高壓變頻器的特性論述(二)

3.3.1 技術(shù)特征
該系列變頻器采用類似傳統(tǒng)的電壓型變頻器結(jié)構(gòu)，關(guān)鍵技術(shù)在對(duì)中點(diǎn)上、下漂動(dòng)處理，空載和輕載漂動(dòng)小，隨負(fù)載的加重或動(dòng)態(tài)變化，電容難以支撐中點(diǎn)位，特別是各電容的容抗不等因素，箝位中點(diǎn)也穩(wěn)不住，箝位電壓隨之浮動(dòng)。中點(diǎn)的浮動(dòng)的幅度大小，將會(huì)產(chǎn)生輸出電壓的非對(duì)稱性，輸出諧波，波形失真，共模電壓的增大變化。其表現(xiàn)為，若輸出端在不接電抗器，直接連高壓電機(jī)運(yùn)行，電動(dòng)機(jī)會(huì)出現(xiàn)劇烈抖動(dòng)和高熱（這是任何一種方式變頻器都不會(huì)產(chǎn)生的現(xiàn)象）。為此，三電平高壓變頻器不管電機(jī)離的遠(yuǎn)近，都須裝輸出電抗器，解決電機(jī)振動(dòng)大,噪音大的缺陷。而共模電壓的隱患導(dǎo)致電機(jī)絕緣老化問(wèn)題。由于三電平逆變開關(guān)模式中存在的多點(diǎn)死區(qū)，而需長(zhǎng)死區(qū)時(shí)間保障開關(guān)切換就帶來(lái)很高的共模電壓。其缺陷是由電路特點(diǎn)，硬件產(chǎn)生的，單靠?jī)?yōu)化控制軟件，只能收到微小的效果。還需同佳靈JCS型一樣，增加輸出共模抑制器方可有效。
三電平在輸出電壓較低時(shí)，實(shí)際上也相當(dāng)于二電平的電壓波形，其11、13、17次諧波含量仍很高，諧波電流仍很大。若不加濾波器，還只能用供應(yīng)商的專用電動(dòng)機(jī)，且其輸出電壓只能達(dá)4200V，實(shí)際上是在后面加上了升壓變壓器才能達(dá)到。
3.3.2產(chǎn)品特點(diǎn)
1）效率極低
三電平變頻器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但二極管的增多、線路增多，況且每個(gè)IGBT的驅(qū)動(dòng)波形不一致，也必將導(dǎo)致箝位和開關(guān)性能的不一致。功率元件的導(dǎo)通和關(guān)斷是由箝位二極管來(lái)保證的。箝位二極管的耐壓要求高，快恢復(fù)性能好，主器件數(shù)量多，致使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，而且擴(kuò)展能力有限。
2）變頻器容量需增大20%，投資高
開關(guān)器件的導(dǎo)通負(fù)荷不一致。靠近母線的開關(guān)和靠近輸出端的導(dǎo)通負(fù)荷不平衡，這樣應(yīng)導(dǎo)致開關(guān)器件的電流等級(jí)不同。在電路中，如果按導(dǎo)通負(fù)荷最嚴(yán)重的情況設(shè)計(jì)器件的電流等級(jí)，則每相有2*(m-2)個(gè)外層器件的電流等級(jí)過(guò)大，造成浪費(fèi)。變頻器輸出線電壓4.16kV，電機(jī)三角形接法為3.3kV，變頻器輸出必降壓設(shè)定為3.3kV。變頻器將產(chǎn)生無(wú)用功率為：
4.16kV—3.3kV=0.86kV
在使用選型時(shí)，變頻器的容量至少需增加20%的匹配容量，而增大投資。
3）由于需星/三角變換裝置，才能實(shí)現(xiàn)工頻/變頻切換
對(duì)于6kV高壓電機(jī)，三電平變頻器采用Ｙ/△改接的辦法，將Ｙ型接法的6kV電機(jī)改為△接法。但在進(jìn)行了Ｙ/△改接后，電機(jī)的電壓與電網(wǎng)的電壓不一致，無(wú)法實(shí)現(xiàn)旁路功能，當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，又要保證生產(chǎn)的正常進(jìn)行，必須首先將電機(jī)改回Ｙ型接法，再投入6kV電網(wǎng)。為此，電機(jī)的改接必須加裝Ｙ/△切換柜實(shí)現(xiàn)，以便實(shí)現(xiàn)旁路功能。
4）輸出諧波含量大，需要專用變頻電機(jī)。
由于三電平變頻器，所固有的輸出波形中含高的諧波分量，使得輸出性能不良好。輸出電流、電壓波形見圖2。低速區(qū)變頻器的波形極差，基本上不能滿足工況的要求。因此，在變頻器的輸出側(cè)必須配置LC濾波器才能用于普通的鼠籠型電機(jī)。同樣由于諧波的原因，電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)和效率、甚至壽命都會(huì)受到一定的影響，只有在額定工況點(diǎn)才能達(dá)到最佳的工作狀態(tài)，但隨著轉(zhuǎn)速的下降，功率因數(shù)和效率都會(huì)相應(yīng)降低。輸出電壓諧波5.、7高，11次、13次諧波達(dá)到20%以上，會(huì)引起電動(dòng)機(jī)諧波無(wú)功發(fā)熱、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，這對(duì)電纜和電動(dòng)機(jī)都是致命的影響。因此，外商一般都力薦采用專用電動(dòng)機(jī)。
3.4單元串聯(lián)多重化變頻器
曲拆多脈沖變壓器整流IGBT單元串聯(lián)多電位重疊間接高壓方式
電壓變換方式：電源變壓器（R1）單元串聯(lián)變頻器（R2）電機(jī)（R3）
系統(tǒng)等效阻抗R=R1+R2+R3
3.4.1主電路
單元串聯(lián)多重化技術(shù)高壓變頻器，是利用移相主變壓器降壓，再通過(guò)多個(gè)低壓?jiǎn)蜗嘧冾l器（圖3a）串聯(lián)和控制器結(jié)構(gòu)組成。各功率單元由一個(gè)曲拆多繞組的移相主變壓器降壓供電。變壓器是單元串聯(lián)高壓變頻器設(shè)備電路結(jié)構(gòu)中的一個(gè)重要部件。3kV有12個(gè)功率單元，每4個(gè)功率單元串聯(lián)構(gòu)成一相。6kV系列有15個(gè)功率單元，每5個(gè)功率單元串聯(lián)構(gòu)成一相。10kV系列有21個(gè)功率單元，每7個(gè)功率單元串聯(lián)構(gòu)成一相。移相變壓器中，變頻器6kV時(shí)需要3×5個(gè)繞組，引出主接線頭48根，（10kV時(shí)需3×7個(gè)繞組，引出主接線頭66根，）。變壓器輸入端采用內(nèi)部三角形，輸出為外部星形的延邊三角形接法，見圖3。
所謂多重化技術(shù)就是每相由幾個(gè)低壓PWM功率單元串聯(lián)組成，各功率單元由一個(gè)多繞組的隔離變壓器多級(jí)移相疊加的整流方式供電，由CPU實(shí)現(xiàn)控制再以光導(dǎo)纖維隔離驅(qū)動(dòng)。輸出側(cè)由每個(gè)單元的U、V輸出端子相互串接而成星型接法給電機(jī)供電。通過(guò)對(duì)每個(gè)單元的PWM波形進(jìn)行重組多重化。可實(shí)現(xiàn)輸入端（變頻器在高頻段輸出50Hz時(shí)）條件下有較低的諧波含量（輸出端諧波含量高）。圖（3b）為6kV變頻器的主電路拓?fù)鋱D，每組由5個(gè)額定電壓為690V的功率單元串聯(lián)，因此相電壓為690V×5=3450V，所對(duì)應(yīng)的線電壓為6000V。每個(gè)功率單元由輸入隔離變壓器的15個(gè)二次繞組分別供電，15個(gè)二次繞組分成5組，每組之間存在一個(gè)12°的相位差。以中間△接法為參考(0°)，上下方各有兩套分別超前（＋12°、＋24°）和滯后（－12°、－24°）的4組繞組。所需相差角度可通過(guò)變壓器的不同聯(lián)接組別來(lái)實(shí)現(xiàn)。
圖3e中的每個(gè)功率單元都是由低壓（IGBT）構(gòu)成的三相輸入，單相輸出的低壓PWM電壓型逆變器。每個(gè)功率單元按預(yù)編程時(shí)序輸出不同相位差的PWM電壓為1、0、－1三種狀態(tài)電平，每相5個(gè)單元成階梯疊加，就可產(chǎn)生11個(gè)不同的梯度電平波形，圖4為一相合成的輸出正波包絡(luò)電壓波形。這種電壓波形對(duì)電單元串聯(lián)機(jī)無(wú)特殊要求，可用于普遍籠型電機(jī)。
這種多重化技術(shù)構(gòu)成的高壓變頻器，也稱為單元串聯(lián)電壓型變頻器，采用功率單元串聯(lián)雙“Y”回路，采取變壓器多繞組別分組分壓整流單元均壓，單元電平疊加，變頻器輸出高電壓的正弦波包絡(luò)階梯電壓波形。適應(yīng)普通籠型電機(jī)的變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)。
多重化被稱為“完美無(wú)諧波”，是外國(guó)某公司營(yíng)銷技術(shù)名詞，以為中國(guó)人對(duì)變頻技術(shù)的不了解，用輸入端滿載諧波含量作誤導(dǎo)宣傳，是概念混淆，偷梁換柱的說(shuō)法。事實(shí)上，變頻器產(chǎn)生的諧波應(yīng)嚴(yán)格分為兩個(gè)部分即：1、輸入端諧波含量指標(biāo)，指變頻器對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的騷擾作用。2、輸出端諧波含量指標(biāo)，指變頻器的高頻輻射和對(duì)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的運(yùn)轉(zhuǎn)脈動(dòng)性、溫升、絕緣老化、軸承疲勞的副作用。實(shí)際上人們都知道變壓器本身在作隔離功能的同時(shí)將產(chǎn)生新的諧波源，完全正弦的工頻變壓器都存在的勵(lì)磁諧波，那非線性整流疊加的的變壓器怎能“完美無(wú)諧波”。諧波還是有的，可以說(shuō)：輸入端諧波含量低，符合標(biāo)準(zhǔn)。事實(shí)上《GB/T14549-93，電能質(zhì)量，公用電網(wǎng)諧波》和GB/T12668.4高壓變頻器標(biāo)準(zhǔn)中的輸入諧波含量指標(biāo)，許多高壓變頻都可達(dá)標(biāo)到。單元串聯(lián)多重化是在輸出端建立在120o方波的基礎(chǔ)上，變頻器在額定頻率、額定重負(fù)載時(shí)其波形較好，諧波含量較低。在低頻段或輕負(fù)載時(shí)波形畸變大，輸出三相電壓非對(duì)稱性頻擺加大，電機(jī)磁鏈脈動(dòng)增大，電機(jī)中性點(diǎn)與變頻器中性點(diǎn)出現(xiàn)電位差，諧波劇增。由于這種結(jié)構(gòu)的變頻器中存在變壓器，如果電機(jī)的中性點(diǎn)沒有接地，電機(jī)就存在共模電壓。當(dāng)電機(jī)的中性點(diǎn)接地后，共模電壓仍然存在，沒有消失，通過(guò)接地點(diǎn)轉(zhuǎn)移到變壓器上。讓變壓器來(lái)承受共模電壓對(duì)絕緣的沖擊和諧波熱能。這就是這什么單元串聯(lián)高壓變頻器變壓器易壞的主要原因之一。變頻器往往是用于低于工頻下作節(jié)能運(yùn)行的，這對(duì)電機(jī)壽命是極為不利的。外國(guó)某公司高壓變頻器在中國(guó)的初期應(yīng)用中都須更換由他們生產(chǎn)的專用電機(jī)。也間接表明單元串聯(lián)多重化變頻器的輸出諧波嚴(yán)重性。
3.4.2單元串聯(lián)多重化變頻器的技術(shù)特點(diǎn)
（1）是一種單變壓器高—低－高的有效方式。采用功率單元串聯(lián)電壓相加回路，采取變壓器多繞組別分組分壓整流單元均壓，單元電平疊加，變頻器輸出高電壓的階梯電壓波形，經(jīng)電機(jī)定子電感濾波，相電壓為正弦波（實(shí)際上就任何變頻器輸出波形很差，只要經(jīng)電機(jī)定子電感濾波，相電壓都為正弦波）。


（2）成熟技術(shù)易于組合不同電壓輸出的要求。由于采用功率單元串聯(lián)，采用低壓變頻器成熟技術(shù)，由低壓IGBT組成逆變單元，通過(guò)串聯(lián)單元的個(gè)數(shù)適應(yīng)不同的輸出電壓要求；

(源自：)
（3）功率單元模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、單元間具有互換性。由于多功率單元具有相同的結(jié)構(gòu)及參數(shù)，便于單元間具有互換性，實(shí)現(xiàn)冗余設(shè)計(jì)，即使在個(gè)別單元故障時(shí)也可通過(guò)單元旁路功能將該單元短路，系統(tǒng)仍能降額地可運(yùn)行。

（4）實(shí)現(xiàn)工/變頻切換操作簡(jiǎn)單。