国产3～10kV中高压变频器主电路现状及改进措施

张选正， 倪 芳

(索肯和平(上海)电气有限公司，上海 201908)

0 引言

目前国内生产中、高压变频器的公司有将近50家，其主电路是同类型的，即单元串联多电平拓扑型式，今年国外少数公司已由多绕组移相输入变压器，改为多相整流输入变压器，输出亦由H桥式单相二电平改为三电平，这样使结构简化，使用器件减少，性能更优越，成本亦下降，值得借鉴。

1 国产高压变频器主电路型式

国产中高压变频器问世已有10年以上的时间，近5年来发展异常迅速，现在市场上可见的主电路型式有以下三种:

(1)二电平高进高出无需变压器的型式，由四川省佳灵电气有限公司自制研发，如图1所示。

图1 IGBT直接串联中高压变频器

(2)三电平需要输入三绕组变压器的型式。国内已有产品是科孚德机电(上海)有限公司、三菱东芝合作的提迈克TMIEC，广东明阳龙源电力电子有限公司，国电南京自动化股份有限公司等，如图2所示。

(3)多电平需要输入移相多绕组变压器的型式为绝大多数，约占国有品牌的80%，使用占有率亦是首位。全国约有50家以上同类型产品，如图3所示。

图2 采用高压IGBT的三电平高压变频调速系统

图3 单元串联多电平变频器原理

2 单元串联多电平中高压变频器的控制型式

单元串联的电平中高压变频器大多数是压频U/F控制，或空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM)控制为主体的，它适用于一般通用设备，如水泵、风机、空压机等。近几年来少数厂家已试制成功无速度传感器的矢量控制及直接转矩控制，而且四象限运行，具有能量回馈功能的更新一代的变频器，特别是矿用变频器必须是防爆的，要解决散热问题，还要防止电磁干扰、谐波治理、电磁兼容等问题。近5年来矿用变频器和软起动器是个热门行业，急待开发3 300～6 000 V中高压矿用变频器。在工变频自动切换方面，近年亦有新的发展，如深圳市微能科技有限公司对频率跟踪实现无扰动双向切换;深圳市英威腾电气股份有限公司对相位跟踪实现无冲击双向切换;深圳市库马克新技术股份有限公司有当短时停电后来电，转速自动跟踪到停电前的转速，以及所谓变频节能宝控制及故障语音提示等功能。

3 单元串联多电平中高压变频器的优越性

单元串联多电平中变压变频器由美国罗宾康ROBINCON公司研制成功，并于1995年问世，有绿色无谐波的美称，直至今天也不衰落，它较好地解决了当时谐波处理无办法及IGBT耐压较低、价格昂贵以及二者技术上的难点与生产应用需要上的矛盾。其主要方法如下:

(1)通过输入变压器二次绕组的移相技术，如 +24°、+12°、0°、-12°、-24°，如图 3(a)所示，把一次电路中产生的谐波相互抵消，从源头就大大减少了谐波分量，以致发热及损耗大为减少，使输出电压和电流谐波指标低于国际标准值IEEE519-92，电流THD ＜3%，电压THD＜5%，取得了良好的效果。

(2)功率单元输出电压是单相的，如图3(b)所示，有690 V或1 155 V(用于10 kV输出电压)，将其串联(3～9个，按其输出电压大小而定)，这样可使用的IGBT电压等级为1 700 V，具有市场有货源、价格不高、质量稳定等特点，实质是单相的低中电压，几个串联成较高相电压，最后接成Y形输出高压(线电压)的方式，即用低压器件电路串接后成高压，这样既省钱，又便于故障快速处理，冗余度亦大。

(3)功率单元电路输入是三相的，输出为单相的，其正弦脉宽调制(Sin-Wave Pulse Width Modulation，SPWM)是用4个IGBT组成H型桥式电路，是个二电平的，因此输出线电压是多电平的，且每级之间电压值相差较小，具有du/dt相应较低的优越性。

(4)纵观以上三个特点，可以认为这种单元串联多电平的中高压变频器，实质上不是真正高压的，而是低压单元通过特定方法和手段，组成3 kV、6 kV、10 kV所谓的高压变频器，实质是假高压(准高压，相当高压，过渡性)变频器，在当年是可采用的，但其具有使用器件数量多、电路复杂、连接点多、结构庞大、造价高昂、重量体积大、可靠性差等不足之处，现已急待改进。

4 目前单元串联多电平电路的不足

(1)移相输入变压器，尤其是二次绕组数量多，绕组型式多种，有延边、Y、Δ，因此结构、工艺都较复杂，体积大、重量大、散热大，一般都是干式的，选冷轧结晶硅钢片制造，造价较贵，该变压器要占约40%以上的整机价值，可以不用移相方式，而选用多相脉冲输入、相同型式的绕组整流变压器来替代。目前国外如瑞士ABB、日本富士、德国施耐德已有新产品问世，经实践应用测试，效果不错，甚至更优越，超过移相方法，且整机价格会下降。

(2)功率单元输出是H型桥式，单相二电平，其电路较简单，但综合性能不是最佳的，但可改为三电平桥式，如图4所示。根据三电平高压变频器实践应用结果，三电平比二电平有下列明显优势:

①输出电流更接近正弦波(见图5)，谐波含量更小(见表1)。

图4 三电平桥式功率单元

图5 三电平桥式输出电压电流

表1 三电平桥式功率单元

②输出电压峰值只有二电平的1/2，可直接用于普通电动机，不需加LC滤波器。

③输出漏电流只有二电平的1/2(即共模电流更小)。

④输入干扰较二电平降低约20 dB。

⑤可选用IGBT范围更宽(可做机型多，散热面积大)，耐压可降低，安全系数可更高，成本亦下降。

(3)通过上述三条改进后，使高压变频器结构简化，减少器件使用数量，电路更简化，连接点减少，可靠性更高，性能亦更好，指标亦更高，具有真正的高压变频器应该具有的各项性能技术要求。

5 多相整流输入，三电平输出的改进方法及性能介绍

根据资料介绍对不同输出电压，如3 kV、6 kV、10 kV采用多相整流，如表2所示。

(1)多相整流输入性能介绍。

表2 不同输出电压时多相整流输入性能

(2)电源侧电压、电流波形如图6所示。

图6 多相整流输入、三电平输出时电源侧电压电流波形

(3)高次谐波电流含有率如表3所示。

表3 多次谐波电流含有率

(4)整机性能:综合效率97%，功率因数大于0.95，如图7所示。功率因数数据在3.3 kV，390 kVA时的输出为315 kW，是额定速度运行时的计算数据。另外，效率数据是选用标准4极的电动机驱动时的数据。输出电压、电流波形如图8所示。

图7 整机综合效率及功率因数曲线

(5)控制方式为矢量控制，无速度矢量传感器控制或直接转矩控制及可四象限运行，具有能量回馈功能。

图8 输出电压、电流波形

(6)主回路构成如图9所示。FRENIC4600FM5e系列变频器结构如图9(a)所示，10 kV级别变频器由输入变压器和15个变频单元构成(6 kV级别由9个变频单元构成，3 kV级别由6个变频单元构成)。

图9 多电路构成

每个变频器单元是一个单相三电平变频器，可以获得输出电压1 155 V。如图9(a)所示，10 kV等级每一相有5个变频器单元串联，相电压约 5 775 V。三相以星形连接，可以得到10 000 V线电压。此外，单相三电平变频器与单相二电平变频器相比，每个变频器单元的输出电压可以大2倍，因此只需要用较少的变频器单元就可以得到10、6、3 kV电压。这样，制造成本就下降了。

(7)工变频旁路切换相位同步跟踪如图10(a)、(b)所示，能做到工频切换变频或变频切换工频的无冲击切换。通过按系统电压进行相位控制，可以实现从变频驱动切换到工频电源驱动，或从工频电源驱动切换到变频驱动的无冲击切换。

图10 工变频旁路切换相位同步跟踪图

同步投入-解列功能:选件。此功能需要在变频器输出侧配置电抗器。

①在变频器的输出侧设置切换控制柜(选件)，可以切换到工频(电网)起动回路运转。

由此构成双回路电机驱动电源，只要切换到工频电网上即可让电机在额定转速上运转。

②当电压发生瞬时降低时，可以根据用途选择运转方式。选择瞬时电压降低为重故障。变频器重故障停止，电机处于自由停车状态。选择自由停车再起动(选件)。变频器停止运转，电机处于自由停车状态。电源复电时通过速度搜索功能，让正在自由停车减速中或者已经停止的电动机自动再加速。选择瞬时电压降低时继续运转(选件)。即使瞬时电压降低，电机也不会处于自由停车状态，变频器可以继续运转。电源电压恢复后，立刻再加速，恢复运转速度。

(8)冷却散热:风冷 ＜5 000 kW，水冷 ＞5 000～22 000 kW，逆变器模块可用 IGBT或IGCT。

(9)应用范围:电力如风机、水泵;采矿选矿如破碎机、风机、泵、压缩机、起重机、皮带机、吊笼、升降机;水处理如泵、鼓风机;石油天然气如泵、压缩机、鼓风机;水电站如水泵、闸门提升下降;港口码头如起重机、皮带输送机等。

6 结 语

单元串联多电平主电路经过上述分析，应及早改进，二电平及三电平主电路各有千秋，用户可根据自己的设备特性、使用要求、经济实力，各取所需。

［1］张选正，中高压变频器应用技术［M］.北京:电子工业出版社，2007.

［2］李练兵，变频器应用与实践［M］.北京:化学工业出版社，2009.