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1、高压变频器原理及应用1、引言电机是工业生产中主要的耗电设备，高压大功率电动机的应用更为突出，而这 些设备大部分都存在很大的节能潜力。所以大力发展高压大功率变频调速技术具有时代的必 要性和迫切性。目前，随着现代电力电子技术和微电子技术的迅猛发展，高压大功率变频调速装置不断 地成熟起来，原来一直难于解决的高压问题，近年来通过器件串联或单元串联得到了很好的 解决。其应用领域和围也越来越为广，这为工矿企业高效、合理地利用能源（尤其是电能） 提供了技术先决条件。2、几种常用高压变频器的主电路分析（1）单元串联多重化电压源型高压变频器。单元串联多重化电压源型高压变频器利用低 压单相变频器串联，弥补功率器件
2、IGBT的耐压能力的不足。所谓多重化，就是每相由几个 低压功率单元串联组成，各功率单元由一个多绕组的移相隔离变压器供电，用高速微处理器 实现控制和以光导纤维隔离驱动。但其存在以下缺点：a）使用的功率单元及功率器件数量太多，6kV系统要使用150只功率器件（90只二极管， 60 只 IGBT），装置的体积太大，重量大，安装位置和基建投资成问题；b）所需高压电缆太多，系统的阻无形中增大，接线太多，故障点相应的增多；c）一个单元损坏时，单元可旁路，但此时输出电压不平衡中心点的电压是浮动的，造成 电压、电流不平衡，从而谐波也相应的增大，勉强运行时终究会导致电动机的损坏；d）输出电压波形在额定负载时尚好
3、，低于25Hz以下畸变突出；e）输出电压波形在额定负载时尚好，低于25Hz以下畸变突出；f）由于系统中存在着变压器，系统效率再提高不容易实现;移相变压器中，6kV三相6 绕组X3（10kV时需12绕组X3）延边三角形接法，在三相电压不平衡（实际上三相电压是不 可能绝对平衡的）时，产生的部环流，必将引起阻的增加和电流的损耗，也相应的就造成了 变压器的铜损增大。此时，再加上变压器的铁芯的固有损耗，变压器的效率就会降低，也就 影响了整个高压变频器的效率。这种情况在越低于额定负荷运行时，越是显著10kV时， 变压器有近400个接头、近百根电缆。在额定负荷时效率可达96%，但在轻负荷时，效率低 于 90
4、%。（2）中性点钳位三电平PWM变频器。该系列变频器采用传统的电压型变频器结构。中性 点钳位三电平PWM变频器的逆变部分采用传统的三电平方式，所以输出波形中会不可避免地 产生比较大的谐波分量，这是三电平逆变方式所固有的。因此在变频器的输出侧必须配置输 出LC滤波器才能用于普通的鼠笼型电机。同样由于谐波的原因，电动机的功率因数和效率、 甚至寿命都会受到一定的影响，只有在额定工况点才能达到最佳的工作状态，但随着转速的 下降，功率因数和效率都会相应降低。多电平+多重化高压变频器。多电平+多重化高压变频器的本意是想解决高压IGBT的耐 压有限的问题，但此种方式，不仅增加了系统的复杂性，而且降低了多重化
5、冗余性能好和三 电平结构简单的优点。因此此类变频器实际上并不可取。此类型变频器的性能价格优势并不大，与其同时采用多电平和多重化两种技术，还 不如采用前面提到的高压IGBT的多重化变频器或者三电平变频器。（3）电流源型高压变频器。功率器件直接串联的电流源型高压变频器是在线路中串联大电感，再将SCR（或GTO、SGCT等）开关速度较慢的功率器件直接串联而构成的。这种方式虽然使用功率器件少、易于控制电流，但是没有真正解决高压功率器件的串联 问题。因为即使功率器件出现故障，由于大电感的限流作用，di/dt受到限制，功率器件虽 不易损坏，但带来的问题是对电网污染严重、功率因数低。并且电流源型高压变频器对
6、电网 电压及电机负载的变化敏感，无法做成真正的通用型产品。电流源型高压变频器是最早的产品，但凡是电压型变频器到达的地方，它都被迫退出， 因为在经济上、技术上，它都明显处于劣势。3、IGBT直接串联的直接高压变频器3.1主电路简介图1 IGBT直接串联高压变频如图1所示，图中系统由电网高压直接经高压断路器进入变频器，经过高压二极管 全桥整流、直流平波电抗器和电容滤波，再通过逆变器进行逆变，加上正弦波滤波器，简单易行地实现高压变频输出，直接供给高压电动机。功率器件IGBT直接串联的二电平电压型高压变频器是采用变频器已有的成熟技术，应 用独特而简单的控制技术成功设计出的一种无输入输出变压器、IGBT
7、直接串联逆变、输出 效率达98%的高压调速系统。对于需要快速制动的场合，采用直流放电制动装置，如图2所示：图2具有直流放电制动装置的IGBT直接串联高压变频器主电路图如果需要四象限运行，以及需要能量回馈的场合，或输入电源侧短路容量较小时，也可采用如图3所示的PWM整流电路，使输入电流也真正实现完美正弦波。图3具备能量回馈和四象限运行的IGBT直接串联高压变频器主电路图3.2 IGBT直接串联高压变频器25Hz、30Hz、40Hz、50Hz电压、电流输出波形及谐波图:JllAflHtJMlCS4哺广5牝1蹦x= 皿如iKflHMH 1CSo17.4* c LoCj 4k iemz 皿A 电杵 T
8、EIW *ftA VIIOf WE*(BM8UHn t?器电跚（B。WIM/KflTfOJB/GT 盅游 K71:430 300hJVOLTS1 UOLI |Riripamils45 t 13 If ?3 25 H 9? 41 fliJHt 女相供琳波3H怵HUMI 2.1明 zo ?r 1.4 if珈 1 EQI HZ QjOi ft Q?v -1Q6*HOHz 3次电因UA1T519罪4 BS7a5 r ISOUOh. (Wu (UJ * -R7亦p讣田 WTTS.WH?， *HII.祥海，己。64JT8 SOQOh? OJu 回/ -173I 5 9 T3 17 fl KIMI 33 3
9、? U 4OHz 5次屯H：训诚VOL TS J AHFS/KHTZO-34 1疝肽，网Hi. Wii.闾成推柚液形3.3核心关键技术(1) 高速功率器件的串联技术。根据查新，世界各国均未生产出IGBT直接串联的高压 变频器。原因正如一些权威人士所言：“IGBT是不能串联的。因为开关时间短，微秒级，彳艮 难保证所有管子串联同时开关。否则有的早开，所有的电压都来加在晚开的管子上，那么这 个 1200V的管子加上6000V，只能烧掉，一烧一串，不可能串联。”(2) 正弦波技术。高压电机对变频器的输出电压波形有严格的要求，是业人士都知道的 常识。解决变频器输出电压波形，从两方面着手:一是优化PWM波
10、形;二是研制出特种滤波器。过去一些人认为：“三电平的电压波形一定优于二电平，今后就是低压变频器也应采用 三电平。”，这种说法可能不太全面。三电平的总谐波含量可能低于二电平，但由于三电平 的11次、13次谐波含量特别高，处理起来特别困难，而二电平只要波形优化得好，60次以 下的谐波皆可大大降低。而对60次以上的谐波滤波自然容易得多。人们使用三电平是为避 免器件串联的困难，不得已而为之。(3) 抗共模电压技术。仅解决IGBT的串联，并不能甩掉输入变压器。原因在于共模电 压的存在。在低压变频器领域，近年来发现的电机轴承损坏，共模电压就是影响之一，在高 压变频器的领域中，共模电压更是必须解决的关键问题
11、之一。共模电压(也叫零序电压)，是 指电动机定子绕组的中心点和地之间的电压。共模电压也是对外产生干扰的原因，特别是长线传输设备。无论是电流源还是电压源变 频器产生共模电压是必然的。技术人员根据共模电压产生的机理，采取了 “堵和疏”的办法 将共模电压消灭在变频器部。由于采用了上述三项核心关键技术，使IGBT直接高压变频器的效率达到98%以上。输 出电压正弦化、共模电压最小化。适用于任何异步电机、同步电机，无需降容使用，几km 的长线传输也无问题。对于传输距离太长时应考虑线路电压补偿。如提高电压或增大导线截面等。4、系统特点：（1）电压等级为3kV-10kV；（2）系统自带专门设计的高压开关柜，与
12、本身高压变频器高效安全配套，并含变/工频 切换装置和电子式真空断路器；（3）全中文操作界面，基于Windows操作平台，彩色液晶触摸屏，便于就地监控、设 定参数、选择功能和调试；（4）置PLC可编程控制器，易于改变和扩展控制逻辑关系；（5）高压主电路与低压控制电路采用光纤传输，安全隔离，使得系统抗干扰能力强；（6）控制电路通讯方式采用全数字化通讯；（7）系统的整流单元、逆变单元设计，选用组合模块化积木结构，整机占地面积小、 重量轻，便于安装、维护；（8）装置可在本机上操作，也可实现远距离外控，具备完善、方便的操作功能选择；（9）系统具有标准的计算机通讯接口 RS232或RS422、RS485，
13、可方便的与用户DCS系 统或工控系统组态建立整个系统的工作站，进一步提高系统的自动化控制程度，实现整个工 控系统的全闭环监控，从而获得更加完善的、可靠自动化运行；（10）具备全面的故障监测、可靠的故障报警保护功能；（11）输入功率因数高，输出电压谐波含量小，无需功率因数补偿和谐波抑制器；（12）输出电压为标准正弦波形，对电缆和电动机的绝缘无损害，减轻电动机的轴承和 叶片等机械部分震动和磨损，延长电动机的使用寿命，输出至电动机的线缆长度可达20km；（13）采用独特的抗共模电压技术，使系统中共模电压W1000V，无需再提高电动机的 绝缘等级，无需专用电机；（14）易于实现能量回馈和四象限运行;并
14、可直接引出直流进行直流输电；（15）对用户的高压异步电动机无任何特殊要求。不但适用于新旧异步电动机，也适用 于同步电动机。5应用实例：IGBT直接串联高压变频器在炼铁厂冲渣泵上的应用5.1应用概况：永峰钢厂是莱钢集团公司的一个主要生产厂，负责公司所需铁水和铁块 冶炼。高炉冶炼铁水过程中产生大量的熔渣，通常是用大流量的中压水将其降温并冲散，同 时输送到水渣池回收，作为炼铁生产的副产品。高炉生产是不间断的，一般情况下每天出铁 15次，在高炉出铁前、后各放一次渣，两次出渣时间约30min，在此时间要求水冲渣系统的 水泵满负荷工作，其余时间水泵只需保持约30%水流量防止管道堵塞即可。4#-高炉使用ZG
15、B-300型冲渣泵，原系统运行时，起动前管道进出水阀门关闭，起动后阀门开度约90%， 机组全速运行，电网电压6300V，电机运行电流33A，功率因数81.6%，耗电功率294kW。不 需冲渣水时通过调节阀门在30%来调节水流量(此时电机电流25A)，耗电功率214kW，一方 面导致大量的节能损失，另一方面频繁操作阀门，致使其使用寿命大大降低，增加了停产更 换阀门的时间，为此公司决定对4#高炉冲渣泵进行改造。5.2改造方案由电机转速公式n=60fX(1-s)/p可知:只要改变电机的频率f，就可以实现电机的转速 调节，高电压大功率变频器通过控制IGBT(绝缘栅双极型电力场效应管)的导通和关断，使 输出频率连续可调。而且是随
