高壓變頻器的特性論述(一)

目前，世界上對(duì)高壓電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)的研究非常活躍，高壓變頻器的種類(lèi)層出不窮，作為用戶(hù)都希望能選擇實(shí)用而具有良好性?xún)r(jià)比的高壓變頻器，如何選擇便是值得研究的問(wèn)題。知己知彼，百戰(zhàn)百勝，首先按照自己的工況擬定對(duì)高壓變頻器的技術(shù)要求，針對(duì)性的選擇高壓變頻器的方案、產(chǎn)品和售后服務(wù)，否則會(huì)出現(xiàn)應(yīng)用不理想，投資損失大。不同高壓變頻器的電路拓?fù)浞桨妇哂胁煌募夹g(shù)水平。技術(shù)水平?jīng)Q定變頻器和傳動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、使用壽命、維護(hù)費(fèi)用、性?xún)r(jià)比等重要指標(biāo)。就如同筆記本電腦功能都基本相同，但不同的技術(shù)水平，質(zhì)量?jī)r(jià)位從3000元到數(shù)萬(wàn)元之差。為此，了解不同種類(lèi)的高壓變頻器內(nèi)含技術(shù)水平，選擇變頻器的品質(zhì)與工況相結(jié)合，達(dá)到投入少、節(jié)能回報(bào)率高的理想效果。
1 高壓變頻器的概念
按國(guó)際慣例和我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電壓等級(jí)的劃分，對(duì)供電電壓≥10kV時(shí)稱(chēng)高壓，1kV～10kV時(shí)稱(chēng)中壓。我們習(xí)慣上也把額定電壓為6kV或3kV的電機(jī)稱(chēng)為“高壓電機(jī)”。由于相應(yīng)額定電壓1～10kV的變頻器有著共同的特征，因此，我們把驅(qū)動(dòng)1～10kV交流電動(dòng)機(jī)的變頻器稱(chēng)之為高壓變頻器。高壓變頻器又分為兩種性質(zhì)類(lèi)型，電流型和電壓型，其特點(diǎn)區(qū)別：
變頻器其主要功能特點(diǎn)為逆變電路。根據(jù)直流端濾波器型式，逆變電路可分為電壓型和電流型兩類(lèi)。前者在直流供電輸入端并聯(lián)有大電容，一方面可以抑制直流電壓的脈動(dòng)，減少直流電源的內(nèi)阻，使直流電源近似為恒壓源；另一方面也為來(lái)自逆變器側(cè)的無(wú)功電流提供導(dǎo)通路徑。因此，稱(chēng)之為電壓型逆變電路。
在逆變器直流供電側(cè)串聯(lián)大電感，使直流電源近似為恒流源，這種電路稱(chēng)之為電流型逆變電路。電路中串聯(lián)的電感一方面可以抑制直流電流的脈動(dòng)，但輸出特性軟。電流型變頻器是在電壓型變頻器之前發(fā)展起來(lái)的早期拓?fù)洹?
2 電壓型逆變器與電流型逆變器的特點(diǎn)區(qū)別
（1）直流回路的濾波環(huán)節(jié)。電壓型逆變器的直流濾波環(huán)節(jié)主要采用大電容，因此電源阻抗小，相當(dāng)于電壓源。電流型逆變器的直流濾波環(huán)節(jié)主要采用大電感，相當(dāng)于恒流源。
（2）輸出波形。電壓型逆變器輸出的電壓波形是SPWM高頻矩形載波，輸出的電流波形在感性負(fù)載時(shí)近似于正弦波，含有部份的高次諧波分量，輸入采用簡(jiǎn)易濾波，便可滿(mǎn)足國(guó)家潛波含量標(biāo)準(zhǔn)。電流型變換器輸出的電流波形是一個(gè)交變矩形波，其輸出的電壓波形接近正弦波，含有豐富的高次諧波分量，電機(jī)易發(fā)高熱，一般使用時(shí)都要選用進(jìn)口的特制電動(dòng)機(jī)。輸入諧波含量極高，須采用巨大，笨重的濾波器，方能使用。
（3）四象限運(yùn)行。電流型逆變器由于在其直流供電側(cè)串聯(lián)大電感，在維持電流方向不變的情況下，可控硅整流橋可改變電壓極性，所以很容易使逆變器運(yùn)行在整流狀態(tài)，從而使整流橋處于逆變狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行。電壓型高壓變頻器只有二電平采用IGBT整流回饋，可四象限運(yùn)行。
（4）動(dòng)態(tài)性能。電流型逆變器有大電感，電流動(dòng)態(tài)響應(yīng)較困難，需求動(dòng)態(tài)力矩跟不上，特性軟；電壓型逆變器可以用電流反饋環(huán)控制，響應(yīng)速度快，適應(yīng)現(xiàn)代控制理論：高級(jí)的佳靈直接速度控制、富士矢量控制，ABB直接轉(zhuǎn)矩控制，次之的空間電壓矢量控制和轉(zhuǎn)差優(yōu)化F/U控制。在速度開(kāi)環(huán)的條件下，可高速、高精度地實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的磁通力矩控制，使電機(jī)特性可柔、可剛；動(dòng)態(tài)性能尤好。
（5）過(guò)流及短路保護(hù)是高壓變頻器關(guān)鍵的保護(hù)功能。電流型逆變器因回路中串有大電感，能抑制短路等故障時(shí)電流的上升率，故電流型逆變器的過(guò)流和短路保護(hù)容易實(shí)現(xiàn)，而一般的電壓型逆變器則較為困難，只有二電平電壓型高壓變頻器設(shè)有直流電感，可抑制di/dt的上升速率，易實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)和短路保護(hù)。
（6）對(duì)開(kāi)關(guān)管的要求。電壓型逆變器中的開(kāi)關(guān)管要求關(guān)斷時(shí)間短，但耐壓較低；而電流型逆變器中的開(kāi)關(guān)管對(duì)關(guān)斷時(shí)間無(wú)嚴(yán)格要求，但耐壓要求相對(duì)較高。
（7）采用電流型逆變器需加兩個(gè)電感，并且開(kāi)關(guān)管截止時(shí)所承受的電壓比電壓型高的多。目前只有AB公司有該技術(shù)方案的產(chǎn)品。
從上述區(qū)別中表明電壓型高壓變頻器比電流型高壓變頻器更具應(yīng)用前景。
3 四種電壓型高壓變頻器的拓?fù)浞绞降奶攸c(diǎn)
3.1 目前電壓型高壓變頻器實(shí)現(xiàn)高壓的拓?fù)浞绞?
近年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展需要，促使電力電子器件快速發(fā)展；反過(guò)來(lái)，一代新器件或一項(xiàng)新技術(shù)一旦克服了老器件的某些缺點(diǎn)，就會(huì)推動(dòng)包括變頻器在內(nèi)的電力電子應(yīng)用裝置出現(xiàn)革命性的變化。
IGBT在90年代迅速發(fā)展，絕緣性、模塊化與其工作頻率可達(dá)20kHz，使變頻器進(jìn)入“靜音”時(shí)代。它沒(méi)有2次擊穿的困擾，在380V、660V異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的使用效果，被社會(huì)廣泛接受，使得低電壓變頻器的發(fā)展，在目前進(jìn)入大發(fā)展的全盛時(shí)期。
在電壓為1140V～3-10kV的高壓電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速中，IGBT模塊的工作電壓己遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上使用要求。由于IGBT元件目前IGBT作到3.3kV，IGCT作到4.5kV，但也不能滿(mǎn)足直接使用的電壓等級(jí)。又其性能差價(jià)格高昂，制造產(chǎn)品昂貴。由于IGBT元件串聯(lián)后將出現(xiàn)的一些世界級(jí)技術(shù)難題，在高開(kāi)關(guān)頻率下的多環(huán)節(jié)動(dòng)態(tài)dv/dt高峰值，線(xiàn)路電感、引線(xiàn)電感、母板技術(shù)、串聯(lián)同步控制、動(dòng)態(tài)均壓等等，都使產(chǎn)品出現(xiàn)崩潰性的難點(diǎn)，被國(guó)內(nèi)外業(yè)內(nèi)研發(fā)專(zhuān)家列為研發(fā)的禁區(qū)。高壓變頻器究竟用什么器件，成為世界業(yè)內(nèi)電氣設(shè)計(jì)的研究創(chuàng)造的熱門(mén)。因此，高壓變頻器在不同的歷史時(shí)期，就有不同的技術(shù)與技術(shù)產(chǎn)品出現(xiàn)：
A類(lèi)：風(fēng)機(jī)、水泵專(zhuān)用高壓變頻器。驅(qū)動(dòng)對(duì)象：高壓交流異步電動(dòng)機(jī)風(fēng)機(jī)、水泵專(zhuān)用（要求不高的平方轉(zhuǎn)矩和對(duì)動(dòng)態(tài)控制要求不高的工況）
（1）高-低-高方式，采用降壓變壓器低壓變頻器特殊升壓變壓器電機(jī)；
（2）12脈沖變壓器整流IGBT三電平兩電位重疊間接高壓方式；
（3）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；
注：間接—指在變頻器變流環(huán)節(jié)中，存在利用了變壓器來(lái)進(jìn)行電壓變換的過(guò)程。
B類(lèi)：通用高壓變頻器。驅(qū)動(dòng)對(duì)象：高壓交流異步電動(dòng)機(jī)；高壓交流同步電動(dòng)機(jī)。負(fù)載通用類(lèi)：（既可適用風(fēng)機(jī)、水泵，也可使用于全程快速高轉(zhuǎn)矩控制和四象限運(yùn)行的各種機(jī)械傳動(dòng)控制。）
（4）直接整流IGBT元件串聯(lián)直接高壓方式；
3.2高-低-高方式
電壓變換方式：降壓變壓器（R1）低壓變頻器（R2）升壓變壓器（R3）電機(jī)（R4）。
系統(tǒng)等效阻抗R=R1+R2+R3+R4
輸出變壓器需特殊制造，成本高，功率因數(shù)低，效率低，自損耗大，笨重。系統(tǒng)性能差，可用于一般工藝調(diào)速，不宜于調(diào)速節(jié)能的應(yīng)用。
3.3IGBT三電平兩電位重疊間接高壓方式（簡(jiǎn)稱(chēng)：三電平高壓變頻器）
電壓變換方式：電源降壓變壓器（R1）IGBT三電平逆變器（R2）電機(jī)（R3）。
系統(tǒng)等效阻抗R=R1+R2+R3（升壓時(shí)加升壓變壓器阻抗R4）
三電平高壓變頻器又稱(chēng)“中性點(diǎn)箝位式”（也稱(chēng)NPC(NeturalPointClamped中點(diǎn)箝位方式)高壓變頻器，這是近幾年才開(kāi)發(fā)和推出的一種高壓變頻器，高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)采用中性點(diǎn)箝位三電平技術(shù)。變頻器主要由輸入12脈沖變壓器、整流器、中性點(diǎn)箝位回路、三電平模式逆變器、輸出濾波器、控制部分等組成。
整流電路一般采用二極管，箝位采用高壓快恢復(fù)二極管，逆變部分功率器件采用GTO、IGBT或IGCT。輸出電壓等級(jí)4.16kV。
初期便用時(shí)由于輸出電壓與電機(jī)工作電壓不直接匹配，對(duì)6KV須將高壓電機(jī)
“Y”接法改為“”接法。當(dāng)變頻器故障時(shí)，又改回去，工頻運(yùn)行。
目前為可在輸出端增設(shè)一個(gè)自耦升壓變壓器，可直接用于6KV和10KV高壓電機(jī)，類(lèi)似高--低--高方式。目前為ABB公司和西門(mén)子公司技術(shù)方案產(chǎn)品。