對國內流行的多單元串聯式高壓變頻器的反思

　　國內的高壓變頻器廠家,如利德華福等，都在走ROBICON的路線：用復雜的多脈沖變壓器，串聯一大堆的整流橋和逆變橋以提高電壓。而且幾乎家家如此，互相拷貝抄襲，幾乎把高壓變頻器變成了勞動密集型產品。

　　這種拓撲有那么好嗎？不說別的，就成本而言，單單是那個變壓器，10千伏需要27個副邊繞組（最近他們提高了DCLINK電壓，繞組數減少了一些，但仍然要24個）。由于鐵心和銅材價格翻跟斗似的上漲，現在變壓器成本幾乎占變頻器總成本的40%以上。這使得這種結構由于使用低壓半導體而產生的成本優勢蕩然無存。

　　反觀半導體器件，電壓等級越做越高，現在6500V的IGBT，IGCT以及SGCT十分成熟，每安培的價格也以3~5%的速度逐年下降；實用的10千伏器件也呼之欲出。多單元串聯技術在10年前是有優勢的，因為那時高壓半導體器件技術跟不上。但現在看，這種拓撲與半導體技術的發展背道而馳----新的高壓半導體技術在這種拓撲中竟然無用武之地，真是電力電子行業的一大怪事！

　　當然，按流行的說法，這種拓撲有諧波小的優點。

　　這個可以從兩方面來說。第一是輸入諧波。理論上，36脈沖變壓器的輸入諧波小于3%或更低。但實際上，由于受變壓器制造工藝和變頻器運行方式的制約，這個指標經常達不到，有時甚至高于5%。這是因為多脈沖變壓器消除諧波的機理是利用同次諧波在不同副邊繞組中的移相角不同。它對變壓器有如下的要求：

　　1）各個副邊繞組的負載必須平衡；

　　2）各個副邊繞組的阻抗必須平衡；

　　3）各個副邊繞組的之間的互感必須嚴格控制；

　　4）各個副邊對原邊的電壓比必須平衡；

　　5）各個副邊繞組的移相角必須精確。

　　其中第一條與變頻器的運行控制有關，當電機降壓運行時，不是所有的單元都輸出功率，諧波并不能互相抵消。其他4條與變壓器的制造工藝有關，都不太好處理。比如第5條，移相角的問題。以36脈沖為例，一共3*6=18個副邊繞組，每6個一組，相互之間移10度。這10度相差一般是通過ZIGZAG的接線形成（EXTENDED-YOR-D）。在這樣小的角度下，用于產生相差的線圈經常只有幾匝（大功率變壓器本來匝數就少）。如果理論上，算出一個8.4匝，我們只能繞個8匝，這就有5%的匝數誤差。反映到相角，有時相差一兩度，怎么抵消諧波？根據我自己的經驗，18脈沖變壓器移相誤差2度是經常的事，這時候電流中出現17次以下的低次諧波。脈沖數越多，移相角越小，變壓器越是難做。這就是為什么高于36脈沖的變壓器基本上做不出來。

　　第二方面，就是輸出諧波和DV/DT小。輸出諧波當然是越小越好，但是凡事有個度，關鍵是我們以什么代價取得這個指標。而且如前所述，變頻器降壓運行時，有些單元不輸出功率，電平數量下降，輸出諧波也會升高。我的觀點是，不能不顧代價地追求輸出波形質量，而應該充分利用電機對諧波的容忍度，經濟地選擇拓撲。至于DV/DT，一個小的DV/DT濾波器就可以解決問題。

　　當然，我這里并不是說多電平串聯這種結構不能用，而是覺得它和半導體技術的發展嚴重脫節甚至背道而馳，而且它嚴重依賴于輸入變壓器。考慮到國際市場鋼材和銅材價格的走向，業界也許該反思高壓變頻器的拓撲了。說這種拓撲高，是有根據的。ROBICON開發出這種產品后，賣了不少，占了不少的市場份額，卻沒有賺到多少錢，更在2005年差點破產，結果被西門子收購。西門子家大業大，他們看中的與其說是技術，不如說是市場。

　　照我說，這種拓撲最大的貢獻是降低了高壓變頻器的技術門檻，讓國內高校實驗室都可以做出6千伏以上的樣機。而且，它很容易理解和掌握，為我國變頻器的推廣做出了貢獻。但是它也易于被復制抄襲，造成蜂擁而起。國內廠家為什么沒有3電平的高壓產品？為什么沒有電流源型的高壓產品？原因是這些拓撲技術復雜，不容易掌握。而國外主流廠家除ROBICON外，象ABB，SIEMENS，ROCKWELL，CONVERTEAM（ALSTOM），GE/TOSHIBA等，都沒有用多單元串聯結構，除專利的因素外，成本因素也不容忽視。