國產(chǎn)3～10kV中高壓變頻器主電路現(xiàn)狀及改進(jìn)措施

張選正， 倪 芳

(索肯和平(上海)電氣有限公司，上海 201908)

0 引言

目前國內(nèi)生產(chǎn)中、高壓變頻器的公司有將近50家，其主電路是同類型的，即單元串聯(lián)多電平拓?fù)湫褪?，今年國外少?shù)公司已由多繞組移相輸入變壓器，改為多相整流輸入變壓器，輸出亦由H橋式單相二電平改為三電平，這樣使結(jié)構(gòu)簡化，使用器件減少，性能更優(yōu)越，成本亦下降，值得借鑒。

1 國產(chǎn)高壓變頻器主電路型式

國產(chǎn)中高壓變頻器問世已有10年以上的時間，近5年來發(fā)展異常迅速，現(xiàn)在市場上可見的主電路型式有以下三種:

(1)二電平高進(jìn)高出無需變壓器的型式，由四川省佳靈電氣有限公司自制研發(fā)，如圖1所示。

圖1 IGBT直接串聯(lián)中高壓變頻器

(2)三電平需要輸入三繞組變壓器的型式。國內(nèi)已有產(chǎn)品是科孚德機(jī)電(上海)有限公司、三菱東芝合作的提邁克TMIEC，廣東明陽龍?jiān)措娏﹄娮佑邢薰荆瑖娔暇┳詣踊煞萦邢薰镜?，如圖2所示。

(3)多電平需要輸入移相多繞組變壓器的型式為絕大多數(shù)，約占國有品牌的80%，使用占有率亦是首位。全國約有50家以上同類型產(chǎn)品，如圖3所示。

圖2 采用高壓IGBT的三電平高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)

圖3 單元串聯(lián)多電平變頻器原理

2 單元串聯(lián)多電平中高壓變頻器的控制型式

單元串聯(lián)的電平中高壓變頻器大多數(shù)是壓頻U/F控制，或空間矢量脈寬調(diào)制(Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM)控制為主體的，它適用于一般通用設(shè)備，如水泵、風(fēng)機(jī)、空壓機(jī)等。近幾年來少數(shù)廠家已試制成功無速度傳感器的矢量控制及直接轉(zhuǎn)矩控制，而且四象限運(yùn)行，具有能量回饋功能的更新一代的變頻器，特別是礦用變頻器必須是防爆的，要解決散熱問題，還要防止電磁干擾、諧波治理、電磁兼容等問題。近5年來礦用變頻器和軟起動器是個熱門行業(yè)，急待開發(fā)3 300～6 000 V中高壓礦用變頻器。在工變頻自動切換方面，近年亦有新的發(fā)展，如深圳市微能科技有限公司對頻率跟蹤實(shí)現(xiàn)無擾動雙向切換;深圳市英威騰電氣股份有限公司對相位跟蹤實(shí)現(xiàn)無沖擊雙向切換;深圳市庫馬克新技術(shù)股份有限公司有當(dāng)短時停電后來電，轉(zhuǎn)速自動跟蹤到停電前的轉(zhuǎn)速，以及所謂變頻節(jié)能寶控制及故障語音提示等功能。

3 單元串聯(lián)多電平中高壓變頻器的優(yōu)越性

單元串聯(lián)多電平中變壓變頻器由美國羅賓康ROBINCON公司研制成功，并于1995年問世，有綠色無諧波的美稱，直至今天也不衰落，它較好地解決了當(dāng)時諧波處理無辦法及IGBT耐壓較低、價格昂貴以及二者技術(shù)上的難點(diǎn)與生產(chǎn)應(yīng)用需要上的矛盾。其主要方法如下:

(1)通過輸入變壓器二次繞組的移相技術(shù)，如 +24°、+12°、0°、-12°、-24°，如圖 3(a)所示，把一次電路中產(chǎn)生的諧波相互抵消，從源頭就大大減少了諧波分量，以致發(fā)熱及損耗大為減少，使輸出電壓和電流諧波指標(biāo)低于國際標(biāo)準(zhǔn)值IEEE519-92，電流THD ＜3%，電壓THD＜5%，取得了良好的效果。

(2)功率單元輸出電壓是單相的，如圖3(b)所示，有690 V或1 155 V(用于10 kV輸出電壓)，將其串聯(lián)(3～9個，按其輸出電壓大小而定)，這樣可使用的IGBT電壓等級為1 700 V，具有市場有貨源、價格不高、質(zhì)量穩(wěn)定等特點(diǎn)，實(shí)質(zhì)是單相的低中電壓，幾個串聯(lián)成較高相電壓，最后接成Y形輸出高壓(線電壓)的方式，即用低壓器件電路串接后成高壓，這樣既省錢，又便于故障快速處理，冗余度亦大。

(3)功率單元電路輸入是三相的，輸出為單相的，其正弦脈寬調(diào)制(Sin-Wave Pulse Width Modulation，SPWM)是用4個IGBT組成H型橋式電路，是個二電平的，因此輸出線電壓是多電平的，且每級之間電壓值相差較小，具有du/dt相應(yīng)較低的優(yōu)越性。

(4)縱觀以上三個特點(diǎn)，可以認(rèn)為這種單元串聯(lián)多電平的中高壓變頻器，實(shí)質(zhì)上不是真正高壓的，而是低壓單元通過特定方法和手段，組成3 kV、6 kV、10 kV所謂的高壓變頻器，實(shí)質(zhì)是假高壓(準(zhǔn)高壓，相當(dāng)高壓，過渡性)變頻器，在當(dāng)年是可采用的，但其具有使用器件數(shù)量多、電路復(fù)雜、連接點(diǎn)多、結(jié)構(gòu)龐大、造價高昂、重量體積大、可靠性差等不足之處，現(xiàn)已急待改進(jìn)。

4 目前單元串聯(lián)多電平電路的不足

(1)移相輸入變壓器，尤其是二次繞組數(shù)量多，繞組型式多種，有延邊、Y、Δ，因此結(jié)構(gòu)、工藝都較復(fù)雜，體積大、重量大、散熱大，一般都是干式的，選冷軋結(jié)晶硅鋼片制造，造價較貴，該變壓器要占約40%以上的整機(jī)價值，可以不用移相方式，而選用多相脈沖輸入、相同型式的繞組整流變壓器來替代。目前國外如瑞士ABB、日本富士、德國施耐德已有新產(chǎn)品問世，經(jīng)實(shí)踐應(yīng)用測試，效果不錯，甚至更優(yōu)越，超過移相方法，且整機(jī)價格會下降。

(2)功率單元輸出是H型橋式，單相二電平，其電路較簡單，但綜合性能不是最佳的，但可改為三電平橋式，如圖4所示。根據(jù)三電平高壓變頻器實(shí)踐應(yīng)用結(jié)果，三電平比二電平有下列明顯優(yōu)勢:

①輸出電流更接近正弦波(見圖5)，諧波含量更小(見表1)。

圖4 三電平橋式功率單元

圖5 三電平橋式輸出電壓電流

表1 三電平橋式功率單元

②輸出電壓峰值只有二電平的1/2，可直接用于普通電動機(jī)，不需加LC濾波器。

③輸出漏電流只有二電平的1/2(即共模電流更小)。

④輸入干擾較二電平降低約20 dB。

⑤可選用IGBT范圍更寬(可做機(jī)型多，散熱面積大)，耐壓可降低，安全系數(shù)可更高，成本亦下降。

(3)通過上述三條改進(jìn)后，使高壓變頻器結(jié)構(gòu)簡化，減少器件使用數(shù)量，電路更簡化，連接點(diǎn)減少，可靠性更高，性能亦更好，指標(biāo)亦更高，具有真正的高壓變頻器應(yīng)該具有的各項(xiàng)性能技術(shù)要求。

5 多相整流輸入，三電平輸出的改進(jìn)方法及性能介紹

根據(jù)資料介紹對不同輸出電壓，如3 kV、6 kV、10 kV采用多相整流，如表2所示。

(1)多相整流輸入性能介紹。

表2 不同輸出電壓時多相整流輸入性能

(2)電源側(cè)電壓、電流波形如圖6所示。

圖6 多相整流輸入、三電平輸出時電源側(cè)電壓電流波形

(3)高次諧波電流含有率如表3所示。

表3 多次諧波電流含有率

(4)整機(jī)性能:綜合效率97%，功率因數(shù)大于0.95，如圖7所示。功率因數(shù)數(shù)據(jù)在3.3 kV，390 kVA時的輸出為315 kW，是額定速度運(yùn)行時的計算數(shù)據(jù)。另外，效率數(shù)據(jù)是選用標(biāo)準(zhǔn)4極的電動機(jī)驅(qū)動時的數(shù)據(jù)。輸出電壓、電流波形如圖8所示。

圖7 整機(jī)綜合效率及功率因數(shù)曲線

(5)控制方式為矢量控制，無速度矢量傳感器控制或直接轉(zhuǎn)矩控制及可四象限運(yùn)行，具有能量回饋功能。

圖8 輸出電壓、電流波形

(6)主回路構(gòu)成如圖9所示。FRENIC4600FM5e系列變頻器結(jié)構(gòu)如圖9(a)所示，10 kV級別變頻器由輸入變壓器和15個變頻單元構(gòu)成(6 kV級別由9個變頻單元構(gòu)成，3 kV級別由6個變頻單元構(gòu)成)。

圖9 多電路構(gòu)成

每個變頻器單元是一個單相三電平變頻器，可以獲得輸出電壓1 155 V。如圖9(a)所示，10 kV等級每一相有5個變頻器單元串聯(lián)，相電壓約 5 775 V。三相以星形連接，可以得到10 000 V線電壓。此外，單相三電平變頻器與單相二電平變頻器相比，每個變頻器單元的輸出電壓可以大2倍，因此只需要用較少的變頻器單元就可以得到10、6、3 kV電壓。這樣，制造成本就下降了。

(7)工變頻旁路切換相位同步跟蹤如圖10(a)、(b)所示，能做到工頻切換變頻或變頻切換工頻的無沖擊切換。通過按系統(tǒng)電壓進(jìn)行相位控制，可以實(shí)現(xiàn)從變頻驅(qū)動切換到工頻電源驅(qū)動，或從工頻電源驅(qū)動切換到變頻驅(qū)動的無沖擊切換。

圖10 工變頻旁路切換相位同步跟蹤圖

同步投入-解列功能:選件。此功能需要在變頻器輸出側(cè)配置電抗器。

①在變頻器的輸出側(cè)設(shè)置切換控制柜(選件)，可以切換到工頻(電網(wǎng))起動回路運(yùn)轉(zhuǎn)。

由此構(gòu)成雙回路電機(jī)驅(qū)動電源，只要切換到工頻電網(wǎng)上即可讓電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速上運(yùn)轉(zhuǎn)。

②當(dāng)電壓發(fā)生瞬時降低時，可以根據(jù)用途選擇運(yùn)轉(zhuǎn)方式。選擇瞬時電壓降低為重故障。變頻器重故障停止，電機(jī)處于自由停車狀態(tài)。選擇自由停車再起動(選件)。變頻器停止運(yùn)轉(zhuǎn)，電機(jī)處于自由停車狀態(tài)。電源復(fù)電時通過速度搜索功能，讓正在自由停車減速中或者已經(jīng)停止的電動機(jī)自動再加速。選擇瞬時電壓降低時繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)(選件)。即使瞬時電壓降低，電機(jī)也不會處于自由停車狀態(tài)，變頻器可以繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。電源電壓恢復(fù)后，立刻再加速，恢復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)速度。

(8)冷卻散熱:風(fēng)冷 ＜5 000 kW，水冷 ＞5 000～22 000 kW，逆變器模塊可用 IGBT或IGCT。

(9)應(yīng)用范圍:電力如風(fēng)機(jī)、水泵;采礦選礦如破碎機(jī)、風(fēng)機(jī)、泵、壓縮機(jī)、起重機(jī)、皮帶機(jī)、吊籠、升降機(jī);水處理如泵、鼓風(fēng)機(jī);石油天然氣如泵、壓縮機(jī)、鼓風(fēng)機(jī);水電站如水泵、閘門提升下降;港口碼頭如起重機(jī)、皮帶輸送機(jī)等。

6 結(jié) 語

單元串聯(lián)多電平主電路經(jīng)過上述分析，應(yīng)及早改進(jìn)，二電平及三電平主電路各有千秋，用戶可根據(jù)自己的設(shè)備特性、使用要求、經(jīng)濟(jì)實(shí)力，各取所需。

［1］張選正，中高壓變頻器應(yīng)用技術(shù)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2007.

［2］李練兵，變頻器應(yīng)用與實(shí)踐［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2009.