目前高压变频器的特性论述Word格式.docx

1、由于相应额定电压110kV的变频器有着共同的特征，因此，我们把驱动110kV交流电动机的变频器称之为高压变频器。高压变频器又分为两种性质类型，电流型和电压型，其特点区别：变频器其主要功能特点为逆变电路。根据直流端滤波器型式，逆变电路可分为电压型和电流型两类。前者在直流供电输入端并联有大电容，一方面可以抑制直流电压的脉动，减少直流电源的内阻，使直流电源近似为恒压源；另一方面也为来自逆变器侧的无功电流提供导通路径。因此，称之为电压型逆变电路。在逆变器直流供电侧串联大电感，使直流电源近似为恒流源，这种电路称之为电流型逆变电路。电路中串联的电感一方面可以抑制直流电流的脉动，但输出特性软。电流型变频器是

2、在电压型变频器之前发展起来的早期拓扑。2 电压型逆变器与电流型逆变器的特点区别（1）直流回路的滤波环节。电压型逆变器的直流滤波环节主要采用大电容，因此电源阻抗小，相当于电压源。电流型逆变器的直流滤波环节主要采用大电感，相当于恒流源。（2）输出波形。电压型逆变器输出的电压波形是SPWM高频矩形载波，输出的电流波形在感性负载时近似于正弦波，含有部份的高次谐波分量，输入采用简易滤波，便可满足国家潜波含量标准。电流型变换器输出的电流波形是一个交变矩形波，其输出的电压波形接近正弦波，含有丰富的高次谐波分量，电机易发高热，一般使用时都要选用进口的特制电动机。输入谐波含量极高，须采用巨大，笨重的滤波器，方能

3、使用。（3）四象限运行。电流型逆变器由于在其直流供电侧串联大电感，在维持电流方向不变的情况下，可控硅整流桥可改变电压极性，所以很容易使逆变器运行在整流状态，从而使整流桥处于逆变状态，实现四象限运行。电压型高压变频器只有二电平采用IGBT整流回馈，可四象限运行。（4）动态性能。电流型逆变器有大电感，电流动态响应较困难，需求动态力矩跟不上，特性软；电压型逆变器可以用电流反馈环控制，响应速度快，适应现代控制理论：高级的佳灵直接速度控制、富士矢量控制，ABB直接转矩控制，次之的空间电压矢量控制和转差优化F/U控制。在速度开环的条件下，可高速、高精度地实现对电机的磁通力矩控制，使电机特性可柔、可刚；动态

4、性能尤好。（5）过流及短路保护是高压变频器关键的保护功能。电流型逆变器因回路中串有大电感，能抑制短路等故障时电流的上升率，故电流型逆变器的过流和短路保护容易实现，而一般的电压型逆变器则较为困难，只有二电平电压型高压变频器设有直流电感，可抑制di/dt的上升速率，易实现过流保护和短路保护。（6）对开关管的要求。电压型逆变器中的开关管要求关断时间短，但耐压较低；而电流型逆变器中的开关管对关断时间无严格要求，但耐压要求相对较高。（7）采用电流型逆变器需加两个电感，并且开关管截止时所承受的电压比电压型高的多。目前只有AB公司有该技术方案的产品。从上述区别中表明电压型高压变频器比电流型高压变频器更具应用

5、前景。3 四种电压型高压变频器的拓扑方式的特点3.1 目前电压型高压变频器实现高压的拓扑方式近年来，随着电力电子技术应用的发展需要，促使电力电子器件快速发展；反过来，一代新器件或一项新技术一旦克服了老器件的某些缺点，就会推动包括变频器在内的电力电子应用装置出现革命性的变化。IGBT在90年代迅速发展，绝缘性、模块化与其工作频率可达20kHz，使变频器进入“静音”时代。它没有2次击穿的困扰，在380V、660V异步电动机变频调速的使用效果，被社会广泛接受，使得低电压变频器的发展，在目前进入大发展的全盛时期。在电压为1140V3-10kV的高压电动机变频调速中，IGBT模块的工作电压己远远跟不上使

6、用要求。由于IGBT元件目前IGBT作到3.3kV，IGCT作到4.5kV，但也不能满足直接使用的电压等级。又其性能差价格高昂，制造产品昂贵。由于IGBT元件串联后将出现的一些世界级技术难题，在高开关频率下的多环节动态dv/dt高峰值，线路电感、引线电感、母板技术、串联同步控制、动态均压等等，都使产品出现崩溃性的难点，被国内外业内研发专家列为研发的禁区。高压变频器究竟用什么器件，成为世界业内电气设计的研究创造的热门。因此，高压变频器在不同的历史时期，就有不同的技术与技术产品出现：A类：风机、水泵专用高压变频器。驱动对象：高压交流异步电动机风机、水泵专用（要求不高的平方转矩和对动态控制要求不高的

7、工况）（1）高-低-高方式，采用降压变压器 低压变频器 特殊升压变压器 电机；（2）12脉冲变压器 整流 IGBT三电平两电位重叠间接高压方式；（3）曲拆多脉冲变压器 整流 IGBT单元串联多电位重叠间接高压方式；注：间接指在变频器变流环节中，存在利用了变压器来进行电压变换的过程。B类：通用高压变频器。高压交流异步电动机；高压交流同步电动机。负载通用类：（既可适用风机、水泵，也可使用于全程快速高转矩控制和四象限运行的各种机械传动控制。）（4）直接整流 IGBT元件串联直接高压方式；3.2 高-低-高方式电压变换方式：降压变压器（R1） 低压变频器（R2） 升压变压器（R3） 电机（R4）。系统

8、等效阻抗R=R1+R2+R3+R4输出变压器需特殊制造，成本高，功率因数低，效率低，自损耗大，笨重。系统性能差，可用于一般工艺调速，不宜于调速节能的应用。3.3 IGBT三电平两电位重叠间接高压方式（简称：三电平高压变频器）电源 降压变压器（R1） IGBT三电平逆变器（R2） 电机（R3）。系统等效阻抗R=R1+R2+R3 （升压时加升压变压器阻抗R4）三电平高压变频器又称“中性点箝位式”（也称NPC（Netural Point Clamped中点箝位方式）高压变频器，这是近几年才开发和推出的一种高压变频器，高压变频调速系统采用中性点箝位三电平技术。变频器主要由输入12脉冲变压器、整流器、中

9、性点箝位回路、三电平模式逆变器、输出滤波器、控制部分等组成。整流电路一般采用二极管，箝位采用高压快恢复二极管，逆变部分功率器件采用GTO、IGBT或IGCT。输出电压等级4.16kV。初期便用时由于输出电压与电机工作电压不直接匹配，对6KV须将高压电机“Y”接法改为“ ”接法。当变频器故障时，又改回去，工频运行。目前为可在输出端增设一个自耦升压变压器，可直接用于6KV和10KV高压电机，类似高-低-高方式。目前为ABB公司和西门子公司技术方案产品。3.3.1技术特征图1 中性点箝位三电平PWM高压变频器主电路拓扑结构图由图1可以看出，该系列变频器采用类似传统的电压型变频器结构，关键技术在对中点

10、上、下漂动处理，空载和轻载漂动小，随负载的加重或动态变化，电容难以支撑中点位，特别是各电容的容抗不等因素，箝位中点也稳不住，箝位电压随之浮动。中点的浮动的幅度大小，将会产生输出电压的非对称性，输出谐波，波形失真，共模电压的增大变化。其表现为，若输出端在不接电抗器，直接连高压电机运行，电动机会出现剧烈抖动和高热（这是任何一种方式变频器都不会产生的现象）。为此，三电平高压变频器不管电机离的远近，都须装输出电抗器，解决电机振动大,噪音大的缺陷。而共模电压的隐患导致电机绝缘老化问题。由于三电平逆变开关模式中存在的多点死区，而需长死区时间保障开关切换就带来很高的共模电压。其缺陷是由电路特点，硬件产生的，

11、单靠优化控制软件，只能收到微小的效果。还需同佳灵JCS型一样，增加输出共模抑制器方可有效。三电平在输出电压较低时，实际上也相当于二电平的电压波形，其11、13、17 次谐波含量仍很高，谐波电流仍很大。若不加滤波器，还只能用供应商的专用电动机，且其输出电压只能达4200V，实际上是在后面加上了升压变压器才能达到。3.3.2 产品特点1）效率极低三电平变频器的结构简单，但二极管的增多、线路增多，况且每个IGBT的驱动波形不一致，也必将导致箝位和开关性能的不一致。功率元件的导通和关断是由箝位二极管来保证的。箝位二极管的耐压要求高，快恢复性能好，主器件数量多，致使系统结构相对复杂，而且扩展能力有限。2

12、）变频器容量需增大20%，投资高开关器件的导通负荷不一致。靠近母线的开关和靠近输出端的导通负荷不平衡，这样应导致开关器件的电流等级不同。在电路中，如果按导通负荷最严重的情况设计器件的电流等级，则每相有2*（m-2）个外层器件的电流等级过大，造成浪费。变频器输出线电压4.16kV，电机三角形接法为3.3kV，变频器输出必降压设定为3.3kV。变频器将产生无用功率为：4.16kV3.3kV=0.86kV在使用选型时，变频器的容量至少需增加20%的匹配容量，而增大投资。3）由于需星 / 三角变换装置，才能实现工频 / 变频切换对于6kV高压电机，三电平变频器采用/改接的办法，将型接法的6kV电机改为

13、接法。但在进行了/改接后，电机的电压与电网的电压不一致，无法实现旁路功能，当变频器出现故障时，又要保证生产的正常进行，必须首先将电机改回型接法，再投入6kV电网。为此，电机的改接必须加装/切换柜实现，以便实现旁路功能。4）输出谐波含量大，需要专用变频电机。由于三电平变频器，所固有的输出波形中含高的谐波分量，使得输出性能不良好。输出电流、电压波形见图2。低速区变频器的波形极差，基本上不能满足工况的要求。因此，在变频器的输出侧必须配置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。输出电压谐波5.、7高，11次、13次谐波达到20%以上，会引起电动机谐波无功发热、转矩脉动，这对电缆和电动机都是致命的影响。因此，外商一般都力荐采用专用电动机。3.4单元串联多重化变频器曲拆多脉冲变压器 整流 IGBT单元串联多电位重叠间接高压方式电源 变压器（R1） 单元串联变频器（R2） 电机（R3）系统等效阻抗R=R1+R2+R33.4.1 主电路单元串联多重化技术高压变频器，是利用移相主变压器降压，再通过多个低压单相变频器（图3a）串联和控制器结构组成。各功率单元由一个曲拆多绕