幾種高壓變頻器原理分析及實際應用

1.引言

電機是工業生產中主要的耗電設備，高壓大功率電動機的應用更為突出，而這些設備大部分都存在很大的節能潛力。所以大力發展高壓大功率變頻調速技術具有時代的必要性和迫切性。

目前，隨著現代電力電子技術和微電子技術的迅猛發展，高壓大 功率變頻調速裝置不斷地成熟起來，原來一直難于解決的高壓問題，近年來通過器件串聯或單元串聯得到了很好的解決。其應用領域和范圍也越來越為廣范，這為工礦企業高效、合理地利用能源(尤其是電能)提供了技術先決條件。

2.幾種常用高壓變頻器的主電路分析

(1)單元串聯多重化電壓源型高壓變頻器

單元串聯多重化電壓源型高壓變頻器利用低壓單相變頻器串聯，彌補功率器件IGBT的耐壓能力的不足。所謂多重化，就是每相由幾個低壓功率單元串聯組成，各功率單元由一個多繞組的移相隔離變壓器供電，用高速微處理器實現控制和以光導纖維隔離驅動。但其存在以下缺點：

a)使用的功率單元及功率器件數量太多，6kV系統要使用150只功率器件(90只二極管，60只IGBT)，裝 置的體積太大，重量大，安裝位置和基建投資成問題;

b)所需高壓電纜太多，系統的內阻無形中增大，接線太多，故障點相應的增多;

c)一個單元損壞時，單元可旁路，但此時輸出電壓不平衡中心點的電壓是浮動的，造成電壓、電流不平衡，從而諧波也相應的增大，勉強運行時終 究會導致電動機的損壞;

d)輸出電壓波形在額定負載時尚好，低于25Hz以下畸變突出;

d)輸出電壓波 形在額定負載時尚好，低于25Hz以下畸變突出;

e)由于系統中存在著變壓器，系統效率再提高不容易實現;移相變壓器中，6kV 三相6繞組×3(10kV時需12繞組×3)延邊三角形接法，在三相電壓不平衡(實際上三相電壓是不可能絕對平衡的)時，產生的內部環流，必將引起內阻的 增加和電流的損耗，也相應的就造成了變壓器的銅損增大。此時，再加上變壓器的鐵芯的固有損耗，變壓器的效率就會降低，也就影響了整個高壓變頻器的效率。這 種情況在越低于額定負荷運行時，越是顯著。10kV時，變壓器有近400個接頭、近百根電纜。在額定負荷時效率可達96%，但在輕負荷時，效率低于90%。

(2)中性點鉗位三電平PWM變頻器

該系列變頻器采用傳統的電壓型變頻器結構。中性點鉗位三電平PWM變頻器的逆變部 分采用傳統的三電平方式，所以輸出波形中會不可避免地產生比較大的諧波分量，這是三電平逆變方式所固有的。因此在變頻器的輸出側必須配置輸出LC濾波器才 能用于普通的鼠籠型電機。同樣由于諧波的原因，電動機的功率因數和效率、甚至壽命都會受到一定的影響，只有在額定工況點才能達到最佳的工作狀態，但隨著轉速的下降，功率因數和效率都會相應降低。

多電平+多重化高壓變頻器。多電平+多重化高壓變頻器的本意是想解決高壓IGBT的耐壓有限的問題，但此種方式，不僅增加了系統的復雜性，而且降低了多重化冗余性能好和三電平結構簡單的優點。因此此類變頻器實際上并不可取。

此類型變頻器的性能價格優勢并不大，與其同時采用多電平和多重化兩種技術，還不如采用前面提到的高壓IGBT的多重化變頻器或者三電平變頻器。

(3)電流源型高壓變頻器

功率器件直接串聯的電流源型高壓變頻器是在線路中串聯大電感，再將SCR(或GTO、 SGCT等)開關速度較慢的功率器件直接串聯而構成的。

這種方式雖然使用功率器件少、易于控制電流，但是沒有真正解決高壓功率器 件的串聯問題。因為即使功率器件出現故障，由于大電感的限流作用，di/dt受到限制，功率器件雖不易損壞，但帶來的問題是對電網污染嚴重、功率因數低。并且電流源型高壓變頻器對電網電壓及電機負載的變化敏感，無法做成真正的通用型產品。

電流源型高壓變頻器是最早的產品，但凡是電壓型變頻器到達的地方，它都被迫退出，因為在經濟上、技術上，它都明顯處于劣勢。

3.IGBT直接串聯的直接高壓變頻器

3.1 主電路簡介

圖1.IGBT直接串聯高壓變頻

如圖1所示，圖中系統由電網高壓直接經高壓斷路器進入變頻器，經過高壓二極管全橋整流、直流平波電抗器和電容濾波，再通過 逆變器進行逆變，加上正弦波濾波器，簡單易行地實現高壓變頻輸出，直接供給高壓電動機。

功率器件IGBT直接串聯的二電平電壓型 高壓變頻器是采用變頻器已有的成熟技術，應用獨特而簡單的控制技術成功設計出的一種無輸入輸出變壓器、IGBT直接串聯逆變、輸出效率達98%的高壓調速系統。

對于需要快速制動的場合，采用直流放電制動裝置，如圖2所示：

圖2.具有直流放電制動裝置的IGBT直接串聯高壓變頻器主電路圖