淺談高壓變頻器基本技術

摘要：本文根據這些年高壓變頻器的發展現狀和前景，重點討論了四類高壓變頻器的元器件構成、發展趨勢、傳動性能的優缺點和適用場合。

關鍵字：高壓變頻器；逆變器；共模電壓；整流器

隨著電力電子技術、計算機技術、自動控制技術的發展，電氣傳動技術正經歷著比較大的革新。工業生產領域大量使用的高壓感應異步電動機，已經可以進行直接的電子控制，即由原來的改變其它機械環節的控制方法到直接改變供給的交流電源的頻率和幅值的變壓變頻控制方法，進行速度調節和位移控制，從而可以提高生產工藝，降低能源消耗。由于高壓感應電動機的耗能比例較大，因而針對它的交流變頻調速技術，雖然高壓變頻器不像低壓變頻器那樣具有成熟的一致性的主電路拓撲結構，而是限于功率器件的耐電等級和在高電壓下使用條件的矛盾，國內外各變頻器生產廠商，采用不同的功率器件和不同的主電路結構，以適應各種拖動設備的要求，但實際使用中節能效益顯著。特別是在當今面臨能源危機的條件下，節能降耗不僅有近期的直接經濟效益，更有長遠的社會效益。

高壓變頻器按照改變頻率的過程有無中間直流環節分類：無直流環節稱為交-交變頻器；有直流環節稱為交-直-交變頻器。交-直-交變頻器根據輸出端有無升壓變壓器又分為高--高變頻器和高--低--高變頻器。同時，交-直-交變頻器根據直流環節能量交換方式又分為電壓型（直流環節采用大電容以抑制電壓波動）和電流型（直流環節采用大電感以平抑電流脈動）變頻器。

高--高（二電平）電壓型變頻器是采用GTO、IGBT、IGCT 或 SCR元件串聯實現直接的高壓變頻的一類變頻器，該類變頻器輸出電壓可達10KV。高--高（二電平）電壓型變頻器結構簡單，二電平逆變器技術成熟，效率高達98%；動態性能好，過載能力強，可實現四象限運行；體積小、重量輕、成本低。但高--高（二電平）電壓型變頻器其缺點也很明顯：該類變頻器無輸入變壓器，6脈沖整流網側諧波大，需采用進線電抗器；二電平逆變dV/dt大，輸出諧波大，需采用優化的PWM技術及輸出濾波器加以解決；該類型變頻器還會產生較大的共模電壓，共模電壓會施加到電動機定子繞組中性點與地之間，對電動機的絕緣不利，變頻器與電動機之間電纜不宜過長。高--高（二電平）電壓型變頻器適用于軋機、起重機械、電力機車牽引、船舶主傳動、風機、水泵和壓縮機等。

三電平變頻器的功率單元由獨立的整流器、無功功率交換單元、功率逆變器三部分構成。功率單元輸出全部的電流，承受全部的電壓和輸出功。三電平變頻器效率高、輸出頻率高、動態性能好、過載能力強、轉矩脈動小、電機噪聲小；網側可實現12、18或24脈沖整流，以減少網側諧波；直流進線可配制動電阻，能實現與基波一致的功率因數。但此類型變頻器的整流器由不可控二極管構成，只能實現單象限運行，要想四象限運行需采取額外的措施：如果采用GTO或IGCT器件則需要復雜的緩沖電路，直流環節需扼流圍并需要輸出濾波器；但是GTO或IGCT需要復雜的門極觸發電路，該電路會產生較大的共模電壓而需要專用電機，普通電機要降額使用，同樣輸出電纜長度受限制。風機水泵、傳送帶驅動、礦石粉碎機、軋機、擠壓機、窯傳動等可采用三電平變頻器控制。

電流型變頻器采用GTO元件串聯的辦法實現直接的高壓變頻，該類變頻器輸出電壓可達10KV。由于采用了合適的PWM脈沖形式使得電流型變頻器可得到很低的轉矩脈動，并且輸出頻率高，最高可達220Hz；使用該類型變頻器可使電動機在四象限運行、損耗減小、動態性能提高；其無熔斷器設計使得變頻器可靠性提高；相對前兩類變頻器，此類變頻器對電機絕緣無損害，電纜長度無限制。 在使用電流型變頻器時應注意如下使用條件：不宜弱磁運行，功率因數與速度有關，網側晶閘管整流導致輸入電流諧波大；對電網電壓的波動較為敏感，當電壓下降15%時會保護停機；還有對電動機的負載特性敏感，現場調試麻煩。水泵（鍋爐給水泵）、風機、壓縮機等應用此類變頻器的比較多。

最后介紹一種采用功率單元串聯而成的單元串聯變頻器。由于采用技術成熟、價格低廉的低壓IGBT組成逆變器，通過串聯電源的個數適應不同的輸出電壓要求使得該類變頻器具有完美的輸入輸出波形，能適應任何場合。由于功率單元具有相同的結構及參數，便與將功率單元模塊化，實現冗余設計，在個別單元故障時可以通過單元旁路功能將該單元短路，系統能正常降額運行。大功率該類變頻器使用的功率單元太多，裝置的體積大，需要的安裝空間大；并且該類變頻器無法實現能量回饋、四象限運行和制動。

高壓變頻的發展趨勢 ，在高壓變頻領域，目前以單元串聯多電平方式和三電平方式發展最為迅速，其最新技術以及今后發展方向主要有：

1、全數字式系統，由微處理器控制每個開關管的導通和截止以輸出正弦調制波，因此輸出頻率和電壓相當準確、穩定。

2、運行控制接口豐富，既有就地控制，又有遠端控制；既有通訊接口，又有模擬量數字量接口，用戶可選擇的余地相當大。

3、光纖通訊和信號傳輸技術，既可以解決高電壓隔離問題，又可以提高通訊速度、增強抗干擾能力。

4、采用最新的導通壓降低和開關損耗小的器件，提高系統效率，改善通風冷卻設計，例如ABB公司的6500V等級IGCT器件導通壓降在4V以下、其開關損耗也較低，最新的TRENCH工藝或SPT工藝IGBT的1700V器件器導通壓降在2.4V以下，其開關損耗比以前的器件更低。

5、隨著電力電子器件的發展，在技術和市場成熟情況下，采用高壓器件，使高壓變頻裝置結構和電路趨于簡單，提高可靠性。

6、改善輸入和輸出諧波，這與采用高壓器件有一定的矛盾，但可以考慮采用有源諧波補償技術。

7、電力電子器件保護技術，最好是在任何外部工況下，包括短路、過壓、過流、過載等，變頻裝置不損壞。

8、自診斷和故障定位技術，有利于維護和故障快速處理。

9、提高制動性能。

10、提高動態響應性能，引入矢量控制、直接轉矩控制等現代控制方法。

11、對于單元串聯多電平來說，最新發展技術還有單元冗余，單元切除后繼續運行的情況，以及帶電更換單元技術。

12、減小裝置尺寸。

高壓變頻技術正處于發展階段，限于功率器件的特性和具體拖動系統的要求，而開發出了各種類型的變頻器，它們各有優缺點，不能一概而論哪一種變頻器好與不好。選型時應根據供電電網及拖動對象的特點來定，不必一味追求某種指標。如起重設備、機車牽引、船舶主傳動要選用可四象限運行的變頻器；對于軋鋼機則要選擇動態響應能力好和過載能力強的變頻器；對于低速運行的設備可選用交—交變頻器；而對于高速運行的設備則可選用電流型變頻器。單元串聯多電平變頻器一般只能用在風機、水泵調速的節能場合。