中壓變頻技術(shù)方案分析

1、中壓變頻技術(shù)方案分析 交流變頻調(diào)速技術(shù)是現(xiàn)代化電氣傳動的主要發(fā)展方向之一，它不僅調(diào)速性能優(yōu)越，而且節(jié)能效果良好。實踐證明，驅(qū)動風機、水泵的大、中型籠型感應電動機，采用交流變頻調(diào)速技術(shù)，節(jié)能效果顯著，控制水平也大為提高。 目前，變頻調(diào)速技術(shù)已廣泛應用于低壓（380V）電動機，但在中壓（3000V以上）電動機上卻一直沒有得到廣泛應用，造成這種情況的主要原因是目前在低壓變頻器中廣泛應用的功率電子器件均為電壓型器件，耐壓值基本都在1200-1800V，研制高壓變頻器難度較大，為了攻克這一技術(shù)難題，國內(nèi)外許多科研機構(gòu)及大公司都傾注大量人力物力進行研究，工業(yè)發(fā)達國家高壓變頻器技術(shù)已趨于成熟，國外幾家著名電

2、器公司都有高壓大容量變頻器產(chǎn)品，典型的如美國A-B（羅克韋爾自動化公司所屬品牌）、歐洲的西門子公司、ABB公司等。這些公司產(chǎn)品的電壓一般為3-6.6kv，容量從250-4000kW，所采用的技術(shù)也有很大差別。A-B從1990年研制成功并開始投入商業(yè)運行的變頻器主要采用CSI-PWM技術(shù)，即電流源逆變-脈寬調(diào)制型變頻器，采用電流開關(guān)器件，無需升降壓變壓器即可以直接輸出6KV電壓，分強制風冷和水冷型，功率從300到18000馬力，至今已經(jīng)應用于多個行業(yè)上千臺應用記錄。是最有影響力，最為廣泛接受的中壓變頻技術(shù)。美國羅賓康公司采用大量低壓電壓型開關(guān)器件，配合特殊設計的多脈沖多次級抽頭輸出隔離整流變壓器

3、，同樣能夠?qū)崿F(xiàn)輸出端直接6千伏輸出，由于是大量低壓元件串接，故被稱之為多極化電壓性解決方案。西門子公司和ABB公司分別采用中壓 IGBT和IGCT器件，是典型的電壓型變頻器。器件耐壓等級為4160/3300V，直接輸出電壓最高達3300V。所以國內(nèi)也有將此種方案稱為高中方案，對應的將6KV-6KV（如A-B方案）稱為高高方案。中壓變頻器的發(fā)展和廣泛應用是最近十數(shù)年的事情，相比之下低壓變頻器的應用卻已經(jīng)有超過二十年的時間。在中壓變頻器大面積推廣應用之前，也出現(xiàn)了另外一種方案。即采用升降壓變壓器的“高-低-高”式變頻器，亦稱間接中壓變頻器。 “高-低-高”式高壓變頻器，即間接高壓變頻器裝置由輸入、

4、輸出變壓器及低壓變頻器組成。輸入變壓器為降壓變壓器，它將高壓電源電壓降至變頻器所允許的范圍，經(jīng)低壓變頻器后，再經(jīng)輸出變壓器升壓，供給高壓電動機。由于這種系統(tǒng)技術(shù)難度相對小，投資相對低，所以在國內(nèi)一度應用較為活躍。但是此方案由于兩次電壓變換增加了損耗，影響了節(jié)能效果，并且占地面積大，還產(chǎn)生大量的高次諧波，有較明顯的缺陷，在技術(shù)上有明顯的過渡性。所以一般認為適用于功率小于200kw的中壓電動機。 相比之下，“高-高”式高壓變頻器，即直接高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，一般由輸入側(cè)隔離變壓器和多個功率單元串聯(lián)組成，由于省掉了輸出變壓器，因而減少了損耗，提高了功率，減少了占地面積，另外隨著開發(fā)、制造、應用和維護的日

5、臻成熟，高高式中壓變頻器的產(chǎn)品日趨標準化，成本不斷下降，所以今天已經(jīng)成為中壓變頻應用的首選方案?？傊?，不同于低壓變頻產(chǎn)品廠商眾多，技術(shù)雷同的情況，中壓產(chǎn)品主要供應廠商的解決方案各不相同。其中核心差別在于所選用的器件類型不同。相應地系統(tǒng)配備（變壓器、電抗器、濾波裝置等）都會有所差別，系統(tǒng)的可靠性、效率、諧波抑制效果（電力電子設備對電網(wǎng)端的影響）和馬達的友好性（電力電子設備到馬達的輸出端電流和電壓波形情況對馬達的影響）、熱損值、故障模式都會有所差別。不同的結(jié)構(gòu)設計又會使得散熱效果、環(huán)境要求、應用友好性和系統(tǒng)可維護性存在諸多差別。從商業(yè)應用的角度考慮，制造商產(chǎn)品研發(fā)、銷售、應用和支持的經(jīng)驗、在本地的

6、業(yè)績、經(jīng)驗以及支持能力也是考察的重要因素。1) 中壓變頻高低高解決方案對于功率相對較低的中壓負載，采用降壓變壓器將電網(wǎng)電壓降低，經(jīng)由低壓變頻器，再經(jīng)過升壓變頻器控制中壓電機。 優(yōu)點：a) 系統(tǒng)初始投資相對高高變頻要低；b) 同樣不需要更換電機或者改變電機的接線方法，電纜變動不大。 缺點：升壓變壓器中壓開關(guān)MVFD升壓變壓器低壓變頻器圖1 高低高中壓變頻應用示意圖c) 系統(tǒng)采用升壓-降壓兩個變壓器，不僅使得系統(tǒng)占地面積大，結(jié)構(gòu)復雜，可靠性降低（變壓器是中壓變頻系統(tǒng)中較為薄弱的環(huán)節(jié)，更使得系統(tǒng)運行效率大大下降（約8-10%），影響節(jié)能效果，系統(tǒng)總體擁有成本升高。d) 升壓變壓器必須能夠承受變頻器頻

7、率輸出范圍的大幅變動，設計和制造水平要求較高，一般需要進口，為日后的技術(shù)支持和產(chǎn)品維護帶來一定的困難。另外一般的變壓器設計階段就已經(jīng)確定了最佳運行頻率，應用于變頻輸出升壓可能會引起系統(tǒng)整體性能的下降。e) 高低高方案中的低壓變頻器均為電壓源型，本身輸出波形就不是很理想，高次諧波經(jīng)由升壓變壓器放大后對（老）電機發(fā)熱、噪聲等都會帶來不利的影響，縮短電機的使用壽命。尤其需要特別指出的是，對于改造應用，許多用戶現(xiàn)有的電機都是B級絕緣的老式電機，如果發(fā)熱和溫升問題不能夠很好的解決，將為系統(tǒng)的性能、壽命、可靠性方面埋下隱患。f) 不同于高高變頻器等專門的中壓變頻設備，高低高系統(tǒng)不能很好地解決系統(tǒng)進線端諧波

8、對電網(wǎng)的污染問題，不符合相關(guān)的工業(yè)和國際標準（如IEEE 519諧波抑制指南。2) 高中變頻方案（三電平電壓型）中壓器件的研究和應用近年來也取得了很大的進展。人們研制出了中壓IGBT 或者中壓IGCT器件，耐壓等級為4160/3300V，直接輸出電壓最高達3300V。就國內(nèi)大多數(shù)的6千伏交流電機而言，這類方案并不能不加改進而直接應用于6千伏電機，所以國內(nèi)也有將此種方案稱為高中方案，對應的將6KV-6KV稱為高高方案。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如右圖所示。 優(yōu)點：a) 中壓器件的應用，使得系統(tǒng)相對高低高方案簡單，結(jié)構(gòu)更為合理，可靠性和系統(tǒng)效率有所提高；b) 由于中壓器件的采用，提高了變頻器功率和電壓的應用范圍，相

9、對于高低高方案，應用于較大功率的場合成為可能；c) 輸入端一般采用12脈沖整流方式，輸入端諧波成分得到一定控制。 缺點：a) 目前中壓變頻器電壓型器件仍屬于發(fā)展中的產(chǎn)品，受器件研究和制造水平的限制，目前尚沒有直接適應6KV電機的變頻方案，對于改造項目，要么要求用戶在具體應用時改變電機的接法（星-三角型接法互換），要么在變頻器的輸出端集成升壓變壓器；對于新上項目，也需要用戶配套特殊類型的電機，可能會造成系統(tǒng)互換方面的困難。b) 改變電機的接線方法，勢必造成電機物理特性的改變，電機需要重新測試，另外重新改變電機接線方法，在很多情況下會導致電機失去互換性，而實際的現(xiàn)狀是，多數(shù)擁有多臺泵或者風機的用戶

10、都會考慮在必要的情況下投入備用泵或者風機系統(tǒng)，如果單臺電機改變接法則備用電機將無法直接投入應用；c) 如果采取輸出端集成升壓變壓器方式，則無疑在一定程度上又重新回到了高低高方案的老路上，不得不慎重考慮可靠性、效率等問題；d) 此類方案標準輸入端整流一般采用12脈沖，而要滿足國際上關(guān)于電網(wǎng)諧波控制的基本要求（IEEE-5.19,1992）最低也要18脈沖整流變壓器。有的廠商采取提高整流變壓器阻抗的方法來解決這個問題（高達12%-14%），這樣就影響了系統(tǒng)的效率；因此，對于三電平技術(shù)方案，要想徹底消除諧波隱患，其電路結(jié)構(gòu)決定必須采用24脈沖整流。e) 雖然高中方案較之高低高方案有了很大的進步，但是

11、由于電壓型器件只能單方向?qū)?，所以每一個基本單元必須使用成對反并聯(lián)的管子，而且采用中性點引出，這樣并不能做到器件數(shù)量的最低化，系統(tǒng)可靠性受到影響；f) 由于電壓型器件開關(guān)頻率很高，輸出波形中含有較多的高頻分量，這樣的電源輸出質(zhì)量對于電機尤其是老式的電機損傷較為明顯，也容易埋下事故隱患。高中方案為了解決這一問題通常會在輸出端加裝較大的LC濾波回路，系統(tǒng)的效率變會受到影響?？傊?，高中方案較之高低高方案是技術(shù)上的一個重大的進步，投資介于高低高和高高方案之間，但是相對來說，受到器件發(fā)展水平的限制，還不是成熟的解決方案，尤其是當用戶電機為老式電機式，需要承擔一定的風險。3) 多重化電壓型方案（低壓變頻器

12、串接疊加）所謂多重化電壓型解決方案，就是每相采用多個低壓IGBT低壓變頻器（630伏）串接疊加，達到高電壓輸出到電機的目的。隔離變壓器的設計與其他方案不同，變壓器的次級引出多個抽頭，每個抽頭引出630伏電壓向低壓IGBT器件提供饋電。 優(yōu)點：a) 由于直接可以輸出6千伏電壓，較之高低高或者某些高中方案省掉了升壓變壓器，系統(tǒng)效率有所提高。b) 變壓器次級繞組抽頭的增加提高了隔離變壓器脈沖數(shù)，系統(tǒng)進線側(cè)消諧作用增強，對進線電源諧波污染小，所以有些廠商提出的“完美無諧波”解決方案就是這樣的道理。 缺點：a) 該方案的最大缺點是系統(tǒng)特別復雜，犧牲了系統(tǒng)的可靠性和效率。典型地，其功率元件的總數(shù)量是CSI

13、-PWM電流型解決方案的12倍，大量與之配套的電子熔絲、電容器數(shù)量眾多，給系統(tǒng)的可靠性、可維護性帶來較大的影響。b) 由于隔離變壓器制造工藝復雜，其次級繞組抽頭的接線端子數(shù)量典型地是CSI-PWM電流型解決方案的9倍，所以一般廠商將變壓器與變頻器集成制造，一般同樣需要進口，而變壓器一般是中壓變頻系統(tǒng)較為薄弱的環(huán)節(jié)，萬一出現(xiàn)故障，用戶將很難在短時間內(nèi)恢復，對生產(chǎn)影響較大。c) 由于變頻器柜內(nèi)器件數(shù)量十分龐大，系統(tǒng)熱耗散加劇，對冷卻系統(tǒng)和空調(diào)要求較高，強制的風冷措施使得變頻器系統(tǒng)能耗增加，效率降低。d) “完美無諧波”以犧牲系統(tǒng)可靠性和效率為代價，在滿足IEEE-519進線端諧波污染問題上，并非最

14、簡單的實現(xiàn)形式。而且同所有電壓源型解決方案一樣，“完美無諧波”是指進線端諧波抑制，出線端（針對電機的電壓電流輸出波形）并不是十分理想，必須要加相應的濾波回路，對老的電機（如B級絕緣）的適應性和靈活性就不如電流源型解決方案。另外，這種方案無法實現(xiàn)停車時的能量回饋制動。e) 許多多重化電壓型中壓變頻廠商的產(chǎn)品并非免維護設計，如有些產(chǎn)品中使用的大量的電容器（超過200個），每隔3-4年就修要更換一次，運行中可維護性相對較差。f) 受IGBT類器件的設計原理限制，功率器件故障模式和中壓IGBT一樣會產(chǎn)生爆裂電弧，較為危險，嚴重情況下可能造成變頻嚴重損毀以至被燒毀，需要加以考慮。g) 從上述論述中可知，

15、多重化電壓型中壓變頻解決方案系統(tǒng)總體運行效率要低一些，運行成本支出不可忽視?？傊?，多重化電壓型中壓變頻解決方案比較高低高或者高中方案來講，直接可以輸出6千伏電壓，免去了升壓變壓器或者改電機接法之苦，但最大的問題在于犧牲了系統(tǒng)的可靠性，系統(tǒng)運行效率降低，運行和維護成本比較高。4) 高-高中壓變頻方案(CSI-雙PWM)功率結(jié)構(gòu)簡單，器件數(shù)量少，可靠性高！n 利用6500V的高壓功率器件直接架構(gòu)6KV的變頻器：18只SGCT組成6KV的整流器，18只SGCT組成6KV的逆變器，變頻器輸出應直接為6kV，無需外置/內(nèi)置輸出變壓器或馬達濾波器等類似變壓環(huán)節(jié)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，潛在故障點最少化。n 電流源逆

16、變技術(shù)可保證器件的安全串接，每個橋臂3只6500V的SGCT, 使得逆變單橋臂耐壓等級高達工作電壓的3倍以上。每只SGCT電流導通能力為800A-1500A，變頻耐壓/電流裕量最大化。n 電流源逆變器固有強壯的電流保護特性，無需熔斷保護電路，不但降低了系統(tǒng)復雜程度，而且免除了輸出側(cè)短路造成器件損害的可能。 SGCT PWM整流器SGCT PWM逆變器SGCT-壓變頻理想元件，可靠性高！n SGCT是帶集成門極驅(qū)動器的改進門極關(guān)斷晶閘管（GTO）n 門驅(qū)動與器件的集成確保了低電感路徑n 高效統(tǒng)一的門極觸發(fā)n 極低的導通和開關(guān)損耗n 低故障率(每十億小時100次故障可能)n 雙面冷卻，低熱損傷n

17、SGCT 阻斷正反雙方向6500V電壓, 電流單方向流通n 無沖孔的整體結(jié)構(gòu)n 平板對稱pnp結(jié)n 取消，簡化緩沖電路器件n 提高了工作頻率，減少了吸收器件的尺寸(50%左右)，提高了變頻器性能n 使用SGCT，變頻器所需器件數(shù)量最少，可靠性最高 輸入輸出波形好！n 輸入波形好: PWM整流器可有效抑制高次諧波,輸入電流THD4%, 輸入電壓THD0.98。由于無諧波問題，可免除多脈沖整流變壓器,變頻器的輸入直接接進線開關(guān)。不需諧波分析及加低通濾波環(huán)節(jié)，直接滿足IEEE519-1992諧波抑制標準，用戶不必擔心因使用變頻器造成對電網(wǎng)環(huán)境和穩(wěn)定性的破壞。n 輸出波形好: PWM電流型變頻器的輸出

18、無dv/dt及di/dt問題, 無需另加馬達濾波器，輸出電流THD2%, 輸出電壓THD5%?？芍苯油蠋胀ㄅf電機。電機無額外溫升，不必降容使用。變頻器到電機之間的電纜長度可達15公里，電纜為普通高壓電纜, 不需鎧裝屏蔽。n 變頻器直接輸出6KV, 原電機不需要作任何改動。固有四象限運行和能量回饋功能：快速制動，快速響應負載變化！ n PowerFlex7000電流型高壓變頻器固有能量回饋能力，可將降速工況(發(fā)電機運行狀態(tài))下負載反饋回的能量回送電網(wǎng), 利用再生制動快速降低電機轉(zhuǎn)速。電流型變頻器具有電流內(nèi)環(huán)，可利用強大的電流控制能力快速增加電機轉(zhuǎn)速，特別適用需要頻繁快速調(diào)節(jié)的負載控制。n 利用能量回饋及4象限運行特性, PowerFelx7000電流型高壓變頻器可啟動反向旋轉(zhuǎn)電機。SGCT PWM整流器SGCT PWM逆變器中文界面，16行大屏幕液晶顯示，使用簡單，維護方便！n 使用16行大屏幕液晶顯示的操作員終端, 中文界面。變頻器的狀態(tài)