高壓大功率變頻器的研制及應用1引言

山東風光電子有限公司是在多年研制中低壓變頻器的基礎上，綜合了國內外高壓大功率變頻器的多種方案的優(yōu)缺點，采納最優(yōu)方案研制勝利的，并于2022年12月通過了省級科技成果及產品鑒定，成為國內生產高壓大功率變頻器的為數較少的幾個企業(yè)之一。

2國內現生產的高壓大功率變頻器的方案及優(yōu)缺點

目前，國內生產的高壓大功率變頻器中，以2種方案占主流:一種是功率單元串聯形成高壓的多重化技術;另一種是采納高壓模塊的三電平結構。而其他的采納高-低-高方案的，由于輸出升壓變壓器技術難度高，成本高，占地面積大，都已基本被淘汰。因此采納高-高方案是高壓大功率變頻器的主要進展方向。

而高-高方案又分為多重化技術(簡稱CSML)和三電平(簡稱NPC)方案，目前有的廠家生產的高壓大功率變頻器是采納的三電平方案，而大多數廠家則是采納低壓模塊、多單元串聯的多重化技術。這2種方案比較，各有優(yōu)缺點，主要表現在:

(1)器件

采納CSML方式，器件數量較多，但都是低壓器件，不但價格低，而且易購置，更換便利。低壓器件的技術也較成熟。而NPC方案，采納器件少，但成本高，且購置困難，修理不便利。

(2)均壓問題(包括靜態(tài)均壓和動態(tài)均壓)

均壓是影響高壓變頻器的重要因素。采納NPC方式，當輸出電壓較高時(如6kV)，單用單個器件不能滿意耐壓要求，必需采納器件直接串聯，這必定帶來均壓問題，失去三電平結構在均壓方面的優(yōu)勢，系統的牢靠性也將受到影響。而采納CSML方案則不存在均壓問題。唯一存在的是當變頻器處于快速制動時，電動機處于發(fā)電制動狀態(tài)，導致單元內直流母線電壓上升，各單元的直流母線電壓上升程度可能存在差異，通過檢測功率單元直流母線電壓，當任何單元的直流母線電壓超過某一閾值時，自動延長減速時間，以防止直流母線電壓上升，即所謂的過壓失速防止功能。這種技術在低壓變頻器中被廣泛采納，特別勝利。

(3)對電網的諧波污染和功率因數

由于CSML方式輸入整流電路的脈波數超過NPC方式，前者在輸入諧波方面的優(yōu)勢很明顯，因此在綜合功率因數方面也有肯定的優(yōu)勢

(4)輸出波形

NPC方式輸出相電壓是三電平，線電壓是五電平。而CSML方式輸出相電壓為11電平，線電壓為21電平(對五單元串聯而言)，而且后者的等效開關頻率大大高于前者，所以后者在輸出波形的質量方面也高于前者。

(5)dv/dt

NPC方式的輸出電壓跳變臺階為高壓直流母線電壓的一半，對于6kV輸出變頻器而言，為4kV左右。CSML方式輸出電壓跳變臺階為單元的直流母線電壓，不會超過1kV，所以前者比后者的差距也是很明顯的。

(6)系統效率

就變壓器與逆變電路而言，NPC方式與CSML方式效率特別接近。但由于輸出波形質量差異，若采納一般電機，前者必需設置輸出濾波器，后者不必。而濾波器的存在大約會影響效率的0.5%左右。

(7)四象限運行

NPC方式當輸入采納對稱的PWM整流電路時，可以實現四象限運行，可用于軋機、卷揚機等設備;而CSML方式則無法實現四象限運行。只能用于風機、水泵類負載。

(8)冗余設計

NPC方式的冗余設計很難實現，而CSML方式可以便利的采納功率單元旁路技術和冗余功率單元設計方案，大大的有利于提高系統的牢靠性。

(9)可維護性

除了牢靠性之外，可維護性也是衡量高壓大功率變頻器的優(yōu)劣的一個重要因素，CSML方式采納模塊化設計，更換功率單元時只要拆除3個溝通輸入端子和2個溝通輸出端子，以及1個光纖插頭，就可以抽出整個單元，非常便利。而NPC方式就不那么便利了。

總之，三電平電壓形變頻器結構簡潔，且可作成四象限運行的變頻器，應用范圍寬。如電壓等級較高時，采納器件直接串聯，帶來均壓問題，且存在輸出諧波和dv/dt等問題，一般要設置輸出濾波器，在電網對諧波失真要求較高時，還要設置輸入濾波器。而多重化PWM電壓型變頻器不存在均壓問題，且在輸入諧波及dv/dt等方面有明顯優(yōu)勢。對于一般的風機、水泵類一般不要求四象限運行的場合，CSML變頻器有較寬闊的應用前景。這類變頻器又被國內外設計者稱之為完善無諧波變頻器。

我公司的設計人員經過多方探討，綜合各種方案的優(yōu)缺點，最終選定了完善無諧波變頻器的CSML方案作為我們的最佳選擇，這就是我們向市場推出的JD-BP37和JD-BP38系列的高壓大功率變頻器。

3變頻器的性能特點

(1)變頻器采納多功率單元串聯方案，輸出波形失真小，可配接一般溝通電機，無須輸出濾波器。

(2)輸入側采納多重化移相整流技術，電流諧波小，功率因數高。

(3)掌握器與功率單元之間的通信用多路并行光纖實現，提高了抗干擾性及牢靠性。

(4)掌握器中采納一套獨立于高壓源的電源供電系統，有利于整機調試和操作人員的培訓。

(5)采納全中文的Windows彩色液晶顯示觸摸界面。

(6)主電路模塊化設計，安裝、調試、維護便利。

(7)完整的故障監(jiān)測和報警愛護功能。

(8)可選擇現場掌握、遠程掌握。

(9)內置PID調整器，可開環(huán)或閉環(huán)運行。

(10)可依據需要打印輸出運行報表。

4工作原理

4.1基本原理

本變頻器為交-直-交型單元串聯多電平電壓源變頻調速器，原理框圖如圖1所示。單元數的多少視電壓凹凸而定，本處以每相為8單元，共24單元為例。每個功率單元承受全部的電機電流、1/8的相電壓、1/24的輸出功率。24個單元在變壓器上都有獨立獨立的三相輸入繞組。功率單元之間及變壓器二次繞組之間相互絕緣。二次繞組采納延邊三角形接法，目的是實現多重化，降低輸入電流的諧波成分。24個二次繞組分成三相位組，互差為20°,以B相為基準，A相8個單元對應的8個二次繞組超前B相20°，C相8個單元對應的8個二次繞組落后B相20°，形成18脈沖整流電路結構。整機原理圖如圖2所示。

4.2功率單元電路

圖1方案原理框圖

圖2整