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中壓大功率變頻技術的進展中山市明陽電器有限公司 薄保中 Bo Baozhong 摘 要:風機、泵類負載采用電動機調速傳動可以節(jié)約大量的電能，文中介紹了中壓大功率電動機變頻裝置的國內外產品技術現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，重點介紹了目前比較流行的多電平變頻器。 關鍵詞:變頻 多電平 中壓 大功率 Abstract: Variable speed drives can save a large mount of electric energy when they are used for fans and pumps. Technique status quo and development trends of medium-voltage high-power inverter products are presented in the paper and the focus is on multilevel inverters that are currently used Keywords: Inverter Multilevel Medium voltage High power 中圖分類號 TP20 文獻標識碼 B 文章編號 1561-0330(2003)-01-0013-05 1 引言 按照電力系統(tǒng)電壓等級的劃分，kV級電壓應稱為中壓，用于驅動電動機的變頻器相應稱作中壓變頻器，英文術語Medium Voltage Inverter，在國內電工界工程技術人員將其與低壓380V對比，而俗稱為高壓變頻器。 風機、泵用調節(jié)轉速來調節(jié)風量(或流量)后，可以節(jié)約大量的電能。據(jù)統(tǒng)計，風機、泵類電動機節(jié)電率一般為30%60%。風機、泵類負載用中壓變頻器占中壓變頻市場的四分之三左右，調速性能要求不高，節(jié)能效果又非常顯著，因而成為不少廠家搶占市場的首選領域。 風機泵類負載采用調速傳動雖然可以節(jié)約大量電能，過去由于沒有合適的中壓大功率交流調速裝置，推廣應用受到限制，特別是早期投產的大功率風機和泵的傳動，缺少簡單、可靠、經濟實用的中壓電機調速裝置，節(jié)能調速基本沒有推廣，因此國內技術設備改造市場很大。 近年來，隨著電力電子器件的發(fā)展，中壓變頻器技術日趨成熟，中壓變頻器應用也越來越廣泛。早期的中壓電動機變頻方案采用低壓變頻器和輸入輸出變壓器組成的“中-低-中”方案，近年來流行的方案都取消了輸出變壓器，即無輸出變壓器“transformer-less”方式。下面簡要介紹目前常用的技術方案。 2 大功率中壓變頻器主電路技術方案 大功率風機和泵一般采用中壓(110kV)交流電機傳動，根據(jù)實現(xiàn)中壓的途徑，中壓變頻方案又大致可以分為兩類:一是有輸出變壓器的中-低-中方案;二是無輸出變壓器的中-中方案。中壓變頻調速裝置采用輸入、輸出變壓器，變壓器和開關增加了成本，使系統(tǒng)復雜，增加了損耗，使這個方案失去了吸引力。近年來，無輸出變壓器的中-中方案非常流行，這種方案通過兩條途徑實現(xiàn):一是器件串聯(lián);二是多電平電路結構。 2.1 有輸出變壓器的中-低-中方案 中-低-中方案如圖1 所示，先用1臺降壓變壓器把中壓降為低壓，經通用的低壓變頻器變頻，再用1臺升壓變壓器把低壓升至中壓。其優(yōu)點是采用了標準低壓變頻器;缺點是多用了2臺變壓器，增加了成本和占地面積，降低了系統(tǒng)的效率。另外，輸出變壓器也限制了磁場定向矢量控制等先進控制方法的應用。 2.2 無輸出變壓器的中-中方案 (1) 器件串聯(lián)方案 無輸出變壓器的器件串聯(lián)方案一般采用GTO兩電平電流源逆變器，如圖2所示，采用三相逆變橋，為了實現(xiàn)較高的電壓輸出，采用器件串聯(lián)的方法，典型產品如AB公司的GTO電流源型逆變器，3個GTO器件串聯(lián)，交流側采用電容器濾波作為輸出濾波器，電壓、電流波形都接近正弦波。為了削弱輸入電流的諧波，網(wǎng)側變流器采用18或24脈波多重化整流電路，中間直流環(huán)節(jié)采用電感濾波。 這種方案的突出優(yōu)點是能量回饋容易，易于實現(xiàn)四象限運行，控制系統(tǒng)的動態(tài)性能較好;缺點是功率器件需要串聯(lián)，需要解決動靜態(tài)均壓問題。 (2) 多電平方案 多電平變流器用于大功率場合較器件串聯(lián)方法有許多優(yōu)點，如輸出波形較好，減小了dv/dt，消除了器件串聯(lián)實現(xiàn)帶來的困難。一般的多電平變流器結構是將若干電平合成一個正弦波，所謂的“多電平”始于三電平，由A.Nabae 等于1981年首次提出，隨著電平數(shù)目增加，合成的輸出電壓波形臺階數(shù)也增加，使得輸出電壓波形更逼進正弦波形。 我國標準中壓電壓等級為6kV和10kV，若直接變頻，即使采用4.5kV或6kV的器件仍需串聯(lián)，避開器件串聯(lián)問題而采用多電平技術是一個較為合適的方案。例如，采用GTO器件的三電平變頻器，GTO電壓、電流等級達4.56kV、46kA，元件無需串并聯(lián)，逆變器容量可達10MVA，可以滿足大功率風機和泵的傳動要求。 多電平電路結構目前主要有三種:a) 二極管嵌位(Diode-Clamped)多電平逆變器，三電平逆變器有時也稱為中點嵌位(Neural-Point-Clamped 簡稱NPC)三電平逆變器;b)浮動電容器(Flying Capacitors)多電平逆變器;c) 逆變單元串聯(lián)(Cascaded Inverters)多電平逆變器。多電平結構用于中壓大功率場合，除了解決元件耐壓低問題以外還有許多好處，如電壓矢量多，波形控制效果好，可以省去輸出變壓器，有的甚至省去了輸出濾波器(逆變單元串聯(lián)結構)，dv/dt較小對電機絕緣十分有利等，這種電路在中壓變頻和靜態(tài)無功補償(SVC)等場合應用前景很好。 l 二極管箝位多電平逆變器 二極管箝位多電平逆變器由二極管嵌位三電平逆變器拓展得到，三電平逆變器也稱為中點箝位(Neural-Point-Clamped 簡稱NPC)三電平變流器，圖3 所示為二極管箝位三電平逆變器主電路，其直流側濾波電容器由電容器C1、C2組成。若直流側電壓為Ud，每個電容器上的電壓為VS，通過箝位二極管使每個功率器件上的電壓限制在一個電容器電壓電平VS內。 這種逆變器用于變頻傳動可以工作于背對背內聯(lián)方式，即輸入側變流器也采用電機側相同的多電平變流器，有功電能可以回饋，易于實現(xiàn)四象限運行，電容器電壓均衡容易，電網(wǎng)諧波和輸入功率因數(shù)得以改善。這種逆變器控制較為復雜，主要是各級電容器電壓的均衡控制問題，不同的電動機控制方案采用不同的PWM控制方法，而電容器電壓的均衡控制方法也因PWM控制方法而異。目前，三電平變頻器產品采用的方案有轉子磁場定向控制(西門子公司)、直接轉矩控制(ABB公司)以及壓頻比控制，更多電平的變頻器未見報道。此外，對于大功率場合，開關器件工作頻率較低，盡管有輸出濾波器，但是最小脈寬以及死區(qū)的影響仍不容忽視，由此使得逆變器的控制更加困難。 l 逆變單元串聯(lián)多電平逆變器 逆變單元串聯(lián)結構多級易于實現(xiàn)，無中點電位波動問題，逆變單元故障時可以將其旁路，可靠性高。整流逆變單元電路如圖4所示，每個單相逆變單元都有獨立的直流電源(SDC)為之供電，直流電源電壓為Vdc，每個單相逆變單元分別可以輸出Vdc、0、Vdc三種電平，逆變器串聯(lián)，從而構成多級電平。單相全橋逆變器4個功率元件T1、T2、T3、T4，T1和T2導通時輸出+Vdc(即+1電平)，T3、T4導通時輸出Vdc(即1電平)，T1和T3導通時或T2和T4導通時輸出零電平(用于SVC時4個功率元件T1、T2、T3、T4全部關斷時輸出零電平)。對于這種多電平逆變器，假設逆變單元串聯(lián)級數(shù)為N，輸出電平數(shù)為m，則有m2N1。 常見的逆變單元串聯(lián)多電平變頻器主電路結構如圖5所示。逆變單元串聯(lián)多電平變頻器輸入側采用多重移相變壓器，使輸入電流接近正弦波，單相逆變單元串聯(lián)輸出多電平，使輸出電壓接近正弦波，將多電平與多重化結合在一起。 這種變頻器的優(yōu)點是:a) 這種結構無需箝位二極管，獲得相同的電壓電平數(shù)所需的功率器件數(shù)目最小。b) 可調節(jié)電路布局和封裝，由于各電平的結構相同，沒有附加的箝位二極管，易于實現(xiàn)模塊化，生產維護比較方便。c) 逆變單元故障時可以旁路，提高可靠性。d) 多重化整流器使得電網(wǎng)輸入電流諧波小，減小了電網(wǎng)污染。e)變頻器輸出電壓諧波較小，電動機運轉平穩(wěn)，輸出電壓臺階較小，省去了濾波器，電平對于高壓電動機絕緣較為有利，可以提高電動機壽命。 這種變頻器的不足:作有功功率變換時，需要獨立的直流電源，不能工作于背對背內聯(lián)方式，有功電能回饋比較困難，難以實現(xiàn)四象限運行，從而制約了其動態(tài)性能的進一步提高。采用直接轉矩控制有望解決這一問題，目前這種變頻器主要應用在風機泵類負載調速場合。 3 國內外中壓變頻器應用現(xiàn)狀 3.1 國外中壓變頻器應用現(xiàn)狀 采用器件串聯(lián)的方法，一般是傳統(tǒng)的兩電平電流型逆變器，如AB公司的老產品GTO電流型逆變器和新產品對稱GCT(即SGCT)電流型逆變器。 逆變單元串聯(lián)結構比二極管箝位多電平逆變器電路，多級電平易于實現(xiàn)，首先由美國ROBICON(羅賓康)公司推出產品，基于低壓IGBT的使用經驗，IGBT應用廣泛，價格較低，不同的電壓等級產品易于組合，便于生產。 浮動電容器多電平變流器只有法國ALSTOM公司應用，產品采用GTO器件構成了四電平變頻器。 二極管箝位三電平變頻器，國外廠家自80年代以來應用就很廣泛，尤其在交流電力機車牽引領域占主導地位，ABB、西門子公司、三菱公司等都有三電平變頻器產品。三電平變頻器輸出電壓仍不能達到要求時，有時采用器件串聯(lián)和多電平電路復合結構，如西門子公司在三電平逆變電路中同時采用2只IGBT串聯(lián)的方法，實現(xiàn)4.16kV電壓輸出。 下面介紹國外幾種典型的三電平變頻器產品。 (1) 西門子公司IGBT三電平中壓變頻器 西門子公司采用高壓IGBT(HV-IGBT)器件，逆變電路采用三電平結構研制了2.3kV、3.3kV和4.16kV三電平中壓變頻器，在3.3kV和4.16kV的裝置中直流側電壓超過6kV，采用3.3kV的器件耐壓不夠，因而采用了2個器件串聯(lián)的方式。電網(wǎng)側一般采用12脈波二極管整流器，需要四象限運行的場合采用了有源前端AFE(Active Front End)，為三電平整流器供電，3.3kV和4.16kV的中壓變頻裝置一相結構如圖6 所示。 有源前端(AFE)變流器主電路采用IGBT三電平整流器或IGBT元件串聯(lián)的三電平整流器，變壓器為普通雙繞組變壓器。異步電動機的控制方法采用轉子磁場定向控制，三電平逆變器采用SPWM控制方法。 (2) ABB公司的IGCT三電平變頻器 ABB公司的4.16kV中壓變頻器主電路結構如圖7所示，采用12脈波整流技術，采用ABB公司的5500V 的IGCT器件，主電路為三電平逆變電路，帶有輸出LC濾波器，輸出線電壓4160V，用于異步電動機的驅動，控制方法采用異步電動機直接轉矩控制。 (3) 三菱公司的GTO三電平變頻器 三菱公司的GTO三電平變頻器用于電勵磁同步電動機的控制，大容量的同步電動機調速系統(tǒng)在軋機傳動中應用較廣泛，日本三菱公司GTO變頻調速裝置采用雙三電平PWM 同步電動機調速系統(tǒng)，三菱公司的GTO變頻調速裝置采用6kV的GTO器件，變頻器輸出電壓為3300V，主電路如圖8所示。輸入整流電路和輸出逆變電路都采用二極管箝位三電平結構，2個變流器的中點相連，采用同步電動機矢量控制方法，這種主電路結構能量可以回饋到電網(wǎng)，調速系統(tǒng)可以實現(xiàn)四象限運行，系統(tǒng)的動態(tài)性能較好。 3.2 國內中壓變頻器應用現(xiàn)狀 近幾年來，國內廠家陸續(xù)開始研制中壓大功率變頻器。目前，國內廠家絕大多數(shù)采用單元串聯(lián)多電平逆變器結構，與美國ROBICON公司技術方案相同。 國外的中壓變頻器產品一般為4160V，配用國外的4160V電動機，對國內的6kV電動機需要增加輸出變壓器或采用Y轉換方案，給國內的技術改造帶來不便，對新項目也必須采用國外的4160V電動機。 中山市明陽電器有限公司研制的6kV中壓變頻器產品，適用于6kV中壓電機驅動，與國內其它廠家不同的是其主電路技術方案采用了三電平方案，功率器件采用了ABB公司近年開發(fā)的IGCT器件，2只4500V的IGCT器件串聯(lián)，裝置額定輸出電壓6kV。明陽電器公司中壓變頻器主電路如圖9所示。輸入變壓器是一個5線圈變壓器，4個輸出繞組電壓相位依次移相22.5。、7.5。、7.5。、22.5。，為24脈波整流器供電，通過移相使變壓器輸入電流波形接近正弦波，減少了電網(wǎng)諧波污染，對諧波要求不高時也可以選用12脈波整流方案。 整流部分由4個三相二極管橋式整流器串聯(lián)組成，濾波電容器的中點分別與整流電路和逆變電路的中點相連接，此外，直流側還有di/dt限制電路、共模電抗器和保護用IGCT等。IGCT開關器件構成的三電平逆變器將直流電壓逆變成頻率可調的交流電壓，三電平變頻器主電路如圖9所示。為了簡便，圖中只畫出了12只IGCT器件構成的逆變器電路，2只4500V的IGCT串聯(lián)時需要24只器，加上直流側保護IGCT總共28只元件。三電平變頻器一般需設置LC輸出濾波器以降低輸出電壓的高次諧波，使輸出電壓波形接近正弦波，減小dv/dt，使三電平變頻器可以用于普通電動機。 變頻裝置主要技術數(shù)據(jù)如下:額定容量1900kVA，額定功率1600kW，輸出電壓6000V，輸出頻率 060Hz。主變壓器一次側可以適應6kV、10kV等不同的電壓等級，二次側每個整流器(24脈波整流)輸入電壓 1730V，依用戶要求可采用油浸式或干式變壓器，電網(wǎng)不平衡10%，基波功率因數(shù)大于0.97，變壓器最大電纜長度300m，內部風扇自冷卻，光隔離模擬輸入、模擬輸出，光隔離可編程數(shù)字輸入、數(shù)字輸出。 這種變頻器使用的IGCT器件是在GTO基礎上發(fā)展起來的，將元件與驅動電路板集成在一起，光纖信號驅動，用戶容易解決裝置的抗干擾問題，裝置的可靠性高，與同類產品比較，裝置的體積較小，可靠性高。 4 大功率中壓變頻器發(fā)展趨勢 電力電子器件在不斷發(fā)展，也促使電路結構和控制技術不斷改進，進而更新產品。目前，中壓變頻器呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢: (1) 用于中壓變頻器的電力半導體器件， 目前主要是IGBT和IGCT。對于中壓大功率變流器，IGCT電壓電流定額較高，電路結構簡單，裝置可靠性高，更有發(fā)展前途，更為適用。 (2) 多電平結構是今后一個時期中壓變頻主電路的首選結構。 近幾年來，自關斷器件IGBT也向高壓大功率方向發(fā)展，甚至出現(xiàn)了一些新器件如IGCT等。現(xiàn)在，IGBT等器件的耐壓已達6kV，將來一個時期實用的元件的耐壓水平可望穩(wěn)定在6kV，但是對于國內中壓6kV、10kV電動機驅動，6kV元件的二電平逆變器仍無法實現(xiàn)，元件的串聯(lián)或采用多電平結構仍是不可避免的。元件的串聯(lián)實現(xiàn)困難，而多電平結構實現(xiàn)容易，6kV、10kV變頻驅動分別需要五電平和七電平實現(xiàn)，不用元件串聯(lián)就可以解決元件耐壓問題，此外還有許多好處，如電壓矢量多、波形控制效果好、對電機絕緣有利等。多電平結構用于中壓變頻是非常有前途的，即使將來元件耐壓很高時也仍然有應用的必要。 目前，三種多電平逆變器電路結構中，二極管箝位多電平變流器更有發(fā)展前途。與單元串聯(lián)多電平變流器和浮動電容器變流器相比，二極管箝位多電平變流器可以組成背對背內聯(lián)系統(tǒng)，能量雙向流動，可以實現(xiàn)四象限運行，電路結構簡單，更有競爭力，圖10所示為背對背內聯(lián)結構圖。調速傳動使用多電平逆變器，不僅能解決諧波和電磁干擾問題，還可以避免高頻開關導致的電機損壞問題。用于調速傳動時，調速傳動系統(tǒng)工作于背對背內聯(lián)方式時，主要問題是控制系統(tǒng)的設計和電容器的定額，因為調速系統(tǒng)要求能在不同的頻率下工作，電容器的選擇應避免動態(tài)過程中出現(xiàn)大的電壓波動。 (3) 采用標準低壓變頻器組成的有輸出變壓器的中-低-中方案仍會占有一定的市場。 中壓大功率傳動產品中，風機和泵類負載電動機占有相當大的比例，對傳動系統(tǒng)要求不高，在中壓小功率產品方案中，中-低-中方案價格又有優(yōu)勢，投資回收期短，維護容易，受到部分用戶歡迎。 (4) 器件串聯(lián)方案將會局限于某些場合。 器件串聯(lián)方案除可以用于電流源逆變器外，除非器件方面取得突破使器件串聯(lián)非常容易，或廠家提供器件串聯(lián)的成品裝置，否則器件串聯(lián)或并聯(lián)給用戶增加的困難會使這一方案無人問津，當然為了增加裝置的可靠性器件串聯(lián)除外。 5 結論 本文中介紹了中壓變頻技術方案，多電平結構是今后一個時期中壓變頻主電路的首選結構。與低壓變頻器不同，中壓變頻器目前還沒有統(tǒng)一的電路結構，伴隨著電力電子技術的進步，器件性能不斷提高，會涌現(xiàn)出各種各樣的電路結構，由此也會給電動機和變流器的控制技術帶來新的變化。對于國內產品用戶和廠家而言，現(xiàn)階段首先應積累運行經驗，改進產品以提高可靠性是首位，其次完善功能和提高控制性能。 參考文獻 1 Finney D. 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