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(dòng)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(shí)踐證明，驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)、水泵的大、中型籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)， 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(yīng)用于低壓（380V ）電動(dòng)機(jī)，但在中壓（3000V 以上）電動(dòng)機(jī)上卻一直沒(méi)有得到廣泛應(yīng)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(yīng)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(guó)內(nèi)外許多科研機(jī)構(gòu)及大公司都傾注大量人力物力進(jìn)行研究， 工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家高壓變頻器技術(shù)已趨于成熟，國(guó)外

2、幾家著名電器公司都有高壓大容量變頻器產(chǎn)品，典型的如美國(guó) A-B （羅克韋爾自動(dòng)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(kāi)始投入商業(yè)運(yùn)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(kāi)關(guān)器件，無(wú)需升降壓變壓器即可以直接輸出6KV電壓，分強(qiáng)制風(fēng)冷和水冷型，功率從 300到18000馬力，至今已經(jīng)應(yīng)用于多個(gè)行業(yè)上 千臺(tái)應(yīng)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(guó)羅賓康公司采用大量低壓電壓型開(kāi)關(guān)器件，配合特殊設(shè)計(jì)的多脈沖多次

3、級(jí)抽頭輸出4*頁(yè)幵-£JI If. Jl U隔離整流變壓器，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(jí)為 4160/3300V ，直接輸出電壓最高達(dá) 3300V 。所以國(guó)內(nèi)也有將此種方 案稱為高中方案，對(duì)應(yīng)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(yīng)用是最近十?dāng)?shù)年的事情，相比之下低壓變頻器的應(yīng)用卻已經(jīng)有超過(guò)二十年的時(shí)間。在中壓變頻器大面積推廣應(yīng)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

4、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、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(dòng)機(jī)。由于這種系統(tǒng)技術(shù)難度相對(duì)小，投資相對(duì)低，所以在國(guó)內(nèi)一度應(yīng)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(guò)渡性。所以一般認(rèn)為適用于功率小于2OOkw 的中壓電動(dòng)機(jī)。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(gè)功率單元串聯(lián)組成，由于省掉了

5、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(kāi)發(fā)、制造、應(yīng)用和維護(hù)的日臻成熟，高高式中壓變頻器的產(chǎn)品日趨標(biāo)準(zhǔn)化，成本不斷下降，所以今天已經(jīng)成為中壓變頻應(yīng)用的首選方案。總之，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(yīng)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(yīng)地系統(tǒng)配 備（變壓器、電抗器、濾波裝置等）都會(huì)有所差別，系統(tǒng)的可靠性、效率、諧波抑制效果（電力電子設(shè)備對(duì)電網(wǎng)端的影 響）和馬達(dá)的友好性（電力電子設(shè)備到馬達(dá)的輸出端電流和電壓波形情況對(duì)馬達(dá)的影響）、 熱損值、故障模式都會(huì)有所差別。不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)又會(huì)使得散熱效果、環(huán)境要求、應(yīng)

6、用友好性和系統(tǒng)可維護(hù)性存在諸多差別。從商業(yè)應(yīng)用的角度考慮，制造商產(chǎn)品研發(fā)、銷售、應(yīng)用和支持的經(jīng)驗(yàn)、在本地的業(yè)績(jī)、經(jīng)驗(yàn)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(duì)于功率相對(duì)較低的中壓負(fù)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(guò)升壓變頻器控制中壓電機(jī)。?優(yōu)點(diǎn)：a）系統(tǒng)初始投資相對(duì)高高變頻要低；b）同樣不需要更換電機(jī)或者改變電機(jī)的接線方法，電纜變動(dòng)不大。?缺點(diǎn)：c）系統(tǒng)采用升壓-降壓兩個(gè)變壓器，不僅使得系統(tǒng)占地面積大，結(jié)構(gòu)復(fù)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(yùn)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

7、器必須能夠承受變頻器頻率輸出范圍的大幅變動(dòng)，設(shè)計(jì)和制造水平要求較高，一般需要進(jìn)口，為日后的技術(shù)支持和產(chǎn)品維護(hù)帶來(lái)一定的困難。另外一般的變壓器設(shè)計(jì)階段就已經(jīng)確定了最佳運(yùn)行頻率，應(yīng)用于變頻輸出升壓可能會(huì)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(duì)（老）電機(jī)發(fā)熱、噪聲等都會(huì)帶來(lái)不利的影響，縮短電機(jī)的使用壽命。尤其需要特別指出的是，對(duì)于改造應(yīng)用，許多用戶現(xiàn)有的電機(jī)都是B級(jí)絕緣的老式電機(jī)，如果發(fā)熱和溫升問(wèn)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(shè)備，高低高系統(tǒng)不能很好

8、地解決系統(tǒng)進(jìn)線端諧波 對(duì)電網(wǎng)的污染問(wèn)題，不符合相關(guān)的工業(yè)和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（如IEEE 519諧波抑制指南。2）高中變頻方案（三電平電壓型）Siemensd）此類方案標(biāo)準(zhǔn)輸入端整流一般采用12脈沖，而要滿足國(guó)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(lái)解決這個(gè)問(wèn)題（高達(dá) 12%-14%），這樣就影響了系統(tǒng)的效率；因此，對(duì)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(jìn)步，但是由于電壓型器件只能單方向?qū)?，所以每一個(gè)基本單元必須使用成對(duì)反并聯(lián)的管子，而

9、且采用中性點(diǎn)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(kāi)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(duì)于電機(jī)尤其是老式的電機(jī)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(wèn)總之，咼中方案較之咼低咼方案是技術(shù)上的一個(gè)重大的進(jìn)步，投資介于咼低咼和咼咼方案之間，但是相對(duì)來(lái)說(shuō)， 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(dāng)用戶 電機(jī)為老式電機(jī)式，需要承擔(dān)一定的風(fēng)險(xiǎn)。3）多重化電壓型方案（低壓變頻器串接疊加）6KVf1S-630V5 町碼'所謂多重化電壓型解決方案，就是每相采用多個(gè)低壓IGBT低壓變頻器（630伏）串接疊加，達(dá)到

10、高電壓輸出到電機(jī)的目的。隔離變壓器的設(shè)計(jì)與其他方案不同， 變壓器的次級(jí)引出多個(gè)抽頭，每個(gè)抽頭引出630伏電壓向低壓IGBT器件提供饋電。?優(yōu)點(diǎn)：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(jí)繞組抽頭的增加提高了隔離變壓器脈沖數(shù)，系統(tǒng)進(jìn)線側(cè)消諧作用 增強(qiáng)，對(duì)進(jìn)線電源諧波污染小，所以有些廠商提出的“完美無(wú)諧波”解決方案就是這樣的道理。?缺點(diǎn)：a）該方案的最大缺點(diǎn)是系統(tǒng)特別復(fù)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-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(hù)性帶來(lái)

11、較大的影響。b）由于隔離變壓器制造工藝復(fù)雜，其次級(jí)繞組抽頭的接線端子數(shù)量典型地是 CS I-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(jìn)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(wàn)一出現(xiàn)故障， 用戶將很難在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)，對(duì)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(duì)冷卻系統(tǒng)和空調(diào)要 求較高，強(qiáng)制的風(fēng)冷措施使得變頻器系統(tǒng)能耗增加，效率降低。d）“完美無(wú)諧波”以犧牲系統(tǒng)可靠性和效率為代價(jià)， 在滿足IEEE-519進(jìn)線端諧 波污染問(wèn)題上，并非最簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)形式。而且同所有電壓源型解決方案一樣，“完 美無(wú)諧波”是指進(jìn)線端諧波抑制，出線端（針對(duì)電機(jī)的電壓電流輸出波形）并不 是十分理想，必須要加相應(yīng)的濾波回路，對(duì)老的電機(jī)（如 B級(jí)絕緣）的適應(yīng)性和 靈活性就不如電流源型解決方案。另外，這種方案無(wú)法實(shí)現(xiàn)停車時(shí)的能量回饋制 動(dòng)。e）許多多重化電壓型中壓變頻廠商的產(chǎn)品并非免維護(hù)設(shè)計(jì)