隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，高壓大 功率變頻調(diào)速裝置不斷地成熟起來，原來一直難于解決的高壓問題，近年來通過器件串聯(lián)或單元串聯(lián)得到了很好的解決。其應(yīng)用領(lǐng)域和范圍也越來越為廣范，這為工礦企業(yè)高效、合理地利用能源（尤其是電能）提供了技術(shù)先決條件。

1.引言

電機是工業(yè)生產(chǎn)中主要的耗電設(shè)備，高壓大功率電動機的應(yīng)用更為突出，而這些設(shè)備大部分都存在很大的節(jié)能潛力。所以大力發(fā)展高壓大功率變頻調(diào)速技術(shù)具有時代的必要性和迫切性。

2.幾種常用高壓變頻器的主電路分析

(1)單元串聯(lián)多重化電壓源型高壓變頻器

單元串聯(lián)多重化電壓源型高壓變頻器利用低壓單相變頻器串聯(lián)，彌補功率器件IGBT的耐壓能力的不足。所謂多重化，就是每相由幾個低壓功率單元串聯(lián)組成，各功率單元由一個多繞組的移相隔離變壓器供電，用高速微處理器實現(xiàn)控制和以光導(dǎo)纖維隔離驅(qū)動。但其存在以下缺點：

a)使用的功率單元及功率器件數(shù)量太多，6kV系統(tǒng)要使用150只功率器件(90只二極管，60只IGBT)，裝 置的體積太大，重量大，安裝位置和基建投資成問題；

b)所需高壓電纜太多，系統(tǒng)的內(nèi)阻無形中增大，接線太多，故障點相應(yīng)的增多；

c)一個單元損壞時，單元可旁路，但此時輸出電壓不平衡中心點的電壓是浮動的，造成電壓、電流不平衡，從而諧波也相應(yīng)的增大，勉強運行時終 究會導(dǎo)致電動機的損壞；

d)輸出電壓波形在額定負載時尚好，低于25Hz以下畸變突出；

d)輸出電壓波 形在額定負載時尚好，低于25Hz以下畸變突出；

e)由于系統(tǒng)中存在著變壓器，系統(tǒng)效率再提高不容易實現(xiàn);移相變壓器中，6kV 三相6繞組×3(10kV時需12繞組×3)延邊三角形接法，在三相電壓不平衡(實際上三相電壓是不可能絕對平衡的)時，產(chǎn)生的內(nèi)部環(huán)流，必將引起內(nèi)阻的 增加和電流的損耗，也相應(yīng)的就造成了變壓器的銅損增大。此時，再加上變壓器的鐵芯的固有損耗，變壓器的效率就會降低，也就影響了整個高壓變頻器的效率。這 種情況在越低于額定負荷運行時，越是顯著。10kV時，變壓器有近400個接頭、近百根電纜。在額定負荷時效率可達96%，但在輕負荷時，效率低于90%。

(2)中性點鉗位三電平PWM變頻器

該系列變頻器采用傳統(tǒng)的電壓型變頻器結(jié)構(gòu)。中性點鉗位三電平PWM變頻器的逆變部 分采用傳統(tǒng)的三電平方式，所以輸出波形中會不可避免地產(chǎn)生比較大的諧波分量，這是三電平逆變方式所固有的。因此在變頻器的輸出側(cè)必須配置輸出LC濾波器才 能用于普通的鼠籠型電機。同樣由于諧波的原因，電動機的功率因數(shù)和效率、甚至壽命都會受到一定的影響，只有在額定工況點才能達到比較佳的工作狀態(tài)，但隨著轉(zhuǎn)速的下降，功率因數(shù)和效率都會相應(yīng)降低。

多電平+多重化高壓變頻器。多電平+多重化高壓變頻器的本意是想解決高壓IGBT的耐壓有限的問題，但此種方式，不僅增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，而且降低了多重化冗余性能好和三電平結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點。因此此類變頻器實際上并不可取。

此類型變頻器的性能價格優(yōu)勢并不大，與其同時采用多電平和多重化兩種技術(shù)，還不如采用前面提到的高壓IGBT的多重化變頻器或者三電平變頻器。

（3）電流源型高壓變頻器

功率器件直接串聯(lián)的電流源型高壓變頻器是在線路中串聯(lián)大電感，再將SCR(或GTO、 SGCT等)開關(guān)速度較慢的功率器件直接串聯(lián)而構(gòu)成的。

這種方式雖然使用功率器件少、易于控制電流，但是沒有真正解決高壓功率器 件的串聯(lián)問題。因為即使功率器件出現(xiàn)故障，由于大電感的限流作用，di/dt受到限制，功率器件雖不易損壞，但帶來的問題是對電網(wǎng)污染嚴重、功率因數(shù)低。并且電流源型高壓變頻器對電網(wǎng)電壓及電機負載的變化敏感，無法做成真正的通用型產(chǎn)品。

電流源型高壓變頻器是比較早的產(chǎn)品，但凡是電壓型變頻器到達的地方，它都被迫退出，因為在經(jīng)濟上、技術(shù)上，它都明顯處于劣勢。

3.IGBT直接串聯(lián)的直接高壓變頻器

3.1 主電路簡介



圖1.IGBT直接串聯(lián)高壓變頻

如圖1所示，圖中系統(tǒng)由電網(wǎng)高壓直接經(jīng)高壓斷路器進入變頻器，經(jīng)過高壓二極管全橋整流、直流平波電抗器和電容濾波，再通過 逆變器進行逆變，加上正弦波濾波器，簡單易行地實現(xiàn)高壓變頻輸出，直接供給高壓電動機。

功率器件IGBT直接串聯(lián)的二電平電壓型 高壓變頻器是采用變頻器已有的成熟技術(shù)，應(yīng)用獨特而簡單的控制技術(shù)成功設(shè)計出的一種無輸入輸出變壓器、IGBT直接串聯(lián)逆變、輸出效率達98%的高壓調(diào)速系統(tǒng)。

對于需要快速制動的場合，采用直流放電制動裝置，如圖2所示：



圖2.具有直流放電制動裝置的IGBT直接串聯(lián)高壓變頻器主電路圖

如果需要四象限運行，以及需要能量回饋的場合，或輸入電源側(cè)短路容量較小時，也可采用如圖3所示的PWM整流電路，使輸入 電流也真正實現(xiàn)完美正弦波。




圖3.具備能量回饋和四象限運行的IGBT直接串聯(lián)高壓變頻器主電路圖

3.2 IGBT直接串聯(lián)高壓變頻器25Hz、30Hz、40Hz、50Hz電壓、電流輸出波形及諧波圖：




3.3 核心關(guān)鍵技術(shù)

(1)高速功率器件的串聯(lián)技術(shù)

根據(jù)查新，世界 各國均未生產(chǎn)出IGBT直接串聯(lián)的高壓變頻器。原因正如一些權(quán)威人士所言:“IGBT是不能串聯(lián)的。因為開關(guān)時間短，微秒級，很難保證所有管子串聯(lián)同時開關(guān)。否則有的早開，所有的電壓都來加在晚開的管子上，那么這個1200V的管子加上6000V，只能燒掉，一燒一串，不可能串聯(lián)。”

(2)正弦波技術(shù)

高壓電機對變頻器的輸出電壓波形有嚴格的要求，是業(yè)內(nèi)人士都知道的常識。解決變頻器輸出電壓波形，從兩方面著手:一是優(yōu)化PWM波形;二是研制出特種濾波器。

過去一些人認為:“三電平的電壓波形一定優(yōu)于二電平，今后就是低壓變 頻器也應(yīng)采用三電平。”，這種說法可能不太全面。三電平的總諧波含量可能低于二電平，但由于三電平的11次、13次諧波含量特別高，處理起來特別困難，而二電平只要波形優(yōu)化得好，60次以下的諧波皆可大大降低。而對60次以上的諧波濾波自然容易得多。人們使用三電平是為避免器件串聯(lián)的困難，不得已而為之。

(3)抗共模電壓技術(shù)

僅解決IGBT的串聯(lián)，并不能甩掉輸入變壓器。原因在于共模電壓的存在。在低壓變頻器領(lǐng)域，近年來發(fā)現(xiàn)的電機軸承損壞，共模電壓就是影響之一，在高壓變頻器的領(lǐng)域中，共模電壓更是必須解決的關(guān)鍵問題之一。共模電壓(也叫零序電壓)，是指電動機定子繞組的中心點和地之間的電壓。

共模電壓也是對外產(chǎn)生干擾的原因，特別是長線傳輸設(shè)備。無論是電流源還是電壓源變頻器產(chǎn)生共模電壓是必然的。技術(shù)人員根據(jù)共模電壓產(chǎn)生的機理，采取了“堵和疏”的辦法將共模電壓消滅在變頻器內(nèi)部。

由于采用了上述三項核心關(guān)鍵技術(shù)，使IGBT直接高 壓變頻器的效率達到98%以上。輸出電壓正弦化、共模電壓比較小化。適用于任何異步電機、同步電機，無需降容使用，幾km的長線傳輸也無問題。對于傳輸距離 太長時應(yīng)考慮線路電壓補償。如提高電壓或增大導(dǎo)線截面等。

4 系統(tǒng)特點：

（1）電壓等級為3kV-10kV；

（2）系統(tǒng)自帶專門設(shè)計的高壓開關(guān)柜，與本身高壓變頻器高效安全配套，并含變/工頻切換裝 置和電子式真空斷路器;

（3）全中文操作界面，基于Windows操作平臺，彩色液晶觸摸屏，便于就地監(jiān)控、設(shè)定參數(shù)、選擇功能和調(diào)試;

（3）內(nèi)置PLC可編程控制器，易于改變和擴展控制邏輯關(guān)系;

（4）高壓主電路與低壓控制電路采 用光纖傳輸，安全隔離，使得系統(tǒng)抗干擾能力強;

（5）控制電路通訊方式采用全數(shù)字化通訊;

（6）系統(tǒng)的 整流單元、逆變單元設(shè)計，選用組合模塊化積木結(jié)構(gòu)，整機占地面積小、重量輕，便于安裝、維護;

（7）裝置可在本機上操作，也可實 現(xiàn)遠距離外控，具備完善、方便的操作功能選擇;

（8）系統(tǒng)具有標(biāo)準(zhǔn)的計算機通訊接口RS232或RS422、RS485，可方便 的與用戶DCS系統(tǒng)或工控系統(tǒng)組態(tài)建立整個系統(tǒng)的工作站，進一步提高系統(tǒng)的自動化控制程度，實現(xiàn)整個工控系統(tǒng)的全閉環(huán)監(jiān)控，從而獲得更加完善的、可靠自動化運行;

（10）具備全面的故障監(jiān)測、可靠的故障報警保護功能;

（11）輸入功率因數(shù)高，輸出電壓諧波 含量小，無需功率因數(shù)補償和諧波抑制器;

（12）輸出電壓為標(biāo)準(zhǔn)正弦波形，對電纜和電動機的絕緣無損害，減輕電動機的軸承和葉片 等機械部分震動和磨損，延長電動機的使用壽命，輸出至電動機的線纜長度可達20km;

（13）采用獨特的抗共模電壓技術(shù)，使系統(tǒng)*模電壓≤1000V，無需再提高電動機的絕緣等級，無需專用電機;

（14）易于實現(xiàn)能量回饋和四象限運行;并可直接引出直流 進行直流輸電;

（15）對用戶的高壓異步電動機無任何特殊要求。不但適用于新舊異步電動機，也適用于同步電動機。

5.應(yīng)用實例：IGBT直接串聯(lián)高壓變頻器在 煉鐵廠沖渣泵上的應(yīng)用

5.1 應(yīng)用概況

永峰鋼廠是萊鋼集團公司的一個主要生產(chǎn)廠，負責(zé)公司所需鐵水和鐵塊冶煉。高爐冶煉鐵水過程中產(chǎn)生大量的熔渣，通常是用大流量的中壓水將其降溫并 沖散，同時輸送到水渣池回收，作為煉鐵生產(chǎn)的副產(chǎn)品。高爐生產(chǎn)是不間斷的，一般情況下每天出鐵15次，在高爐出鐵前、后各放一次渣，兩次出渣時間約 30min，在此時間內(nèi)要求水沖渣系統(tǒng)的水泵滿負荷工作，其余時間水泵只需保持約30%水流量防止管道堵塞即可。4#-高爐使用ZGB-300型沖渣泵，原系統(tǒng)運行時，起動前管道進出水閥門關(guān)閉，起動后閥門開度約90%，機組全速運行，電網(wǎng)電壓6300V，電機運行電流33A，功率因數(shù)81.6%，耗電功率294kW。不需沖渣水時通過調(diào)節(jié)閥門在30%來調(diào)節(jié)水流量(此時電機電流25A)，耗電功率214kW，一方面導(dǎo)致大量的節(jié)能損失，另一方面頻繁操作閥門，致使其使用壽命大大降低，增加了停產(chǎn)更換閥門的時間，為此公司決定對4#高爐沖渣泵進行改造。

5.2 改造方案

由電機轉(zhuǎn)速公式n=60f×(1-s)/p可知:只要改變電機的頻率f，就可以實現(xiàn)電機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，高電壓大功率變頻器通過控制IGBT(絕緣柵雙極型電力場效應(yīng)管)的導(dǎo)通和關(guān)斷，使輸出頻率連續(xù)可調(diào)。而且是隨著頻率的變化，輸出電流、電壓、功率都將發(fā)生變化，即負荷大時轉(zhuǎn)速大， 輸出功率大，負荷小時轉(zhuǎn)速小，輸出功率也小。

由流體力學(xué)：：Q′=Q(n′/n) 、H′=H(n′/n)2 、P′=P(n′/n)3 可知: 當(dāng)泵機低于額定轉(zhuǎn)速時節(jié)電為：E=〔1-(n′/n)3〕×P×T(kWh)

可見，通過變頻改造，沖渣泵流量Q、壓力H及軸功率P都將發(fā)生較大的改 變，不但節(jié)能而且大大提高了設(shè)備運行性能。根據(jù)沖渣泵的實際特性對其進行了具體改造，沖渣泵在沖渣時工作在49.5Hz，在不沖渣時工作在25Hz，考慮 到工藝對調(diào)速精度要求不是很高，本系統(tǒng)只采用開環(huán)控制并在高爐值班室操作，需沖渣時給調(diào)節(jié)系統(tǒng)一個“1”的信號，電機高速運行，不需沖渣時將此信號取消，電機低速運行，取得了很好的節(jié)能效果。

5.3 改造后的系統(tǒng)實際運行狀況

根據(jù)18個月的運行，經(jīng)過反復(fù)多種測試各運行參數(shù)一直正常，變頻器質(zhì)量性能良好，安全可靠，各項指標(biāo)均達到了設(shè)計要求.

(1)諧波抑制效果良好。電壓諧波含量小于3%，符合IEEE519-1992和GB/T14549-93標(biāo)準(zhǔn)。

(2)各種保護功能完善。過流、過壓、欠壓、故障保 護等功能可靠，并且考慮了外部電網(wǎng)的防雷擊等多環(huán)節(jié)保護功能。

(3)各種指示功能完備。具有輸入、輸出電流和電壓、運行頻率、故障顯示、運行狀態(tài)指示等功能。

(4)操作簡便。同普通的低壓變頻器的功能操作方式相似，功能設(shè)置和調(diào)整簡單方便。

5.4 改造效益

機組49.5Hz運行和無變頻器運行相比可節(jié)省功率ΔP1=P50-P49.5=80kW；

機組25Hz運行和無變頻器運行相比可節(jié)省功率ΔP2=214kW-P25=132kW；

年節(jié)電量:ΔW= (H1ΔP1+H2ΔP2)=365(7.5×80+16.5×132)=1013970kWh；

(注:每年按365天 計H1:沖渣時間=15×30/60=7.5小時;H2:不沖渣時間=24-7.5=16.5小時)；

經(jīng)濟效益:ΔW電價=1013970×0.56=567823元(注:萊鋼廠工業(yè)電價0.56元/kWh)；

實現(xiàn)電機軟起動功能，延長了電機壽命，大大減少了沖渣泵故障發(fā)生率；

提高了自動化水平，節(jié)約了大量工業(yè)用水；

由上述可知，綜合經(jīng)濟效益每年可達60多萬元，一年即可全部收回成本。

5.5 結(jié)論

通過對沖渣泵系統(tǒng)的變頻調(diào)速的技術(shù)改造，經(jīng)過較長時間的運行檢驗，證明該產(chǎn)品性能可靠、功能齊全、技術(shù)先進，說明國內(nèi)自主開發(fā)的高壓變頻器在技術(shù)上已經(jīng)處于世界先進水平。由于IGBT直接串聯(lián)高壓變頻器無輸入輸出變壓器、體積小、性價比高、綜合性能好等方面均超過了國內(nèi)外其它產(chǎn)品，是新一代高性能高 壓變頻產(chǎn)品的代表，為高壓變頻調(diào)速技術(shù)在廠內(nèi)其它工序的技術(shù)改造提供了一條可行的途徑，在高壓變頻改造領(lǐng)域具有極大的推廣價值。