中壓變頻技術方案分析

1、中壓變頻技術方案分析交流變頻調速技術是現(xiàn)代化電氣傳動的主要發(fā)展方向之一，它不僅調速性能優(yōu)越， 而且節(jié)能效果良好。實踐證明，驅動風機、水泵的大、中型籠型感應電動機， 采用交流變頻調速技術， 節(jié)能效果顯著，控制水平也大為提高。目前，變頻調速技術已廣泛應用于低壓（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，為了攻克這一技術難題，國內外許多科研機構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已趨于成熟，國外

2、幾家著名電器公司都有高壓大容量變頻器產品，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。這些公司產品的電壓一般為3-6.6kv ，容量從250-4000kW ，所采用的技術也有很大差別。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，即電流源逆變-脈寬調制型變頻器，采用電流開關器件，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。美國羅賓康公司采用大量低壓電壓型開關器件，配合特殊設計的多脈沖多次

3、級抽頭輸出4*頁幵-£JI If. Jl U隔離整流變壓器，同樣能夠實現(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

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， 供給高壓電動機。由于這種系統(tǒng)技術難度相對小，投資相對低，所以在國內一度應用較為活躍。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，還產生大量的高次諧波，有較明顯的缺陷， 在技術上有明顯的過渡性。所以一般認為適用于功率小于2OOkw 的中壓電動機。相比之下， 高-高”式高壓變頻器，即直接高壓變頻調速系統(tǒng)，一般由輸入側隔離變壓 器和多個功率單元串聯(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，另外隨著開發(fā)、制造、應用和維護的日臻成熟，高高式中壓變頻器的產品日趨標準化，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 產品廠商眾多，技術雷同的 情況，中壓產品主要供應廠 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。不同的結構設計又會使得散熱效果、環(huán)境要求、應

6、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，制造商產品研發(fā)、銷售、應用和支持的經(jīng)驗、在本地的業(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：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，結構復雜，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

7、器必須能夠承受變頻器頻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，為日后的技術支持和產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

8、地解決系統(tǒng)進線端諧波 對電網(wǎng)的污染問題，不符合相關的工業(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）Siemensd）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，對于三電平技術方案，要想徹底消除諧波隱患，其電路結構決定必須采用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，但是由于電壓型器件只能單方向導通，所以每一個基本單元必須使用成對反并聯(lián)的管子，而

9、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總之，咼中方案較之咼低咼方案是技術上的一個重大的進步，投資介于咼低咼和咼咼方案之間，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，就是每相采用多個低壓IGBT低壓變頻器（630伏）串接疊加，達到

10、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-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

11、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 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恢復，對生產影響較大。c）由于變頻器柜內器件數(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品并非免維護設計