中高壓變頻器的分類和比較

    摘要：對幾種常見的中高壓變頻器進行了分析比較，對不同電路結構的中高壓變頻器的可靠性、冗余設計、諧波含量及du/dt等指標進行了深入的討論，并對中高壓變頻器的選型原則提出了一些看法。

    關鍵詞：交—交變頻器；負載換向式變頻器；電流源型變頻器；電壓源型變頻器

1 概述

目前，世界上的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電壓耐量和高壓使用條件的矛盾，國內(nèi)外各變頻器生產(chǎn)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，因而在各項性能指標和適用范圍上也各有差異。

    根據(jù)有無直流環(huán)節(jié)而將高壓變頻器分為兩大類：

1）無直流環(huán)節(jié)的變頻器，即交—交變頻器；

2）有直流環(huán)節(jié)的變頻器稱為交—直—交變頻器，其中直流環(huán)節(jié)采用大電感以平抑電流脈動的變頻器稱為電流源型變頻器；直流環(huán)節(jié)采用大電容以抑制電壓波動的變頻器則稱為電壓源型變頻器。

電流源型變頻器又可以分為：

——負載換向式（晶閘管）變頻器（LCI）；

——采用自關斷器件（GTO或SGCT）的變頻器。

電壓源型變頻器則可以分為：

——功率器件串聯(lián)二電平直接高壓變頻器；

——采用IGCT或HV－IGBT的三電平變頻器；

——采用LV－IGBT的單元串聯(lián)多電平變頻器。

將上述歸納起來如圖1所示。

圖2

2 交—交變頻器（CYCLO）

交—交變頻器是采用晶閘管實現(xiàn)的無直流環(huán)節(jié)的直接由交流到交流的變頻器，也叫做周波換流器。當電壓在3kV以下時，每相要用12只晶閘管，三相共36只；當電壓超過3kV時，晶閘管必須串聯(lián)使用，所用的晶閘管要成倍增加。其電路結構如圖2所示。其優(yōu)點是可用于驅(qū)動同步和異步電機；堵轉轉矩和保持轉矩大；動態(tài)過載能力強；可四象限運行；電機功率因數(shù)可為cosφ=1；極佳的低速性能；弱磁工作范圍廣；轉矩質(zhì)量高；效率高。

    其主電路結構，電壓電流波形分別如圖2、圖3所示。

其缺點是功率因數(shù)與速度有關，低速時功率因數(shù)低；最大輸出頻率為電源頻率的1/n（n=2，3，……）；最大轉速<500r/m；網(wǎng)側諧波大。

    適用于軋鋼機，船舶主傳動和礦石粉碎機等低速轉動設備。

圖5、6

3 負載換向式（晶閘管）變頻器（LCI）

適用于同步電機加轉子位置檢測器的高速高頻調(diào)速傳動場合，可實現(xiàn)近似于直流電機的調(diào)速特性（無換向器電機），可省去維護困難的機械式換向器和電刷。功率范圍可達100MW以上，轉速可以大于7000r/m，電壓范圍可達1～23kV。

    其主電路結構，電壓電流波形，網(wǎng)側功率因數(shù)分別如圖4、圖5、圖6所示。

其優(yōu)點是直流轉動特性；功率無限制；對電網(wǎng)無短路加載現(xiàn)象；可以四象限運行；包括弱磁部分調(diào)速范圍可達1:50；即使在低負載率下也有高的效率；免維護（無電刷、無熔斷器）；對電機絕緣無損害，電纜長度無限制。

其缺點是低速下須采用斷流換向；功率因數(shù)與轉速有關；過載能力差，1.5～2倍。

    適用于高速無齒輪傳動離心泵（鍋爐給水泵）、壓縮機、高爐風機、船舶主傳動以及同步發(fā)電機的起動等場合。

4 GTO（SGCT）電流源型變頻器

采用自關斷器件GTO（SGCT）的電流源型變頻器，直流電路有大電感，可起到保護開關器件的作用，用于異步電機的調(diào)速。其功率范圍可達1.5～10MW，電壓范圍可達1.5～6kV，輸出頻率可達220Hz。電壓超過3kV時，功率器件需要串聯(lián)。其主電路結構，電壓電流波形，網(wǎng)側功率因數(shù)分別如圖7、圖8、圖9所示。

其優(yōu)點是采用合適的PWM脈沖形式時可得到很低的轉矩脈動；輸出頻率高，可達220Hz；電機的損耗??；可四象限運行；動態(tài)性能高；可實現(xiàn)無熔斷器設計，可靠性高；對電機絕緣無損害，電纜長度無限制。

圖10、11

    其缺點是不宜弱磁運行；功率因數(shù)與速度有關，網(wǎng)側晶閘管整流，輸入電流諧波大；會產(chǎn)生較大的共模電壓，當沒有輸入變壓器時，共模電壓會施加到電動機定子繞組中心點與地之間，影響電動機的絕緣；對電網(wǎng)電壓的波動較為敏感，電壓下降15％時會保護停機；對電動機的負載特性敏感，現(xiàn)場調(diào)試非常麻煩。

適用于水泵（鍋爐給水泵）、風機、壓縮機等。

5 功率器件串聯(lián)直接高壓二電平電壓源型變頻器

成都佳靈電氣公司經(jīng)過多年研制，解決了功率器件IGBT的直接串聯(lián)技術問題，使真正無輸入、輸出變壓器的直接高壓變頻器成為現(xiàn)實。這不但大大提高了變頻器的效率，而且大大減小了變頻器的體積和重量。采用抗共模電壓技術以取消輸入變壓器，采用了輸出濾波器和優(yōu)化的PWM波形，大大降低了諧波含量，可使總諧波含量（THD）降低到2％以下。采用二電平逆變，使電路結構和控制簡單，縮小了體積，降低了成本。

直接串聯(lián)高壓變頻器主電路結構如圖10所示?？伤南笙捱\行的主電路結構如圖11所示。

其優(yōu)點是結構簡單，二電平逆變器技術成熟；效率高，可達98％；動態(tài)性能好，過載能力強；可實現(xiàn)四象限運行；對電機絕緣無影響，電纜長度無限制；體積小、重量輕、成本低。

其缺點是無輸入變壓器，6脈沖整流網(wǎng)側諧波大，需采用進線電抗器；二電平逆變du/dt大，且輸出諧波大，需采用優(yōu)化的PWM技術及輸出濾波器加以解決。

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。

6 三電平電壓源型變頻器

采用高壓HV－IGBT或IGCT的三電平電壓源型變頻器，功率范圍可達9100kVA，電壓范圍可達6600V，輸出頻率可達150Hz。

HV?IGBT三電平電壓源型變頻器主電路結構如圖12所示。IGCT三電平電壓源型變頻器主電路結構如圖13所示。三電平電壓源型變頻器的電壓電流波形如圖14所示。

其優(yōu)點是效率高，輸出頻率高；動態(tài)性能好，過載能力強；轉矩脈動小，電機噪聲??；網(wǎng)側配置多樣化，可實現(xiàn)12、18或24脈沖整流，以減少網(wǎng)側諧波；直流進線可配制動電阻；對電機絕緣無影響，輸出電纜長度無限制；與基波一致的功率因數(shù)；高可靠的無熔斷器設計。

其缺點是不可控二級管整流器，單象限運行，要四象限運行需采取額外的措施；如果采用GTO或IGCT器件，需要復雜的緩沖電路；直流環(huán)節(jié)需扼流圍，并需要輸出濾波器；GTO或IGCT需要復雜的門極觸發(fā)電路。

圖13

    適用于風機水泵、傳送帶驅(qū)動、礦石粉碎機、軋機、擠壓機、窯傳動等。

7 采用低壓LV－IGBT的單元串聯(lián)多電平電壓源型變頻器

其功率范圍可達3～220MW，電壓范圍可達10kV。單元串聯(lián)多電平電壓源型變頻器主電路結構如圖15所示。變頻器元器件數(shù)量見表1所列。

表1 變頻器元器件數(shù)量

其優(yōu)點是極低的輸出諧波含量，在無輸出濾波器的情況下，可使THD<0.3％，堪稱“完善無諧波”變頻器；極低的轉矩紋波和電機噪聲；功率因數(shù)可達0.95；對電機絕緣無損害，電纜長度無限制；便于冗余設計。

其缺點是只能單象限運行；不能進行旁路切換；不能實現(xiàn)無熔斷器設計；體積大，笨重；元器件非常多，因而可靠性差；電容器多，易發(fā)生漏電問題；功率節(jié)點多，增加連接難題；多電平結構的變壓器必須和變頻器集成在一起，使電氣室的空間和散熱成為問題；考慮空間要求時，大容量裝置只能采用水冷方式。

適用于風機水泵。

8 各種類型變頻器的比較

各種類型變頻器的比較見表2所列。

表2 高壓變頻傳動系統(tǒng)選型表

注：＊也可以采用GTO或IGCT；

＊＊對于GTO和IGCT而言；

＋：好；＋＋：極好；O：不滿意；－：差；－－：很差。

圖15

9 結語

高壓變頻技術正處于發(fā)展階段，還沒有達到像低壓變頻器那樣成熟。限于功率器件的特性和具體拖動系統(tǒng)的要求，而開發(fā)出了各種類型的變頻器，它們各有其優(yōu)缺點，不能一概而論哪一種變頻器好與不好。選型時應根據(jù)供電電網(wǎng)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(tài)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負載換流加同步電機的方式，或者選用電流源型變頻器。單元串聯(lián)多電平變頻器只能用在風機水泵調(diào)速節(jié)能的場合。