直流電源近似為恒流源，這種電路稱之為電流型逆變電路。電路中串聯的電感一方面可以抑制直流電流的脈動，但輸出特性軟。電流型變頻器是在電壓型變頻器之前發展起來的早期拓撲。
2 電壓型逆變器與電流型逆變器的特點區別
（1）直流回路的濾波環節。電壓型逆變器的直流濾波環節主要采用大電容，因此電源阻抗小，相當于電壓源。電流型逆變器的直流濾波環節主要采用大電感，相當于恒流源。
（2）輸出波形。電壓型逆變器輸出的電壓波形是SPWM高頻矩形載波，輸出的電流波形在感性負載時近似于正弦波，含有部份的高次諧波分量，輸入采用簡易濾波，便可滿足國家潛波含量標準。電流型變換器輸出的電流波形是一個交變矩形波，其輸出的電壓波形接近正弦波，含有豐富的高次諧波分量，電機易發高熱，一般使用時都要選用進口的特制電動機。輸入諧波含量極高，須采用巨大，笨重的濾波器，方能使用。
（3）四象限運行。電流型逆變器由于在其直流供電側串聯大電感，在維持電流方向不變的情況下，可控硅整流橋可改變電壓極性，所以很容易使逆變器運行在整流狀態，從而使整流橋處于逆變狀態，實現四象限運行。電壓型高壓變頻器只有二電平采用IGBT整流回饋，可四象限運行。
（4）動態性能。電流型逆變器有大電感，電流動態響應較困難，需求動態力矩跟不上，特性軟；電壓型逆變器可以用電流反饋環控制，響應速度快，適應現代控制理論：高級的佳靈直接速度控制、富士矢量控制，ABB直接轉矩控制，次之的空間電壓矢量控制和轉差優化F/U控制。在速度開環的條件下，可高速、高精度地實現對電機的磁通力矩控制，使電機特性可柔、可剛；動態性能尤好。
（5）過流及短路保護是高壓變頻器關鍵的保護功能。電流型逆變器因回路中串有大電感，能抑制短路等故障時電流的上升率，故電流型逆變器的過流和短路保護容易實現，而一般的電壓型逆變器則較為困難，只有二電平電壓型高壓變頻器設有直流電感，可抑制di/dt的上升速率，易實現過流保護和短路保護。
（6）對開關管的要求。電壓型逆變器中的開關管要求關斷時間短，但耐壓較低；而電流型逆變器中的開關管對關斷時間無嚴格要求，但耐壓要求相對較高。
（7）采用電流型逆變器需加兩個電感，并且開關管截止時所承受的電壓比電壓型高的多。目前只有AB公司有該技術方案的產品。
從上述區別中表明電壓型高壓變頻器比電流型高壓變頻器更具應用前景。
3 四種電壓型高壓變頻器的拓撲方式的特點
3.1 目前電壓型高壓變頻器實現高壓的拓撲方式
近年來，隨著電力電子技術應用的發展需要，促使電力電子器件快速發展；反過來，一代新器件或一項新技術一旦克服了老器件的某些缺點，就會推動包括變頻器在內的電力電子應用裝置出現革命性的變化。
IGBT在90年代迅速發展，絕緣性、模塊化與其工作頻率可達20kHz，使變頻器進入“靜音”時代。它沒有2次擊穿的困擾，在380V、660V異步電動機變頻調速的使用效果，被社會廣泛接受，使得低電壓變頻器的發展，在目前進入大發展的全盛時期。
在電壓為1140V～3-10kV的高壓電動機變頻調速中，IGBT模塊的工作電壓己遠遠跟不上使用要求。由于IGBT元件目前IGBT作到3.3kV，IGCT作到4.5kV，但也不能滿足直接使用的電壓等級。又其性能差價格高昂，制造產品昂貴。由于IGBT元件串聯后將出現的一些世界級技術難題，在高開關頻率下的多環節動態dv/dt高峰值，線路電感、引線電感、母板技術、串聯同步控制、動態均壓等等，都使產品出現崩潰性的難點，被國內外業內研發專家列為研發的禁區。高壓變頻器究竟用什么器件，成為世界業內電氣設計的研究創造的熱門。因此，高壓變頻器在不同的歷史時期，就有不同的技術與技術產品出現：
A類：風機、水泵專用高壓變頻器。驅動對象：高壓交流異步電動機風機、水泵專用（要求不高的平方轉矩和對動態控制要求不高的工況）
（1）高-低-高方式，采用降壓變壓器低壓變頻器特殊升壓變壓器電機；
（2）12脈沖變壓器整流IGBT三電平兩電位重疊間接高壓方式；
（3）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；
注：間接—指在變頻器變流環節中，存在利用了變壓器來進行電壓變換的過程。
B類：通用高壓變頻器。驅動對象：高壓交流異步電動機；高壓交流同步電動機。負載通用類：（既可適用風機、水泵，也可使用于全程快速高轉矩控制和四象限運行的各種機械傳動控制。）
（4）直接整流IGBT元件串聯直接高壓方式；
3.2高-低-高方式
電壓變換方式：降壓變壓器（R1）低壓變頻器（R2）升壓變壓器（R3）電機（R4）。
系統等效阻抗R=R1+R2+R3+R4
輸出變壓器需特殊制造，成本高，功率因數低，效率低，自損耗大，笨重。系統性能差，可用于一般工藝調速，不宜于調速節能的應用。
3.3IGBT三電平兩電位重疊間接高壓方式（簡稱：三電平高壓變頻器）
電壓變換方式：電源降壓變壓器（R1）IGBT三電平逆變器（R2）電機（R3）。
系統等效阻抗R=R1+R2+R3（升壓時加升壓變壓器阻抗R4）
三電平高壓變頻器又稱“中性點箝位式”（也稱NPC(NeturalPointClamped中點箝位方式)高壓變頻器，這是近幾年才開發和推出的一種高壓變頻器，高壓變頻調速系統采用中性點箝位三電平技術。變頻器主要由輸入12脈沖變壓器、整流器、中性點箝位回路、三電平模式逆變器、輸出濾波器、控制部分等組成。
整流電路一般采用二極管，箝位采用高壓快恢復二極管，逆變部分功率器件采用GTO、IGBT或IGCT。輸出電壓等級4.16kV。
初期便用時由于輸出電壓與電機工作電壓不直接匹配，對6KV須將高壓電機
“Y”接法改為“”接法。當變頻器故障時，又改回去，工頻運行。
目前為可在輸出端增設一個自耦升壓變壓器，可直接用于6KV和10KV高壓電機，類似高--低--高方式。目前為ABB公司和西門子公司技術方案產品。