IGBT直接串联

1、IGBT直接串联直接串联高压高压变频器变频器成都佳灵电气集团成都佳灵电气集团2005年年04月月26日日第一篇第一篇 变频产业现状及发展趋势变频产业现状及发展趋势21世纪全球经济发展过程中，有两条显著的相互交织的主线：能源与环境。能源的紧张不仅制约了相当多发展中国家的经济增长，也为许多发达国家带来了相当大的问题。能源集中的地方也往往成为全世界所关注的热点地区。而能源的开发与利用又对环境的保护有着重大影响。全球变暖、酸雨等一系列环境灾难都与能源的开发和利用有着密切的关系。 1. 变频产业的现状变频产业的现状资料表明，受资金、技术、能源价格等因素的影响，中国能源利用效率比发达国家低很多。90年代，

2、中国高耗能产品的耗能量一般比发达国家高12%55%，能源系统总效率为9.3%，只及发达国家的50%左右。单位GNP能耗（以中国为1，与西方国家作对比）中国 瑞士 意大利日本法国德国英国美国10.070.090.090.110.120.140.221. 变频产业的现状变频产业的现状对能源的有效利用在我国已经非常迫切。作为能源消耗大户之一的电机在节能方面是大有潜力可挖的。我国电机的总装机容量已达4亿千瓦，年耗电量达6000亿千瓦时，约占工业耗电量的80%。我国在用电机拖动系统的总体装备水平仅相当于发达国家60年代水平。因此，在国家十五计划中，电机系统节能方面的投入将高达500亿元左右。2004年总

3、销售额估计为100亿，由此预计每年市场容量增长在30%以上，市场空间巨大，前景看好。1. 变频产业的现状变频产业的现状工业生产中大量应用的风机、泵类等需要进行流量调节控制的电力拖动系统中保留交流电动机的恒速拖动，大多采用挡板和阀门来调节风速、流量、压力等。这种方法不但增加了系统的复杂性，也造成了能源大量浪费。因此，人们一直希望能够采用交流电动机调速系统来取代直流电动机调速系统，并进行了大量的研究开发工作。2. 变频发展的趋势变频发展的趋势多年来已研制出多种交流电动机调速装置，如：定子调压调速变极调速滑差调速电磁耦合器调速串级调速整流子电机调速 这些调速系统的研制成功虽然取得了一定的成果，但仍存

4、在着调速范围窄、损耗仍偏大、功率因数低、适用负载面窄等缺点，限制了这些交流调速系统的应用。2. 变频发展的趋势变频发展的趋势2. 变频发展的趋势变频发展的趋势 随着电力电子技术、微电子技术及控制理论的发展，作为交流调速中心的变频调速技术得到了显著的发展，并广泛地应用于工业生产的各项领域。与传统的交流拖动系统相比，变频调速系统有许多突出的优点。1）节能变频器容易实现对现有的交流电机进行调速控制。在工业中，发电厂、冶金、石油、化工、机械、电子、建材、纺织、轻工等许多行业大量存在需要电机变速及软起动的场合。根据全国第三次工业普查公布的统计数字，我国风机水泵压缩机类通用机械总装机容量为1.6亿kW，占

5、全国耗电总量的1/3，占工业用电量的40%，在国民经济中举足轻重，节能潜力很大。2. 变频发展的趋势变频发展的趋势1998年1月1日我国实施的节约能源法第四章第三十九条(二)款明文规定：逐步实现电动机、风机、泵类设备和系统的经济运行，发展电机调速的电力电子技术提高电能利用率”。近几年的实践证明：通过变频调速来取代利用阀门，挡板控制，节电效果明显，特别是对于中大容量交流电动机拖动的风机、泵类系统(300kW以上)，若采用变频调速，节电效果更加明显，而且投资回收期短，一般为12年。变频调速已成为节能的重要手段和重大措施。2. 变频发展的趋势变频发展的趋势2）调速范围大而且连续 变频调速系统通过连续

6、改变变频器输出频率来实现转速的连续变化，使电动机工作在转差较小的范围，电动机的调速范围较宽，运行效率也明显提高。一般来说，通用变频器的调速范围可达1:10以上，而高性能矢量控制变频器调速范围可达1:10000。2. 变频发展的趋势变频发展的趋势3）容易实现正、反转切换和构成自动控制系统 在电网电压下运行的交流电动机进行正、反转切换时，只需改变相序即可实现。如果在电动机尚处高速时就进行相序切换，电动机内将会产生较大的冲击电流，甚至有烧毁电机的危险。而在变频调速系统中可以通过改变变频器输出频率先使电动机降至低速，再进行相序切换。这样切换电流可以比较小，电动机的功耗和发热也都减小了许多。另外变频器具

7、有标准的计算机通讯接口同其它设备一起构成自动控制系统。2. 变频发展的趋势变频发展的趋势4）起动电流小，可用于频繁起动和制动场合 异步电动机直接起动的起动电流通常为额定电流的56倍，电机损耗较大，所需电源容量也很大，因此不宜频繁起、停。采用变频器对异步电动机进行驱动时，可以将变频器的输出频率降至很低时起动，电动机的起动电流很小，因而变频器输入端要求电源配置的配电容量也可以相应减小。2. 变频发展的趋势变频发展的趋势另外它还可以采用变频器来实现电气制动。制动时变频器的输出频率先逐步减小，负载所存储的机械能将转换为电能回馈到变频器，通过一定的制动回路将这部分能量或者以热能形式消耗掉，或者回馈给电网

8、。因此变频器驱动交流电机调速系统可以工作在频繁起动和制动场合。2. 变频发展的趋势变频发展的趋势5）结构简单、运行安全可靠 变频调速系统中异步电机结构简单、坚固耐用，而且通常不需再用齿轮箱等其他变速装置，保养维修都比较简单，可根据工作环境的不同，选择不同的异步电机，而变频器通常不需改变。因此，变频调速系统能应用于易燃、易爆、腐蚀等恶劣环境中。2. 变频发展的趋势变频发展的趋势6）企业投资变频调速系统的成本-利润分析。财政部、国家税务总局颁布并从1999年7月1日起实行的技术改造国产设备投资抵免企业所得税暂行办法第二条明确规定： “凡在我国境内投资于符合国家产业政策的技术改造项目的企业，其项目所

9、需国产设备投资的40可从企业技术改造项目设备购置当年比前一年新增的企业所得税中抵免。” 所以使用国产变频调速设备，会获得国家产业政策有力支持，具有良好的性能/价格比，能在较短时间回收投资。2. 变频发展的趋势变频发展的趋势鉴于以上所列出的变频调速的部分优点，在交流电机的调速技术中，变频调速是应用最大、效率最高的。交流变频调速是当代电力电子、微电子、自动控制、传感器、电机等多种先进技术集成起来的一项高新技术。近二十年的理论发展和应用实践表明，它的调速性能好、 节能明显，是电气传动的发展方向；它的应用面宽，为企业节能降耗、提高产品质量和生产效率、最终提高经济效益提供了技术的和物质的手段。2. 变频

10、发展的趋势变频发展的趋势变频调速装置在我国的应用有了突飞猛进的发展。由于变频调速在频率范围、动态响应、调速精度、低频转矩、转差补偿、通讯功能、智能控制、功率因数、工作效率、使用方便等方面是以往的交流调速方式无法比拟的。它以体积小、重量轻、通用性强、拖动领域宽、保护功能完善、可靠性高、操作简便等优点，深受钢铁、冶金、矿山、石油、石化、化工、医药、纺织、机械、电力、轻工、建材、造纸、印刷、卷烟、给排水等行业的欢迎，社会效益非常显著。2. 变频发展的趋势变频发展的趋势目前，国内变频调速系统的研究非常活跃，产业化方面发展迅速。“成都佳灵”，从1986年第一台GTR国产商品化变频器，到2001年第一台I

11、GBT直接串联高压变频器，近二十年来，自强不息，稳健经营，持续发展，在技术上不断创新，铸造了中国变频史上的22个第一，并拥有三十九项专利。“佳灵人”可谓是做到了变频产业国产化道路上的步步领先。2. 变频发展的趋势变频发展的趋势小功率交流调速方面，由于“佳灵”小功率产品的规模效应，价格上、工艺上和技术上已敢与国外品牌抗衡。在高压大功率方面，国外公司又为“佳灵”留下了超越对手的巨大空间。首先，国外的电网电压等级一般为3kV，而我国的电网电压等级大多为6kV和10kV。其次，高压大功率交流调速系统无法进行大规模的批量生产，而国外的具有一定专业知识的劳动力成本较高。IGBT直接高压变频器就是在此情况下

12、，应运而生的。2. 变频发展的趋势变频发展的趋势第二篇第二篇 “佳灵佳灵”高压变频高压变频器器概概 述述 世界首创的电压源型IGBT直接串联高压变频器，国家重点技术创新项目，解决了高压IGBT模块直接串联的世界性难题，开辟了高压变频领域新纪元，具备世界领先水平。该产品利用当今成熟的低压变频技术，贯以最新控制理论，融入高速功率可关断器件直接串联技术、正弦波技术、抗共模电压技术、直接速度控制技术（DSC）于一体，使其成为无输入输出变压器、同容量产品中体积最小的真正的直接高-高变频器。 概概 述述 “佳灵”高压变频器从1998年开始研制到2001年第一台成功的应用，为时三年。这期间，“佳灵”投入了大

13、量的人力和物力，不断的创新和开拓，解决一个又一个难关，终于突破了“IGBT难以直接串联使用”的世界性难题。大量成功的应用证明：IGBT直接串联的中高压变频器，具有占地面积小、重量轻、系统效率高、可靠性高等同类产品无可比拟的优点。 目前，“佳灵”高压变频器已经广泛应用于石油、化工、给排水、电力、冶金、建材、矿山等行业。 1. “佳灵佳灵”高压变频器型号命名含义高压变频器型号命名含义 JCS： 风机、水泵专用型，适用于变压力变流量的自动节能调速，过载能力位为120%/min，150%立即保护，间隔10分钟一次。JCP：一般机械传动调速用型，过载能力位为150%/min，200%立即保护。JCC：

14、起重机、重型机械、轧机、电力机车适用型，（具有S形加减速、低速大转矩等特性负载）过载能力位为200%/min。 高压变频器输出额定电压等级变频器适应电机功率（按4极电机计算）JCS(JCP/JCC)k 2. 性能特点性能特点 1）电压等级为3kV10kV；2）功率器件选用西门子公司九十年代末推出的高压功率模块IGBT，直接串联使用；3）系统自带专门设计的高压开关柜，与本身高压变频器高效安全配套，并含变/工频切换装置和电子式真空断路器；4）全中文操作界面，基于Windows操作平台，彩色触摸屏，便于就地监控、设定参数、选择功能和调试；5）内置PLC可编程控制器，易于改变和扩展控制逻辑关系； 2.

15、 性能特点性能特点6）高压主电路与低压控制电路采用光纤传输，安全隔离，使得系统抗干扰能力强；7）控制电路通讯方式采用全数字化通讯。简单、可靠；8）系统的整流单元、逆变单元设计，选用组合模块化积木结构，整机占地面积小、重量轻，便于安装、维护；9）系统控制采用专用的工业控制计算机，结合PLC可编程控制技术，使电动机在变频运行时变量调节的更平滑、稳定，使实时过程控制自动化程度高；10）装置可在本机上操作，也可实现远距离外控，具备完善、方便的操作功能选择； 2. 性能特点性能特点11）系统具有标准的计算机通讯接口RS232或RS422、RS485，可方便的与用户DCS系统或工控系统组态建立整个系统的工

16、作站，进一步提高系统的自动化控制程度，实现整个工控系统的全闭环监控，从而获得更加完善的、可靠自动化运行；12）具备全面的故障监测、可靠的故障报警保护功能；13）输入功率因数高，输出电压谐波含量小，无需功率因数补偿和谐波抑制器；14）输出电压为标准正弦波形，对电缆和电动机的绝缘无损害，减轻电动机的轴承和叶片等机械部分震动和磨损，延长电动机的使用寿命，输出至电动机的线缆长度可达15km；15）采用独特的抗共模电压技术，使系统中共模电压满足MGI标准，无需再提高电动机的绝缘等级，无需专用电机； 2. 性能特点性能特点16）易于实现能量回馈和四象限运行；并可直接引出直流进行直流输电；17）适用于石油、

17、化工、给排水、电力、冶金、建材、军事、矿山等行业的高压电动机变频节能运行系统。18）对用户的高压异步电动机无任何特殊要求。不但适用于新旧异步电动机，也适用于同步电动机。 3. 关键技术关键技术 高速功率器件的串联技术高速功率器件的串联技术 高速功率可关断器件，特别是IGBT直接串联，有效解决了高速功率可关断器件的动静态均压、均流、同步开关断问题，使真正无输出、输入变压器的高压变频器成为现实。这大大提高了高压变频器的性能、效率，减小体积、重量等各项主要技术经济指标。 目前，世界其它变频器厂家均未生产出IGBT直接串联的高压变频器。原因正如业内一些权威人士所言：“IGBT是不能串联的。因为开关时间

18、短，微秒级，很难保证所有管子串联同时开关。否则有的早开，所有的电压都来加在晚开的管子上，那么这个1700V的管子加上6000V，只能烧掉，一烧一串，不可能串联。”3. 关键技术关键技术这一世界性的难题已经被中国“成都佳灵”率先解决，从而使得人们对任意高电压大电流进行随意控制不再是梦想，高速功率器件串联技术不仅对高压变频调速技术有着革命性的突破，而且对柔性输电系统、城市无功补偿、有源滤波、城市电网稳压、潮流控制、直流输电等整个电力电子领域都将具有划时代的意义。3. 关键技术关键技术正弦波技术正弦波技术 高压电机对变频器的输出电压波形有严格的要求，是业内人士都知道的常识。“佳灵”解决变频器输出电压

19、波形，从两方面着手：一是优化PWM波形；二是研制出特种滤波器在波形发生、滤波材料、设计方面的创新和优化，使输出电压谐波失真小于3%。使得这种变频器适用于任何交流电机，而无距离限制的要求。输入电流正弦波技术，提高了功率因素，降低了对电网的干扰，特别是根据电源及负载的情况，输入端可用多种不同的配置，以符合IEEE519-92的要求。更可满足四象限快速加减速等场合的应用要求。 3. 关键技术关键技术过去一些人认为：“三电平的电压波形一定优于二电平，今后就是低压变频器也应采用三电平。”这种说法并不全面。三电平的总谐波含量可能低于二电平，但由于三电平的11次、13次谐波含量特别高，处理起来特别困难，而二

20、电平只要波形优化得好，60次以下的谐波皆可大大降低。而对60次以上的谐波滤波自然容易得多。人们使用三电平是为避免器件串联的困难，不得已而为之。正如东北大学刘宗富教授所讲：“能用两点式谁会去用三点式呢？” 3. 关键技术关键技术抗共模电压技术抗共模电压技术 无论是电流源型还是电压源型变频器产生共模电压是必然的。在高压变频领域，共模电压是必须解决的关键问题之一，它影响电机的绝缘，对外产生干扰，特别是长输线设备。“佳灵”根据共模电压产生的机理，采取了“堵和疏”的办法将共模电压消灭在变频器内部。抗共模电压技术使高压变频器彻底去掉变压器得以最终实现，并对电机无特殊的绝缘要求，使“佳灵”高压变频器真正成为

21、体积最小的高压变频器。 3. 关键技术关键技术直接速度控制技术（直接速度控制技术（DSC） 以直接速度控制技术(DSC)为核心的电机控制技术，是继V/F、转差频率补偿、矢量控制、直接转矩控制技术（DTC）之后的由佳灵首创的新一种控制技术。它以电机定子磁通和转速为主要控制变量，是交流传动中革命性的电机控制方式,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控制。直接速度控制技术(DSC)可在零速时产生满载转矩，动态响应速度高，其鲁棒性超过以往的任一种控制技术。 4. 原理介绍原理介绍 “佳灵佳灵”高压变频器主电路图高压变频器主电路图 4. 原理介绍原理介绍“佳灵佳灵”

22、JCS高压变频器主要技术参数高压变频器主要技术参数输入 相数/电压/频率：三相310kV，50/60Hz 允许波动：电压：+10%-15%频率：5% 功率因数功率因数0.97适用负荷 风机、水泵、机械传动、空压机、轧机等适用标准 QB、IEC、IEEE、GB通 讯 RS485串行口输出 电压/频率：三相310kV，0120Hz 最高频率：0.2120Hz可变设定 基本频率：0.2120Hz可变设定 启动频率：0.260Hz可变设定 波 形：SPWM（优化正弦波脉宽调制） 精 度：模拟设定：最高频率设定值0.3% 数字设定：最高频率设定值0.01% 谐波含量：3%（满足国标要求） 效率：98.8

23、%（满负荷时） 分辨率：模拟设定：最高频率设定值二千分之一 数字设定：0.01Hz（99.99Hz以下），0.1Hz（100Hz以上）“ “佳灵佳灵” JCS高压变频器主要技术参高压变频器主要技术参数数控制方式途径：IGBT直接串联（无输入、输出变压器）； SPWM控制转矩提升 自动：根据负载转矩调整到最佳值； 手动：010编码设定起动电流：额定电流（恒电流起动）PID：手动设定PI参数值；P：3800% I：1.0320s加减速时间：0.13600s (加、减速时间可单独设定)附属功能：切换上限/下限频率控制，跳跃频率，电流限制等高压隔离：电磁耦合光电隔离控制电压输入：AC380V/50Hz

24、“ “佳灵佳灵” JCS高压变频器主要技术参高压变频器主要技术参数数保护功能：过流，过压，欠压，短路，过载，缺相，过热，接地，电动机过载，外部报警，电涌保护，主器件自保护运转操作： 触摸屏：运行键，停止键，功能设定等 远程控制：端子输入，运转指令，自由运转 PC控制：JLver5.1组态软件，集散监控，远程监控频率设定： 触摸屏：上升键，下降键 端子输入：模拟信号DC05V或DC420mA 多段频率：17段（17速） PC控制：键盘给定“ “佳灵佳灵”JCS高压变频器主要技术参数高压变频器主要技术参数“ “佳灵佳灵”JCS高压变频器主要技术参数高压变频器主要技术参数显示： 数字液晶显示： 输出

25、频率,输出电压,输出电流,转速,反馈值,设定值等数据 灯指示： 充电(有电压)，显示数据单位，操作方式外壳防护等级：IP20（可选）冷却方式：强制风冷环 境： 使用场所：室内，没有腐蚀性、易爆性气体、灰尘、直接阳光等 温度：-10+40/2095%RH不结露 振动：5.9m/s2(0.6G)以下 保存温度：-20+65（适用于短时间保存） 海拔：海拔1000米以下“ “佳灵佳灵”JCS高压变频器主要技术参数高压变频器主要技术参数“ “佳灵佳灵”高压变频器柜体尺寸外形图高压变频器柜体尺寸外形图 开关柜变频器柜3600输出U、V、W控制柜1300输入L1、L2、L312002200柜内所配的电气功

26、能分配柜内所配的电气功能分配第三篇第三篇 “佳灵佳灵”高压变频器与高压变频器与其它其它形式电路原理性能比较形式电路原理性能比较 概概 述述 随着电力电子技术的飞速发展，变频技术已成为当今调速节能和优化设备运行的重要手段。目前，低压变频调速技术已比较成熟，但在高压变频调速技术方面，由于组成变频器的功率器件耐压能力所限，而且组成高压变频器的功率器件的耐压能力在相当长的时间内还不可能满足高压变频的需要，造成了现在的高压变频器不象低压变频器那样具有成熟的、一致性的拓扑结构。而如何解决高速功率器件的串联均压问题已成为世界性的难题，所以人们都另辟蹊径来回避这一难题，从而产生了当前各式各样复杂的拓扑结构。但

27、成都佳灵电气制造有限公司迎难而上，率先解决了这一困扰世人的难题，推出了具有当今世界领先水平的电压源型IGBT直接串联高压变频器。 以往几种高压变频器的主电路分析以往几种高压变频器的主电路分析单元串联多重化电压源型高压变频器单元串联多重化电压源型高压变频器 单元串联多重化电压源型高压变频器是利用低压单相变频器串联，来弥补功率器件IGBT的耐压能力的不足。所谓多重化，就是每相由几个低压功率单元串联组成，各功率单元由一个多绕组的移相隔离变压器供电。图4为6kV变频器的主电路拓扑图。图5五单元串联高压变频器电气框图, 图5中的每个功率单元都是由低压绝缘栅双极型晶体管（IGBT）构成的三相输入，单相输出

28、的低压的PWM电压型逆变器。图图4 4 多重化高压变频器拓扑结构图多重化高压变频器拓扑结构图 图图5 5五单元串联高压变频器电气框图五单元串联高压变频器电气框图 B C A 690V 690V 690V 690V 690V 690V 690V 690V 690V 690V 690V 690V 690V 690V 690V 3450V 相相电电压压 6000V 线线电电压压 +24 +24 +24 +12 +12 +12 +0 +0 +0 -12 -12 输输入入： AC6kV/50Hz -12 +24 +24 +24 输输入入移移相相隔隔离离变变压压器器功率单元A1功率单元B1功率单元C1功率

29、单元A2功率单元B2功率单元C2功率单元A3功率单元B3功率单元C3功率单元A4功率单元B4功率单元C4功率单元A5功率单元B5功率单元C5高高压压感感应应电电动动机机以往几种高压变频器的主电路分析以往几种高压变频器的主电路分析单元串联多重化电压源型高压变频器单元串联多重化电压源型高压变频器其缺点是：其缺点是：1. 由于系统中存在着变压器，所需电缆多，系统效率再提高不容易实现，装置的体积太大，重量大，安装位置和基建投资成题； 2. 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

30、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，变压器的效率就会降低，从而也就影响了整个高压变频器的效率；以往几种高压变频器的主电路分析以往几种高压变频器的主电路分析单元串联多重化电压源型高压变频器单元串联多重化电压源型高压变频器3. 10kV时，变压器有近400个接头、近百根电缆。在额定负荷时效率只能达到96%，但在轻负荷时，效率低于90%；4. 线路接点多，功率单元及功率器件数量多，6kV系统要使用150只功率器件（90只二极管，60只IGBT），故障点相应的增多一个单元损坏时，单元可旁路，但此时输出电压不平衡中心点的电压是浮动的，造成电压、电流不平衡，

31、从造成而谐波含量也相应的增大，勉强运行时终究会导致电动机的损坏；5. 无法实现能量回馈四象限运行，且无法实现制动；6. 输出电压波形在额定负载时尚好，低于25Hz以下畸变突出。 以往几种高压变频器的主电路分析以往几种高压变频器的主电路分析中性点钳位三电平中性点钳位三电平PWM变频器变频器 中性点钳位三电平PWM变频器的整流部分采用12脉波二极管整流器，逆变部分采用三电平PWM逆变器。由图6可以看出，该系列变频器采用传统的电压型变频器结构，通过要用高耐压的IGBT（或IGCT）功率器件，使得器件总数减少为12个（仅限于4.16kV）。1. 中性点钳位三电平PWM变频器的逆变部分采用传统的三电平方

32、式，所以输出波形中会不可避免地产生比较大的谐波分量，尤其是11次、13次谐波含量达到20%以上，因此在变频器的输出侧必须配置输出LC滤波器才能用于普通的鼠笼型电机。 图六图六 中性点钳位三电平中性点钳位三电平PWM变频器主电路图变频器主电路图 以往几种高压变频器的主电路分析以往几种高压变频器的主电路分析中性点钳位三电平中性点钳位三电平PWM变频器变频器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； 2. 由于目前三电平高压变频器最高输出线电压只能达到4.16kV，对于6kV高压电机，

33、必须采用了/改接的办法才能满足要求，但出现故障时由于电机的电压与电网的电压不一致，无法实现旁路功能；3. 难以实现冗余设计；4. 这种变频器的结构虽然较为简单，但二极管数量增多、线路增多。由于每个二极管的钳位和开关性能不一致，造成中性点钳位的电压浮动，不稳定，易产生直流磁环。 以往几种高压变频器的主电路分析以往几种高压变频器的主电路分析多电平多电平+ +多重化高压变频器多重化高压变频器 多电平+多重化高压变频器的本意是想解决高压IGBT的耐压有限的问题，但这种方式不但增加了系统的复杂性，故障点大为增多，而且降低了多重化冗余性能好和三电平结构简单的优点。所以该型变频器实际上并不可取，图7 是多电

34、平+多重化高压变频器电路结构图。图图7 7 多电平多电平+ +多重化高压变频器电路结构多重化高压变频器电路结构 （a）三相）三相 AC6.6kV 主电路主电路 （b）功率单元内部主电路）功率单元内部主电路 以往几种高压变频器的主电路分析以往几种高压变频器的主电路分析多电平多电平+ +多重化高压变频器多重化高压变频器功率器件直接串联的电流源型高压变频器是在线路中串联大电感，再将SCR（或GTO、SGCT等）开关速度较慢的功率器件直接串联而构成的。如图8所示。虽然这种方式使用功率器件少、易于控制电流，但业内人士都知道，电流源型高压变频器由于有大电感限流，功率器件虽不易被di/dt损坏，但带来的问题

35、是对电网污染严重、功率因数低。而且电流源型高压变频器对电网电压及电机负载的变化敏感，无法做成真正的通用型产品。电流源型高压变频器是最早的产品，目前已基本上被电压型变频器，因为在经济上、技术上，它都明显处于劣势。图8 电流源型高压变频器主电路图 以往几种高压变频器的主电路分析以往几种高压变频器的主电路分析内反馈串级调速内反馈串级调速 内反馈串级调速就是在电机定子绕组中另加一套调节绕组，此调节绕组从定子主绕组感应电动势并通过变流装置（通常采用二极管整流、晶闸管逆变）串入电机的转子绕组，改变其串入转子绕组的电势大小即可实现调速目的；同时调节绕组吸收转子的转差功率，并通过与转子磁场的相互作用产生正向的

36、拖动转矩，从而使电机从电网吸收的有功功率减少，主绕组的有功电流随转速成正比变化，达到调速节能目的，为提高系统的功率因数，常采用直流斩波技术。图9为斩波式内反馈串级调速原理图。内反馈串级调速的优点是可回收转差功率、不需要庞大的变压器、效率很高，但这种调速方式仅限于绕线式异步电机，而且定子绕组必须进行改造，所以使用面比较狭窄，另外这种调速仅限于调速范围不大的应用场合（调速范围70%95%），而且整体功率因数偏低，采用斩波式内反馈串级调速在较高转速时仅为0.8左右。图9 斩波式内反馈串级调速原理图功率器件功率器件IGBT直接串联的直接串联的真正直接高压变频器真正直接高压变频器 主电路简介主电路简介由

37、图由图10中看出系统由电网高压直接经高压断路器进入中看出系统由电网高压直接经高压断路器进入变频器，经过高压二极管全桥整流、直流平波电抗器变频器，经过高压二极管全桥整流、直流平波电抗器和电容滤波，再经逆变器逆变，加上正弦波滤波器，和电容滤波，再经逆变器逆变，加上正弦波滤波器，简单易行地实现高压变频输出，直接供给高压电动机。简单易行地实现高压变频输出，直接供给高压电动机。功率器件功率器件IGBT直接串联的二电平电压型高压变频器应直接串联的二电平电压型高压变频器应用变频器已有的成熟技术和独特而简单的控制技术，用变频器已有的成熟技术和独特而简单的控制技术，彻底去掉输入输出变压器、彻底去掉输入输出变压器

38、、IGBT直接串联逆变、输出直接串联逆变、输出效率达效率达98%以上，功率因数以上，功率因数0.97以上，输出电压谐波以上，输出电压谐波含量小于含量小于3%，冗于设计简单可靠、可实现直流制动和，冗于设计简单可靠、可实现直流制动和能量回馈四象限运行，而且始终使负载电机工作在最能量回馈四象限运行，而且始终使负载电机工作在最佳状态。佳状态。 对于需要快速制动的场合，如图所示，采用直流放电制动装置。对于需要快速制动的场合，如图所示，采用直流放电制动装置。 如果需要四象限运行，或输入电源侧短路容量较小时，也可采用如图所示的PWM整流电路，使输入电流也真正实现了完美正弦波 IGBTIGBT直接串联高压变频

39、器与以往几种高压变频器的主要性能比较直接串联高压变频器与以往几种高压变频器的主要性能比较 序序号号方方 案案电路结构电路结构输入输入变压器变压器整流整流方式方式逆变逆变电路电路器件器件输出输出电压等级电压等级整整体体性性能能控制控制电路电路控制方控制方式式效效率率体积体积重重量量适适 用用1IGBT直直接 高 压接 高 压变频器变频器IGBT器件器件直 串 ， 国直 串 ， 国内外首创，内外首创，国家专利国家专利无 需 一无 需 一切 变 压切 变 压器器二极二极管或管或IGBTPWMIGBT113.8kV最最好好最简最简单单PWM二电平二电平98%系统系统面积面积最小最小最最轻轻风 机 水风

40、 机 水泵 、 超泵 、 超重负荷，重负荷，较 重 负较 重 负荷荷2单 元 多单 元 多重化重化IGBT低压低压单 相 变 频单 相 变 频器串联器串联需 极 复需 极 复杂 的 多杂 的 多绕 组 变绕 组 变压器压器二极二极管管IGBT或或IGCT310kV较较好好复杂复杂多 重 化多 重 化PWM 90%96%系统系统面积面积大大最最重重风机泵风机泵3多电平多电平IGBT串联，串联，中心嵌位中心嵌位需需 1 2 脉脉冲 变 压冲 变 压器器二极二极管管IGBT 34.16kV好好较复较复杂杂PWM三电平三电平96%系统系统面积面积较大较大重重一 般 传一 般 传动 ， 风动 ， 风机、

41、泵机、泵4多电平多电平+多重化多重化三 电 平 单三 电 平 单相 变 频 串相 变 频 串联联需 多 绕需 多 绕组 变 压组 变 压器器二极二极管管IGBT310kV较较好好多而多而最复最复杂杂多重化多重化+多单元多单元90%96%系统系统面积面积大大最最重重风 机 、风 机 、泵泵5电流型电流型S G C T 或或SCR要 变 压要 变 压器器SGCT或或SCRSGCT或或SCR310kV最最差差复杂复杂PWM/6脉 冲 或脉 冲 或12脉冲脉冲96%系统系统面积面积较大较大重重风 机 、风 机 、泵泵功率器件功率器件IGBT直接串联的真直接串联的真正直接高压变频器正直接高压变频器结论结

42、论 1）功率器件的耐压等级决定了高压变频器的主路结构，要想避开器件串联而要作出高压变频器，必然使线路复杂化，从而产生一系列严重的相关问题，比如：占地面积大、布置松散、接线多、效率低、安装调试复杂等。2）IGBT器件的串联成功，使高压变频器同低压变频器形成相同的电路拓朴方式，因此成熟的低压变频器的一切控制策略均可用于高压变频器，特别是像低压变频器一样的控制简单是提高可靠性的关键。正如俗话说的：“愈简单，愈可靠。”功率器件功率器件IGBT直接串联的真直接串联的真正直接高压变频器正直接高压变频器3）针对高压电机的特殊要求，而在输出电压波形和共模电压的处理上的技术措施，使IGBT直接高压变频器的各项指

43、标大大优于低压变频器。4）真正的“高-高”变频器就是：不需一切变压器，不需电抗器、滤波器、补偿电容器、避雷器、启动设备等一系列其它装置，自成系统。电压源型IGBT直接串联高压变频器的具有其它高压变频器无可比拟的优越性，必将成为高压变频器的主流产品，必将为世界工业的节能降耗、提高自动化水平。1 1广东韶关钢铁公司广东韶关钢铁公司 400kW/6kV 400kW/6kV 冲渣水泵冲渣水泵 1台台2 2广东韶关钢铁公司广东韶关钢铁公司 315kW/6kV 315kW/6kV 水泵水泵 1台台3天津热电公司天津热电公司5号热源厂号热源厂 315kW/10kV 315kW/10kV 一次风机一次风机 1

44、台台4天津热电公司天津热电公司5号热源厂号热源厂 250kW/10kV 250kW/10kV 二次风机二次风机 1台台5天津热电公司天津热电公司5号热源厂号热源厂 630kW/10kV 630kW/10kV 引风机引风机 1台台6 6山东莱钢集团山东莱钢集团 630kW/6kV 630kW/6kV 引风机引风机 2台台7 7山东莱钢集团山东莱钢集团 800kW/6kV 800kW/6kV 鼓风机鼓风机 1台台8 8山东莱钢集团山东莱钢集团 2500kW/10kV2500kW/10kV烧结炉风机烧结炉风机 2 2台台9 9山东莱钢集团山东莱钢集团 450kW/10kV 450kW/10kV 水泵

45、水泵 1台台1010胜利油田临盘采油厂胜利油田临盘采油厂 3000kW/6kV 3000kW/6kV 电源电源 1台台1111攀钢集团矿业公司攀钢集团矿业公司 450kW/6kV 450kW/6kV 供水水泵供水水泵 1台台1212陕西金堆城钼业公司陕西金堆城钼业公司 315kW/6kV 315kW/6kV 砂泵砂泵 1台台1313大同煤业集团大同煤业集团 400kW/6kV400kW/6kV皮带运输机皮带运输机 3 3台台1414河南焦作煤业集团河南焦作煤业集团 630kW/6kV 630kW/6kV 矿井提升机矿井提升机 1 1台台1515沙特阿拉伯油田沙特阿拉伯油田 300kW/3kV300kW/3kV潜油泵潜油泵 3 3台台1616沙特阿拉伯油田沙特阿拉伯油田 1600kW/6kV1600kW/6kV注水泵注水泵 2 2台台1717胜利油田东辛采油厂胜利