中压变频技术方案分析

1、中压变频技术方案分析交流变频调速技术是现代化电气传动的主要发展方向之一，它不仅调速性能优越， 而且节能效果良好。实践证明，驱动风机、水泵的大、中型笼型感应电动机， 采用交流变频调速技术， 节能效果显著，控制水平也大为提高。目前，变频调速技术已广泛应用于低压（380V ）电动机，但在中压（3000V 以上）电动机上却一直没有得到广泛应用，造成这种情况的主要原因是目前在低压变频器中广泛应用的功率电子器件均为电压型器件，耐压值基本都在1200-1800V ，研制高压变频器难度较大，为了攻克这一技术难题，国内外许多科研机构及大公司都倾注大量人力物力进行研究， 工业发达国家高压变频器技术已趋于成熟，国外

2、几家著名电器公司都有高压大容量变频器产品，典型的如美国 A-B （罗克韦尔自动化公司所属品牌）、欧洲的西门子公司、ABB公司等。这些公司产品的电压一般为3-6.6kv ，容量从250-4000kW ，所采用的技术也有很大差别。A-B从1990年研制成功并开始投入商业运行的变频器主要采用CSI-PWM 技术，即电流源逆变-脉宽调制型变频器，采用电流开关器件，无需升降压变压器即可以直接输出6KV电压，分强制风冷和水冷型，功率从 300到18000马力，至今已经应用于多个行业上 千台应用记录。是最有影响力，最为广泛接受的中压变频技术。美国罗宾康公司采用大量低压电压型开关器件，配合特殊设计的多脉冲多次

3、级抽头输出4*页幵-£JI If. Jl U隔离整流变压器，同样能够实现输出端直接 6千伏输出，由于是大量低压元件串接，故 被称之为多极化电压性解决方案。西门子公司和ABB公司分别采用中压 IGBT和IGCT器件，是典型的电压型变频器。器件耐压等级为 4160/3300V ，直接输出电压最高达 3300V 。所以国内也有将此种方 案称为高中方案，对应的将 6KV-6KV （如A-B方案）称为高高方案。中压变频器的发展和广泛应用是最近十数年的事情，相比之下低压变频器的应用却已经有超过二十年的时间。在中压变频器大面积推广应用之前，也出现了另外一种方案。即采用升降压变压器的 高-低-高”式

4、变频器，亦称间接中压变频器。高-低-高”式高压变频器，即间接高压变频器装置由输入、输出变压器及低压变频器组成。输入变压器为降压变压器， 它将高压电源电压降至变频器所允许的范围，经低压变频器后，再经输出变压器升压， 供给高压电动机。由于这种系统技术难度相对小，投资相对低，所以在国内一度应用较为活跃。但是此方案由于两次电压变换增加了损耗，影响了节能效果，并且占地面积大，还产生大量的高次谐波，有较明显的缺陷， 在技术上有明显的过渡性。所以一般认为适用于功率小于2OOkw 的中压电动机。相比之下， 高-高”式高压变频器，即直接高压变频调速系统，一般由输入侧隔离变压 器和多个功率单元串联组成，由于省掉了

5、输出变压器，因而减少了损耗，提高了功率，减少了占地面积，另外随着开发、制造、应用和维护的日臻成熟，高高式中压变频器的产品日趋标准化，成本不断下降，所以今天已经成为中压变频应用的首选方案。总之，不同于低压变频 产品厂商众多，技术雷同的 情况，中压产品主要供应厂 商的解决方案各不相同。其 中核心差别在于所选用的器 件类型不同。相应地系统配 备（变压器、电抗器、滤波装置等）都会有所差别，系统的可靠性、效率、谐波抑制效果（电力电子设备对电网端的影 响）和马达的友好性（电力电子设备到马达的输出端电流和电压波形情况对马达的影响）、 热损值、故障模式都会有所差别。不同的结构设计又会使得散热效果、环境要求、应

6、用友好性和系统可维护性存在诸多差别。从商业应用的角度考虑，制造商产品研发、销售、应用和支持的经验、在本地的业绩、经验以及支持能力也是考察的重要因素1）中压变频高低高解决方案对于功率相对较低的中压负载，采用降压变压器将电网电压降低，经由低压变频器， 再经过升压变频器控制中压电机。?优点：a）系统初始投资相对高高变频要低；b）同样不需要更换电机或者改变电机的接线方法，电缆变动不大。?缺点：c）系统采用升压-降压两个变压器，不仅使得系统占地面积大，结构复杂，可靠性降低（变压器是中压变频系统中较为薄弱的环节，更使得系统运行效率大大下降（约8-10% ），影响节能效果，系统总体拥有成本升高。d）升压变压

7、器必须能够承受变频器频率输出范围的大幅变动，设计和制造水平要求较高，一般需要进口，为日后的技术支持和产品维护带来一定的困难。另外一般的变压器设计阶段就已经确定了最佳运行频率，应用于变频输出升压可能会引起系统整体性能的下降。e）高低高方案中的低压变频器均为电压源型，本身输出波形就不是很理想，高次谐波经由 升压变压器放大后对（老）电机发热、噪声等都会带来不利的影响，缩短电机的使用寿命。尤其需要特别指出的是，对于改造应用，许多用户现有的电机都是B级绝缘的老式电机，如果发热和温升问题不能够很好的解决，将为系统的性能、寿命、可靠性方面埋下隐患。f）不同于高高变频器等专门的中压变频设备，高低高系统不能很好

8、地解决系统进线端谐波 对电网的污染问题，不符合相关的工业和国际标准（如IEEE 519谐波抑制指南。2）高中变频方案（三电平电压型）Siemensd）此类方案标准输入端整流一般采用12脉冲，而要满足国际上关于电网谐波控制的基本要求（IEEE-5.19,1992）最低也要18脉冲整流变压器。有的厂商采取提高整流变压器阻抗的方法来解决这个问题（高达 12%-14%），这样就影响了系统的效率；因此，对于三电平技术方案，要想彻底消除谐波隐患，其电路结构决定必须采用24脉冲整流。e）虽然高中方案较之高低高方案有了很大的进步，但是由于电压型器件只能单方向导通，所以每一个基本单元必须使用成对反并联的管子，而

9、且采用中性点引出，这样并不能做到器件数量的最低化，系统可靠性受到影响；f）由于电压型器件开关频率很高，输出波形中含有较多的高频分量，这样的电源输出质量对于电机尤其是老式的电机损伤较为明显,也容易埋下事故隐患。高中方案为了解决这一问总之，咼中方案较之咼低咼方案是技术上的一个重大的进步，投资介于咼低咼和咼咼方案之间，但是相对来说， 受到器件发展水平的限制，还不是成熟的解决方案，尤其是当用户 电机为老式电机式，需要承担一定的风险。3）多重化电压型方案（低压变频器串接叠加）6KVf1S-630V5 町码'所谓多重化电压型解决方案，就是每相采用多个低压IGBT低压变频器（630伏）串接叠加，达到

10、高电压输出到电机的目的。隔离变压器的设计与其他方案不同， 变压器的次级引出多个抽头，每个抽头引出630伏电压向低压IGBT器件提供馈电。?优点：a）由于直接可以输出6千伏电压，较之高低高或者某些高中方案省掉了升压变压器，系统效率有所提高。b）变压器次级绕组抽头的增加提高了隔离变压器脉冲数，系统进线侧消谐作用 增强，对进线电源谐波污染小，所以有些厂商提出的“完美无谐波”解决方案就是这样的道理。?缺点：a）该方案的最大缺点是系统特别复杂，牺牲了系统的可靠性和效率。典型地，其功率元件的总数量是CSI-PWM电流型解决方案的12倍，大量与之配套的电子 熔丝、电容器数量众多，给系统的可靠性、可维护性带来

11、较大的影响。b）由于隔离变压器制造工艺复杂，其次级绕组抽头的接线端子数量典型地是 CS I-PWM电流型解决方案的9倍，所以一般厂商将变压器与变频器集成制造，一般 同样需要进口，而变压器一般是中压变频系统较为薄弱的环节，万一出现故障， 用户将很难在短时间内恢复，对生产影响较大。c）由于变频器柜内器件数量十分庞大，系统热耗散加剧，对冷却系统和空调要 求较高，强制的风冷措施使得变频器系统能耗增加，效率降低。d）“完美无谐波”以牺牲系统可靠性和效率为代价， 在满足IEEE-519进线端谐 波污染问题上，并非最简单的实现形式。而且同所有电压源型解决方案一样，“完 美无谐波”是指进线端谐波抑制，出线端（针对电机的电压电流输出波形）并不 是十分理想，必须要加相应的滤波回路，对老的电机（如 B级绝缘）的适应性和 灵活性就不如电流源型解决方案。另外，这种方案无法实现停车时的能量回馈制 动。e）许多多重化电压型中压变频厂商的产品并非免维护设计