高壓大功率變頻器研發(fā)探究

摘要 山東風(fēng)光電子有限公司是在多年研制中低壓變頻器的基礎(chǔ)上，綜合了國內(nèi)外高壓大功率變頻器的多種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，采用最優(yōu)方案研制成功的，并于2002年12月通過了省級科技成果及產(chǎn)品鑒定，成為國內(nèi)生產(chǎn)高壓大功率變頻器的為數(shù)較少的幾個企業(yè)之一。

關(guān)鍵詞 高壓大功率變頻器

一、國內(nèi)現(xiàn)生產(chǎn)的高壓大功率變頻器的方案及優(yōu)缺點(diǎn)

目前，國內(nèi)生產(chǎn)的高壓大功率變頻器中，以2種方案占主流：一種是功率單元串聯(lián)形成高壓的多重化技術(shù)：另一種是采用高壓模塊的三電平結(jié)構(gòu)。而其他的采用高-低-高方案的，由于輸出升壓變壓器技術(shù)難度高，成本高，占地面積大，都已基本被淘汰。因此采用高一高方案是高壓大功率變頻器的主要發(fā)展方向。

而高-高方案又分為多重化技術(shù)（簡稱CSML）和三電平（簡稱NPC）方案，目前有的廠家生產(chǎn)的高壓大功率變頻器是采用的三電平方案，而大多數(shù)廠家則是采用低壓模塊、多單元串聯(lián)的多重化技術(shù)。這2種方案比較，各有優(yōu)缺點(diǎn)，主要表現(xiàn)在：

（1）器件

采用CSML方式，器件數(shù)量較多，但都是低壓器件，不但價格低，而且易購置，更換方便。低壓器件的技術(shù)也較成熟。而NPC方案，采用器件少，但成本高，且購置困難，維修不方便。

（2）均壓問題（包括靜態(tài)均壓和動態(tài)均壓）

均壓是影響高壓變頻器的重要因素。采用NPC方式，當(dāng)輸出電壓較高時（如6kV），單用單個器件不能滿足耐壓要求，必須采用器件直接串聯(lián)，這必然帶來均壓問題，失去三電平結(jié)構(gòu)在均壓方面的優(yōu)勢，系統(tǒng)的可靠性也將受到影響。而采用CSML方案則不存在均壓問題。唯一存在的是當(dāng)變頻器處于快速制動時，電動機(jī)處于發(fā)電制動狀態(tài)，導(dǎo)致單元內(nèi)直流母線電壓上升，各單元的直流母線電壓上升程度可能存在差異，通過檢測功率單元直流母線電壓，當(dāng)任何單元的直流母線電壓超過某一閾值時，自動延長減速時間，以防止直流母線電壓上升，即所謂的過壓失速防止功能。這種技術(shù)在低壓變頻器中被廣泛采用，非常成功。

（3）對電網(wǎng)的諧波污染和功率因數(shù)

由于CSML方式輸入整流電路的脈波數(shù)超過NPC方式，前者在輸入諧波方面的優(yōu)勢很明顯，因此在綜合功率因數(shù)方面也有一定的優(yōu)勢

（4）輸出波形

NPC方式輸出相電壓是三電平，線電壓是五電平。而CSML方式輸出相電壓為11電平，線電壓為21電平（對五單元串聯(lián)而言），而且后者的等效開關(guān)頻率大大高于前者，所以后者在輸出波形的質(zhì)量方面也高于前者。

（5）dv/dt

NPC方式的輸出電壓跳變臺階為高壓直流母線電壓的一半，對于6kV輸出變頻器而言，為4kV左右。CSML方式輸出電壓跳變臺階為單元的直流母線電壓，不會超過1kV，所以前者比后者的差距也是很明顯的。

（6）系統(tǒng)效率

就變壓器與逆變電路而言，NPC方式與CSML方式效率非常接近。但由于輸出波形質(zhì)量差異，若采用普通電機(jī)，前者必須設(shè)置輸出濾波器，后者不必。而濾波器的存在大約會影響效率的0.5%左右。

（7）四象限運(yùn)行

NPC方式當(dāng)輸入采用對稱的PWM整流電路時，可以實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行，可用于軋機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)等設(shè)備；而CSML方式則無法實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行。只能用于風(fēng)機(jī)、水泵類負(fù)載。

（8）冗余設(shè)計

NPC方式的冗余設(shè)計很難實(shí)現(xiàn)，而CSML方式可以方便的采用功率單元旁路技術(shù)和冗余功率單元設(shè)計方案，大大的有利于提高系統(tǒng)的可靠性。

（9）可維護(hù)性

除了可靠性之外，可維護(hù)性也是衡量高壓大功率變頻器的優(yōu)劣的一個重要因素，CSML方式采用模塊化設(shè)計，更換功率單元時只要拆除3個交流輸入端子和2個交流輸出端子，以及1個光纖插頭，就可以抽出整個單元，十分方便。而NPC方式就不那么方便了。

總之，三電平電壓形變頻器結(jié)構(gòu)簡單，且可作成四象限運(yùn)行的變頻器，應(yīng)用范圍寬。如電壓等級較高時，采用器件直接串聯(lián)，帶來均壓問題，且存在輸出諧波和dv/dt等問題，一般要設(shè)置輸出濾波器，在電網(wǎng)對諧波失真要求較高時，還要設(shè)置輸入濾波器。而多重化PWM電壓型變頻器不存在均壓問題，且在輸入諧波及dv/dt等方面有明顯優(yōu)勢。對于普通的風(fēng)機(jī)、水泵類一般不要求四象限運(yùn)行的場合，CSML變頻器有較廣闊的應(yīng)用前景。這類變頻器又被國內(nèi)外設(shè)計者稱之為完美無諧波變頻器。

我公司的設(shè)計人員經(jīng)過多方探討，綜合各種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，最后選定了完美無諧波變頻器的CSML方案作為我們的最佳選擇，這就是我們向市場推出的JD-BP37和JD-BP38系列的高壓大功率變頻器。

二、變頻器的性能特點(diǎn)

（1）變頻器采用多功率單元串聯(lián)方案，輸出波形失真小，可配接普通交流電機(jī)，無須輸出濾波器。

（2）輸入側(cè)采用多重化移相整流技術(shù)，電流諧波小，功率因數(shù)高。

（3）控制器與功率單元之間的通信用多路并行光纖實(shí)現(xiàn)，提高了抗干擾性及可靠性。

（4）控制器中采用一套獨(dú)立于高壓源的電源供電系統(tǒng)，有利于整機(jī)調(diào)試和操作人員的培訓(xùn)。

（5）采用全中文的Windows彩色液晶顯示觸摸界面。

（6）主電路模塊化設(shè)計，安裝、調(diào)試、維護(hù)方便。

（7）完整的故障監(jiān)測和報警保護(hù)功能。

（8）可選擇現(xiàn)場控制、遠(yuǎn)程控制。

（9）內(nèi)置PID調(diào)節(jié)器，可開環(huán)或閉環(huán)運(yùn)行。

（10）可根據(jù)需要打印輸出運(yùn)行報表。

三、現(xiàn)場應(yīng)用

從運(yùn)行情況看：

變頻器結(jié)構(gòu)緊湊，安裝簡單。

由于變頻器所有部分都裝在柜里，不需要另外的電抗器、濾波器、補(bǔ)償電容、啟動設(shè)備等一系列其他裝置，所以體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，安裝簡單，現(xiàn)場配線少，調(diào)試方便。