目前高压变频器的特性论述

1、目前高压变频器的特性论述目前，世界上对高压电动机变频调速技术的研究非常活跃，高压变频器的种类层出不穷，作为用户都希望能选择实用而具有良好性价比的高压变频器，如何选择便是值得研究的问题。知己知彼，百战百胜，首先按照自己的工况拟定对高压变频器的技术要求，针对性的选择高压变频器的方案、产品和售后服务，否则会出现应用不理想，投资损失大。不同高压变频器的电路拓扑方案具有不同的技术水平。技术水平决定变频器和传动系统的稳定性、可靠性、使用寿命、维护费用、性价比等重要指标。就如同笔记本电脑功能都基本相同，但不同的技术水平，质量价位从3000元到数万元之差。为此，了解不同种类的高压变频器内含技术水平，选择变频器

2、的品质与工况相结合，达到投入少、节能回报率高的理想效果。 1 高压变频器的概念 按国际惯例和我国国家标准对电压等级的划分，对供电电压10KV时称高压，1kV10KV时称中压。我们习惯上也把额定电压为6kV或3kV的电机称为“高压电机”。由于相应额定电压110KV的变频器有着共同的特征，因此，我们把驱动110KV交流电动机的变频器称之为高压变频器。高压变频器又分为两种性质类型，电流型和电压型，其特点区别：变频器其主要功能特点为逆变电路。根据直流端滤波器型式，逆变电路可分为电压型和电流型两类。前者在直流供电输入端并联有大电容，一方面可以抑制直流电压的脉动，减少直流电源的内阻，使直流电源近似为恒压源

3、；另一方面也为来自逆变器侧的无功电流提供导通路径。因此，称之为电压型逆变电路。 在逆变器直流供电侧串联大电感，使直流电源近似为恒流源，这种电路称之为电流型逆变电路。电路中串联的电感一方面可以抑制直流电流的脉动，但输出特性软。电流型变频器是在电压型变频器之前发展起来的早期拓扑。 2 电压型逆变器与电流型逆变器的特点区别（1）直流回路的滤波环节。电压型逆变器的直流滤波环节主要采用大电容，因此电源阻抗小，相当于电压源。电流型逆变器的直流滤波环节主要采用大电感，相当于恒流源。（2）输出波形。电压型逆变器输出的电压波形是SPWM高频矩形载波，输出的电流波形在感性负载时近似于正弦波，含有部份的高次谐波分量

4、，输入采用简易滤波，便可满足国家潜波含量标准。电流型变换器输出的电流波形是一个交变矩形波，其输出的电压波形接近正弦波，含有丰富的高次谐波分量，电机易发高热，一般使用时都要选用进口的特制电动机。输入谐波含量极高，须采用巨大，笨重的滤波器，方能使用。 （3）四象限运行。电流型逆变器由于在其直流供电侧串联大电感，在维持电流方向不变的情况下，可控硅整流桥可改变电压极性，所以很容易使逆变器运行在整流状态，从而使整流桥处于逆变状态，实现四象限运行。电压型高压变频器只有二电平采用IGBT整流回馈，可四象限运行。（4）动态性能。电流型逆变器有大电感，电流动态响应较困难，需求动态力矩跟不上，特性软；电压型逆变器

5、可以用电流反馈环控制，响应速度快，适应现代控制理论：高级的佳灵直接速度控制、富士矢量控制，ABB直接转矩控制，次之的空间电压矢量控制和转差优化F/U控制。在速度开环的条件下，可高速、高精度地实现对电机的磁通力矩控制，使电机特性可柔、可刚；动态性能尤好。（5）过流及短路保护是高压变频器关键的保护功能。电流型逆变器因回路中串有大电感，能抑制短路等故障时电流的上升率，故电流型逆变器的过流和短路保护容易实现，而一般的电压型逆变器则较为困难，只有二电平电压型高压变频器设有直流电感，可抑制di/dt的上升速率，易实现过流保护和短路保护。（6）对开关管的要求。电压型逆变器中的开关管要求关断时间短，但耐压较低

6、；而电流型逆变器中的开关管对关断时间无严格要求，但耐压要求相对较高。 （7）采用电流型逆变器需加两个电感，并且开关管截止时所承受的电压比电压型高的多。目前只有AB公司有该技术方案的产品。从上述区别中表明电压型高压变频器比电流型高压变频器更具应用前景。 3 四种电压型高压变频器的拓扑方式的特点 3.1 目前电压型高压变频器实现高压的拓扑方式 近年来，随着电力电子技术应用的发展需要，促使电力电子器件快速发展；反过来，一代新器件或一项新技术一旦克服了老器件的某些缺点，就会推动包括变频器在内的电力电子应用装置出现革命性的变化。 IGBT在90年代迅速发展，绝缘性、模块化与其工作频率可达20kHz，使变

7、频器进入“静音”时代。它没有2次击穿的困扰，在380V、660V异步电动机变频调速的使用效果，被社会广泛接受，使得低电压变频器的发展，在目前进入大发展的全盛时期。 (源自：)在电压为1140V3-10KV的高压电动机变频调速中，IGBT模块的工作电压己远远跟不上使用要求。由于IGBT元件目前IGBT作到3.3kV，IGCT作到4.5kV，但也不能满足直接使用的电压等级。又其性能差价格高昂，制造产品昂贵。由于IGBT元件串联后将出现的一些世界级技术难题，在高开关频率下的多环节动态dv/dt高峰值，线路电感、引线电感、母板技术、串联同步控制、动态均压等等，都使产品出现崩溃性的难点，被国内外业内研发

8、专家列为研发的禁区。高压变频器究竟用什么器件，成为世界业内电气设计的研究创造的热门。因此，高压变频器在不同的历史时期，就有不同的技术与技术产品出现： A类：风机、水泵专用高压变频器。驱动对象：高压交流异步电动机风机、水泵专用（要求不高的平方转矩和对动态控制要求不高的工况） （1）高-低-高方式，采用降压变压器 低压变频器 特殊升压变压器 电机； （2）12脉冲变压器 整流 IGBT三电平两电位重叠间接高压方式； （3）曲拆多脉冲变压器 整流 IGBT单元串联多电位重叠间接高压方式； 注：间接指在变频器变流环节中，存在利用了变压器来进行电压变换的过程。 B类：通用高压变频器。驱动对象：高压交流异

9、步电动机；高压交流同步电动机。负载通用类：（既可适用风机、水泵，也可使用于全程快速高转矩控制和四象限运行的各种机械传动控制。） （4）直接整流 IGBT元件串联直接高压方式； 3.2 高-低-高方式 电压变换方式：降压变压器（R1） 低压变频器（R2） 升压变压器（R3） 电机（R4）。 系统等效阻抗R=R1+R2+R3+R4 输出变压器需特殊制造，成本高，功率因数低，效率低，自损耗大，笨重。系统性能差，可用于一般工艺调速，不宜于调速节能的应用。3.3 IGBT三电平两电位重叠间接高压方式（简称：三电平高压变频器） 电压变换方式：电源 降压变压器（R1） IGBT三电平逆变器（R2） 电机（R

10、3）。 系统等效阻抗R=R1+R2+R3 （升压时加升压变压器阻抗R4） 三电平高压变频器又称“中性点箝位式”（也称NPC(Netural Point Clamped中点箝位方式)高压变频器，这是近几年才开发和推出的一种高压变频器，高压变频调速系统采用中性点箝位三电平技术。变频器主要由输入12脉冲变压器、整流器、中性点箝位回路、三电平模式逆变器、输出滤波器、控制部分等组成。 整流电路一般采用二极管，箝位采用高压快恢复二极管，逆变部分功率器件采用GTO、IGBT或IGCT。输出电压等级4.16kV。初期便用时由于输出电压与电机工作电压不直接匹配，对6KV须将高压电机“Y”接法改为“ ”接法。当变

11、频器故障时，又改回去，工频运行。目前为可在输出端增设一个自耦升压变压器，可直接用于6KV和10KV高压电机，类似高-低-高方式。目前为ABB公司和西门子公司技术方案产品。 图1 中性点箝位三电平PWM高压变频器主电路拓扑结构图由图1可以看出，该系列变频器采用类似传统的电压型变频器结构，关键技术在对中点上、下漂动处理，空载和轻载漂动小，随负载的加重或动态变化，电容难以支撑中点位，特别是各电容的容抗不等因素，箝位中点也稳不住，箝位电压随之浮动。中点的浮动的幅度大小，将会产生输出电压的非对称性，输出谐波，波形失真，共模电压的增大变化。其表现为，若输出端在不接电抗器，直接连高压电机运行，电动机会出现剧

12、烈抖动和高热（这是任何一种方式变频器都不会产生的现象）。为此，三电平高压变频器不管电机离的远近，都须装输出电抗器，解决电机振动大,噪音大的缺陷。而共模电压的隐患导致电机绝缘老化问题。由于三电平逆变开关模式中存在的多点死区，而需长死区时间保障开关切换就带来很高的共模电压。其缺陷是由电路特点，硬件产生的，单靠优化控制软件，只能收到微小的效果。还需同佳灵JCS型一样，增加输出共模抑制器方可有效。 三电平在输出电压较低时，实际上也相当于二电平的电压波形，其11、13、17 次谐波含量仍很高，谐波电流仍很大。若不加滤波器，还只能用供应商的专用电动机，且其输出电压只能达4200V，实际上是在后面加上了升压

13、变压器才能达到。 1）效率极低 三电平变频器的结构简单，但二极管的增多、线路增多，况且每个IGBT的驱动波形不一致，也必将导致箝位和开关性能的不一致。 功率元件的导通和关断是由箝位二极管来保证的。箝位二极管的耐压要求高，快恢复性能好，主器件数量多，致使系统结构相对复杂，而且扩展能力有限。 2）变频器容量需增大20%，投资高 开关器件的导通负荷不一致。靠近母线的开关和靠近输出端的导通负荷不平衡，这样应导致开关器件的电流等级不同。在电路中，如果按导通负荷最严重的情况设计器件的电流等级，则每相有2*(m-2)个外层器件的电流等级过大，造成浪费。变频器输出线电压4.16kV，电机三角形接法为3.3kV

14、，变频器输出必降压设定为3.3kV。变频器将产生无用功率为：4.16kV3.3kV=0.86kV在使用选型时，变频器的容量至少需增加20%的匹配容量，而增大投资。 3）由于需星 / 三角变换装置，才能实现工频 / 变频切换 对于6kV高压电机，三电平变频器采用/改接的办法，将型接法的6kV电机改为接法。 但在进行了/改接后，电机的电压与电网的电压不一致，无法实现旁路功能，当变频器出现故障时，又要保证生产的正常进行，必须首先将电机改回型接法，再投入6kV电网。为此，电机的改接必须加装/切换柜实现，以便实现旁路功能。 4）输出谐波含量大，需要专用变频电机。 由于三电平变频器，所固有的输出波形中含高

15、的谐波分量，使得输出性能不良好。输出电流、电压波形见图2。低速区变频器的波形极差，基本上不能满足工况的要求。因此，在变频器的输出侧必须配置LC滤波器才能用于普通的鼠笼型电机。同样由于谐波的原因，电动机的功率因数和效率、甚至寿命都会受到一定的影响，只有在额定工况点才能达到最佳的工作状态，但随着转速的下降，功率因数和效率都会相应降低。输出电压谐波5.、7高，11次、13次谐波达到20%以上，会引起电动机谐波无功发热、转矩脉动，这对电缆和电动机都是致命的影响。因此，外商一般都力荐采用专用电动机。 3.4单元串联多重化变频器 曲拆多脉冲变压器 整流 IGBT单元串联多电位重叠间接高压方式电压变换方式：

16、电源 变压器（R1） 单元串联变频器（R2） 电机（R3） 系统等效阻抗R=R1+R2+R3 单元串联多重化技术高压变频器，是利用移相主变压器降压，再通过多个低压单相变频器（图3a）串联和控制器结构组成。各功率单元由一个曲拆多绕组的移相主变压器降压供电。变压器是单元串联高压变频器设备电路结构中的一个重要部件。3kV有12个功率单元，每4个功率单元串联构成一相。6kV系列有15个功率单元，每5个功率单元串联构成一相。10KV系列有21个功率单元，每7个功率单元串联构成一相。移相变压器中，变频器6kV时需要3×5个绕组，引出主接线头48根，（10KV时需3×7个绕组，引出主接线

17、头66根，）。变压器输入端采用内部三角形，输出为外部星形的延边三角形接法，见图3。 所谓多重化技术就是每相由几个低压PWM功率单元串联组成，各功率单元由一个多绕组的隔离变压器多级移相叠加的整流方式供电，由CPU实现控制再以光导纤维隔离驱动。输出侧由每个单元的U、V输出端子相互串接而成星型接法给电机供电。通过对每个单元的PWM波形进行重组多重化。可实现输入端（变频器在高频段输出50Hz时）条件下有较低的谐波含量（输出端谐波含量高）。图（3b）为6kV变频器的主电路拓扑图，每组由5个额定电压为690V的功率单元串联，因此相电压为690V×5=3450V，所对应的线电压为6000V。每个功

18、率单元由输入隔离变压器的15个二次绕组分别供电，15个二次绕组分成5组，每组之间存在一个12°的相位差。以中间接法为参考(0°)，上下方各有两套分别超前（12°、24°）和滞后（12°、24°）的4组绕组。所需相差角度可通过变压器的不同联接组别来实现。 图3e中的每个功率单元都是由低压（IGBT）构成的三相输入，单相输出的低压PWM电压型逆变器。每个功率单元按预编程时序输出不同相位差的PWM电压为1、0、1三种状态电平，每相5个单元成阶梯叠加，就可产生11个不同的梯度电平波形，图4为一相合成的输出正波包络电压波形。这种电压波形对电单元

19、串联机无特殊要求，可用于普遍笼型电机。 这种多重化技术构成的高压变频器，也称为单元串联电压型变频器，采用功率单元串联双“Y”回路，采取变压器多绕组别分组分压整流单元均压，单元电平叠加，变频器输出高电压的正弦波包络阶梯电压波形。适应普通笼型电机的变频调速驱动。多重化被称为“完美无谐波”，是外国某公司营销技术名词，以为中国人对变频技术的不了解，用输入端满载谐波含量作误导宣传，是概念混淆，偷梁换柱的说法。事实上，变频器产生的谐波应严格分为两个部分即：1、输入端谐波含量指标，指变频器对电网产生的骚扰作用。2、输出端谐波含量指标，指变频器的高频辐射和对电动机产生的运转脉动性、温升、绝缘老化、轴承疲劳的副

20、作用。实际上人们都知道变压器本身在作隔离功能的同时将产生新的谐波源，完全正弦的工频变压器都存在的励磁谐波，那非线性整流叠加的的变压器怎能“完美无谐波”。谐波还是有的，可以说：输入端谐波含量低，符合标准。事实上GB/T14549-93，电能质量，公用电网谐波和GB/T12668.4高压变频器标准中的输入谐波含量指标，许多高压变频都可达标到。单元串联多重化是在输出端建立在120o方波的基础上，变频器在额定频率、额定重负载时其波形较好，谐波含量较低。在低频段或轻负载时波形畸变大，输出三相电压非对称性频摆加大，电机磁链脉动增大，电机中性点与变频器中性点出现电位差，谐波剧增。由于这种结构的变频器中存在变

21、压器，如果电机的中性点没有接地，电机就存在共模电压。当电机的中性点接地后，共模电压仍然存在，没有消失，通过接地点转移到变压器上。让变压器来承受共模电压对绝缘的冲击和谐波热能。这就是这什么单元串联高压变频器变压器易坏的主要原因之一。变频器往往是用于低于工频下作节能运行的，这对电机寿命是极为不利的。外国某公司高压变频器在中国的初期应用中都须更换由他们生产的专用电机。也间接表明单元串联多重化变频器的输出谐波严重性。 （1）是一种单变压器高低高的有效方式。采用功率单元串联电压相加回路，采取变压器多绕组别分组分压整流单元均压，单元电平叠加，变频器输出高电压的阶梯电压波形，经电机定子电感滤波，相电压为正弦

22、波（实际上就任何变频器输出波形很差，只要经电机定子电感滤波，相电压都为正弦波）。 （2）成熟技术易于组合不同电压输出的要求。由于采用功率单元串联，采用低压变频器成熟技术，由低压IGBT组成逆变单元，通过串联单元的个数适应不同的输出电压要求； （3）功率单元模块化、标准化、单元间具有互换性。由于多功率单元具有相同的结构及参数，便于单元间具有互换性，实现冗余设计，即使在个别单元故障时也可通过单元旁路功能将该单元短路，系统仍能降额地可运行。 （4）实现工 / 变频切换操作简单。若考虑变频器故障后的工频运行，可增设一个简单切换装置，可方便地通过倒切开关，切换到工频运行。 （5）需制造复杂而昂贵的移相变

23、压器。由于系统中存在着必须的移相变压器，系统效率再提高不容易实现；移相变压器中，6kV三相6绕组×3（10KV时需12绕组×3）延边三角形接法，在三相电压不平衡（实际上三相电压是不可能绝对平衡的）时，产生的内部环流，必将引起内阻的增加和电流的损耗，也相应的就造成了变压器的铜损增大。此时，再加上变压器的铁芯的固有损耗（励磁功率是为不变因数），变压器的效率就会降低。也就影响了整个系统的效率，并随负载率的降低效率更要降低。变频器系统平均效率低。如果变压器损坏，维修极复杂，费用极高。总费用至少在购价的45%左右。 （6）输入谐波重载时含量低。由于采用了必要的移相变压器，实现多组整流

24、，间接地获得了输入端的低谐波含量指标。 （7） 使用的功率单元及功率器件数量太多，6kV系统要使用150只功率器件（90只二极管，60只IGBT）；移相主变压器接点太多，接线复杂，系统的内阻和损耗增大，。驱动元器和连线多。相应长期使用中故障必然多，维护复杂且工作量大。 （8）输出电压波形在额定负载时尚好，低于25Hz以下畸变突出，谐波含量大增。电机从0Hz起动时振动大，电机温度高，不能快加速的原因； （9）只能用于风机水泵的变频调速。 （10）动态特性软，响应速度慢，加速和减速时间长。 （11）不易用于含有制动工况的机械转动；不易实现能量回馈的四象限运行，且无法实现制动。 （12）装置的体积太

25、大，重量大，安装占地面积大。 3.5 IGBT元件直接串联高压变频器（通用高压变频器） 直接整流 IGBT元件串联直接高压方式 （无内含输入变压器）在中高压领域，矛盾的焦点是自关断功率器件如IGBT的耐压问题，对3kV、6kV、10KV或更高的工作电压IGBT的耐压短期内是无法解决的，而对高速功率开关器件的串联问题是全世界公认都未解决的尖端难题。电压变换方式：电源 IGBT元件串联直接高压器（R1） 电机（R2）。系统等效阻抗R=R1+R2 前面已讨论多电平、多重化的优点，而现代PWM 控制技术的发展水平，产生的电压波形能基本消除低次谐波，二电平比三电平整体效果更好，与多重化相差不大，在低频段

26、波形优于多电平和多重化。同时多电平、多重化带来的问题与直接串联比是相当多的。 直接串联二电平可以像低压变频器一样加直流制动电路或能量回馈，其动态性能也可以像低压变频器一样优越，其电路仍很简单。这对于多电平，特别是多重化并不容易。使它只能用于一些调速要求不高的场合。为此，IGBT元件直接串联高压变频器（通用高压变频器）应用了佳灵的核心DSC技术。直接速度控制（DSC）对交流传动来说是一个最优的电机控制方法，它可以对所有交流电机的核心变量进行直接控制。不需在电动机转轴上安装脉冲编码器来反馈转子位置信号而具有精确的速度和转矩的控制技术。极其关键的是控制中不受定子温度和转子温度变化引起对电机参数变化的

27、影响（矢量控制受定子温度影响变差，直接转矩控制受转子温度影响变差）。DSC开发出交流传动中前所未有的能力并给所有的应用提供了优秀服务。DSC 直接速度控制，是交流传动领域电机控制方式的一次革命，它从零速开始不使用电机轴上的脉冲码盘反馈就可以实现电机速度和转矩的精确控制。在零速度时能产生满载转矩。 在DSC中，定子磁通、转子磁场和转速被作为主要的控制变量。以滑差为误差，以转矩为调节量，以鲁棒性设计控制，确保稳定性和可靠性。高速数字信号处理器与先进的电机软件模型相结合使电机的状态每秒钟被更新4万次。由于电机状态以及实际值和给定值的比较值被不断地更新，逆变器的每一次开关状态都是单独确定的。这意味着变频器可以产生最佳的开关组合并对负载扰动和瞬时掉电、网压波动等动态变化做出快速响应。在DSC中不需要对电压，频率分别控制的PWM调制器。开环动态速度控制精度可以达到闭环磁通矢量控制的精度。DSC静态速度控制精度为标称速度的0.1%04%（50Hz2Hz），它满足了绝大多数的工业应用。当要求更精确的速度调节时，可以加装脉冲编码器可选件。DSC的开环转矩阶跃上升时间小于 5毫秒，而不带速度传感器的磁通矢量控制变频器的开环转矩阶跃上升时间却多于100毫秒，与直接转矩控制同等，转矩脉动0.3%比直接转矩控制