徐甫荣
国家电力公司热工研究院，陕西 西安 710032
1 前 言
众 所 周 知 ， 大 功 率 风 机 、 水 泵 的 变 频 调 速 方 案 ， 可 以 收 到 显 著 的 节 能 效 果 ， 其 直 接 经 济 效 益 很 大 ， 宏 观 经 济 效 益 及 社 会 效 益 则 更 大 。 可 以 预 计 ， 大 功 率 交 流 电 机 变 频 调 速 新 技 术 的 发 展 是 我 国 节 能 事 业 的 主 导 方 向 之 一 。
目 前 ， 阻 碍 变 频 调 速 技 术 在 高 压 大 功 率 交 流 传 动 中 推 广 应 用 的 主 要 问 题 有 两 个 ： 一 是 我 国 大 容 量 （200 kW以 上 ） 电 动 机 的 供 电 电 压 高 （ 6 kV、 10 kV） ， 而 组 成 变 频 器 的 功 率 器 件 的 耐 压 水 平 较 低 ， 造 成 电 压 匹 配 上 的 难 题 ； 二 是 高 压 大 功 率 变 频 调 速 系 统 技 术 含 量 高 ， 难 度 大 ， 成 本 也 高 ， 而 一 般 的 风 机 、 水 泵 等 节 能 改 造 都 要 求 低 投 入 、 高 回 报 ， 从 而 造 成 经 济 效 益 上 的 难 题 。 这 两 个 世 界 性 的 难 题 阻 碍 了 高 压 大 容 量 变 频 调 速 技 术 的 推 广 应 用 ， 因 此 如 何 解 决 高 压 供 电 和 用 高 技 术 生 产 出 低 成 本 高 可 靠 性 的 变 频 调 速 装 置 是 当 前 世 界 各 国 相 关 行 业 竞 相 关 注 的 热 点 。
一 般 来 讲 ， 在 高 压 供 电 而 功 率 器 件 耐 压 能 力 有 限 的 情 况 下 ， 可 采 用 功 率 器 件 串 联 的 方 法 来 解 决 。 但 是 器 件 在 串 联 使 用 时 ， 因 为 各 器 件 的 动 态 电 阻 和 极 电 容 不 同 ， 而 存 在 静 态 和 动 态 均 压 的 问 题 。 如 果 采 用 与 器 件 并 联 R和 RC的 均 压 措 施 ， 会 使 电 路 复 杂 ， 损 耗 增 加 ； 同 时 ， 器 件 的 串 联 对 驱 动 电 路 的 要 求 也 大 大 提 高 ， 要 尽 量 做 到 串 联 器 件 同 时 导 通 和 关 断 ， 否 则 由 于 各 器 件 开 断 时 间 不 一 ， 承 受 电 压 不 均 ， 会 导 致 器 件 损 坏 甚 至 整 个 装 置 崩 溃 。
谐 波 问 题 是 所 有 变 频 器 的 共 同 问 题 ， 尤 其 在 大 功 率 变 频 调 速 中 更 为 突 出 。 谐 波 会 污 染 电 网 ， 殃 及 同 一 电 网 上 的 其 它 用 电 设 备 ， 甚 至 影 响 电 力 系 统 的 正 常 运 行 ； 谐 波 还 会 干 扰 通 讯 和 控 制 系 统 ， 严 重 时 会 使 通 讯 中 断 ， 系 统 瘫 痪 ； 谐 波 电 流 也 会 使 电 动 机 损 耗 增 加 ， 因 而 发 热 增 加 ， 效 率 及 功 率 因 数 下 降 ， 以 至 不 得 不 “ 降 额 ” 使 用 。
还 有 效 率 问 题 ， 变 频 调 速 装 量 的 容 量 愈 大 ， 系 统 的 效 率 问 题 也 就 愈 加 重 要 。 采 用 不 同 的 主 电 路 拓 扑 结 构 ， 使 用 的 功 率 器 件 的 种 类 、 数 量 的 多 少 ， 以 及 变 压 器 ， 滤 波 器 等 的 使 用 ， 都 会 影 响 系 统 的 效 率 。 为 了 提 高 系 统 效 率 ， 必 须 设 法 尽 量 减 少 功 率 开 关 器 件 和 变 频 调 速 装 置 的 损 耗 。
可 靠 性 和 冗 余 设 计 问 题 ， 一 般 的 高 压 大 功 率 拖 动 系 统 都 要 求 很 高 的 系 统 可 靠 性 ， 尤 其 是 国 民 经 济 的 重 要 部 门 如 电 力 、 能 源 、 冶 金 、 矿 山 和 石 化 等 行 业 ， 一 旦 出 现 故 障 ， 将 会 造 成 人 民 生 命 财 产 的 巨 大 损 失 ， 因 此 高 压 变 频 装 置 设 计 中 是 否 便 于 采 用 冗 余 设 计 及 旁 路 控 制 功 能 也 是 至 关 重 要 的 。
目 前 世 界 上 的 高 压 变 频 器 不 象 低 压 变 频 器 那 样 具 有 成 熟 的 、 一 致 性 的 拓 扑 结 构 ， 而 是 限 于 采 用 目 前 电 压 耐 量 的 功 率 器 件 ， 如 何 面 对 高 压 使 用 条 件 的 要 求 ， 国 内 外 各 变 频 器 生 产 厂 商 八 仙 过 海 ， 各 有 高 招 ， 因 此 其 主 电 路 结 构 不 尽 一 致 ， 但 都 较 为 成 功 地 解 决 了 高 电 压 大 容 量 这 一 难 题 。 当 然 在 性 能 指 标 及 价 格 上 也 各 有 差 异 。 如 美 国 罗 宾 康 （ ROBICON） 公 司 生 产 的 完 美 无 谐 波 变 频 器 ； 洛 克 韦 尔 （ AB） 公 司 生 产 的 Bulletin 1557和 Power Flex 7000系 列 变 频 器 ， 德 国 西 门 子 公 司 生 产 的 SIMOVERT MV中 压 变 频 器 ； 瑞 典 ABB公 司 生 产 的 ACS1000系 列 变 频 器 ； 意 大 利 ANSALDO公 司 生 产 的 SILCOVERT TH变 频 器 以 及 日 本 三 菱 、 富 士 公 司 生 产 的 完 美 无 谐 波 变 频 器 和 国 内 北 京 的 凯 奇 、 先 行 、 利 德 华 福 公 司 和 成 都 佳 灵 公 司 生 产 的 高 压 变 频 器 等 。
本 文 对 中 高 压 变 频 器 几 种 常 用 的 主 电 路 拓 扑 结 构 进 行 了 分 析 比 较 ， 对 不 同 电 路 结 构 的 中 高 压 变 频 器 的 可 靠 性 、 冗 余 设 计 、 谐 波 含 量 以 及 dv/dt等 指 标 进 行 了 深 入 的 讨 论 ， 并 对 中 高 压 变 频 器 的 发 展 方 向 提 出 了 自 己 的 看 法 。
2 功 率 器 件 串 联 二 电 平 电 流 型 高 压 变 频 器
美 国 洛 克 韦 尔 公 司 的 中 压 变 频 器 Bulletin1557系 列 ， 其 电 路 结 构 为 交 直 交 电 流 源 型 ， 采 用 功 率 器 件 GTO串 联 的 两 电 平 逆 变 器 。 其 控 制 方 式 采 用 无 速 度 传 感 器 直 接 矢 量 控 制 ， 电 机 转 矩 可 快 速 变 化 而 不 影 响 磁 通 ， 综 合 了 脉 宽 调 制 和 电 流 源 结 构 的 优 点 ， 其 运 行 效 果 近 似 直 流 传 动 装 置 。 该 公 司 可 提 供 几 种 方 案 以 满 足 谐 波 抑 制 的 要 求 ， 如 标 准 的 12脉 冲 和 18脉 冲 及 PWM整 流 器 ， 标 准 的 谐 波 滤 波 器 及 功 率 因 数 补 偿 器 ， 以 使 其 谐 波 符 合 IEEE519 1992标 准 的 规 定 。 图 1所 示 为 18脉 冲 整 流 器 的 Bulletin1557变 频 器 的 主 电 路 拓 扑 结 构 图 。
AB公 司 于 近 期 推 出 新 一 代 的 中 压 变 频 器 Power Flex 7000系 列 ， 用 新 型 功 率 器 件 — — 对 称 门 极 换 流 晶 闸 管 （ SGCT） 代 替 原 先 的 GTO， 使 驱 动 和 吸 收 电 路 简 化 ， 系 统 效 率 提 高 ， 6 kV系 统 每 个 桥 臂 采 用 三 只 耐 压 为 6 500 V的 SGCT串 联 。
电 流 源 变 频 器 的 优 点 是 易 于 控 制 电 流 ， 便 于 实 现 能 量 回 馈 和 四 象 限 运 行 ； 缺 点 是 变 频 器 的 性 能 与 电 机 的 参 数 有 关 ， 不 易 实 现 多 电 机 联 动 ， 通 用 性 差 ， 电 流 的 谐 波 成 分 大 ， 污 染 和 损 耗 较 大 ， 且 共 模 电 压 高 ， 对 电 机 的 绝 缘 有 影 响 。
AB公 司 的 变 频 器 采 用 功 率 器 件 串 联 的 二 电 平 逆 变 方 案 ， 结 构 简 单 ， 使 用 的 功 率 器 件 少 ， 但 器 件 串 联 带 来 均 压 问 题 ， 且 二 电 平 输 出 的 dv/dt会 对 电 机 的 绝 缘 造 成 危 害 ， 要 求 提 高 电 机 的 绝 缘 等 级 ； 且 谐 波 成 分 大 ， 需 要 专 门 设 计 输 出 滤 波 器 ， 才 能 供 电 机 使 用 ， 即 使 如 此 其 总 谐 波 畸 变 THD也 仅 能 达 到 4％ 左 右 。
输 入 端 采 用 可 控 器 件 实 现 PWM整 流 ， 便 于 实 现 能 量 回 馈 和 四 象 限 运 行 ， 但 同 时 使 网 侧 谐 波 增 大 ， 需 加 进 线 电 抗 器 滤 波 才 能 满 足 电 网 的 要 求 ， 这 也 增 加 了 体 积 和 成 本 。
因 为 是 直 接 高 压 变 频 ， 电 网 电 压 和 电 机 电 压 相 同 ， 容 易 实 现 旁 路 控 制 功 能 ， 以 便 在 装 置 出 现 故 障 时 将 电 机 投 入 电 网 运 行 。
3 单 元 串 联 多 重 化 电 压 源 型 变 频 器
美 国 罗 宾 康 公 司 利 用 单 元 串 联 多 重 化 技 术 ， 生 产 出 功 率 为 315 kW～ 10 MW的 完 美 无 谐 波 (PERFECT HARMONY)高 压 变 频 器 ， 无 须 输 出 变 压 器 实 现 了 直 接 3.3 kV或 6 kV高 压 输 出 ； 首 家 在 高 压 变 频 器 中 采 用 了 先 进 的 IGBT功 率 开 关 器 件 ， 达 到 了 完 美 无 谐 波 的 输 出 波 形 ， 无 须 外 加 滤 波 器 即 可 满 足 各 国 供 电 部 门 对 谐 波 的 严 格 要 求 ； 输 入 功 率 因 数 可 达 0.95以 上 ， THD<1％ ， 总 体 效 率 （ 包 括 输 入 隔 离 变 压 器 在 内 ） 高 达 97％ 。 达 到 这 么 高 指 标 的 原 因 是 采 用 了 三 项 新 的高 压 变 频 技 术 ： 一 是 在 输 出 逆 变 部 分 采 用 了 具 有 独 立 电 源 的 单 相 桥 式SPWM逆 变 器 的 直 接 串 联 叠 加 ； 二 是 在 输 入 整 流 部 分 采 用 了 多 相 多 重 叠 加 整 流 技 术 ； 三 是 在 结 构 上 采 用 了 功 率 单 元 模 块 化 技 术 。
所 谓 多 重 化 技 术 就 是 每 相 由 几 个 低 压 PWM功 率 单 元 串 联 组 成 ， 各 功 率 单 元 由 一 个 多 绕 组 的 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 。 多 重 化 技 术 从 根 本 上 解 决 了 一 般 6脉 冲 和 12脉 冲 变 频 器 所 产 生 的 谐 波 问 题 ， 可 实 现 完 美 无 谐 波 变 频 。 图 2为 6 kV变 频 器 的 主 电 路 拓 扑 图 ， 每 组 由 5个 额 定 电 压 为 690 V的 功 率 单 元 串 联 ， 因 此 相 电 压 为 690 V× 5=3 450 V， 所 对 应 的 线 电 压 为 6 000 V。 每 个 功 率 单 元 由 输 入 隔 离 变 压 器 的 15个 二 次 绕 组 分 别 供 电 ， 15个 二 次 绕 组 分 成 5组 ， 每 组 之 间 存 在 一 个 12° 的 相 位 差 。 图 3中 以 中 间 △ 接 法 为 参 考 (0° )， 上 下 方 各 有 两 套 分 别 超 前 （ ＋ 12° 、 ＋ 24° ） 和 滞 后 （ － 12° 、 － 24° ） 的 4组 绕 组 。 所 需 相 差 角 度 可 通 过 变 压 器 的 不 同 联 接 组 别 来 实 现 。
图 3中 的 每 个 功 率 单 元 都 是 由 低 压 绝 缘 栅 双 极 型 晶 体 管 （ IGBT） 构 成 的 三 相 输 入 ， 单 相 输 出 的 低 压 PWM电 压 型 逆 变 器 。 功 率 单 元 电 路 见 图 4。 每 个 功 率 单 元 输 出 电 压 为 1、 0、 － 1三 种 状 态 电 平 ， 每 相 5个 单 元 叠 加 ， 就 可 产 生 11种 不 同 的 电 平 等 级 ， 分 别 为 ± 5、 ± 4、 ± 3、 ± 2、 ± 1和 0。 图 5为 一 相 合 成 的 正 波 输 出 电 压 波 形 。 用 这 种 多 重 化 技 术 构 成 的 高 压 变 频 器 ， 也 称 为 单 元 串 联 多 电 平 PWM电 压 型 变 频 器 ， 采 用 功 率 单 元 串 联 ， 而 不 是 用 传 统 的 器 件 串 联 来 实 现 高 压 输 出 ， 所 以 不 存 在 器 件 均 压 的 问 题 。 每 个 功 率 单 元 承 受 全 部 的 输 出 电 流 ， 但 仅 承 受 1/5的 输 出 相 电 压 和 1/15的 输 出 功 率 。 变 频 器 由 于 采 用 多 重 化 PWM技 术 ， 由 5对 依 次 相 移 12° 的 三 角 载 波 对 基 波 电 压 进 行 调 制 。 对 A相 基 波 调 制 所 得 的 5个 信 号 ， 分 别 控 制 A1～ A5五 个 功 率 单 元 ， 经 叠 加 可 得 图 5所 示 的 具 有 11级 阶 梯 电 平 的 相 电 压 波 形 ， 线 电 压 波 型 具 有 21阶 梯 电 平 ， 它 相 当 于 30脉 波 变 频 ， 理 论 上 19次 以 下 的 谐 波 都 可 以 抵 消 ， 总 的 电 压 和 电 流 失 真 率 可 分 别 低 于 1.2％ 和 0.8％ ， 堪 称 完 美 无 谐 波 变 频 器 。 它 的 输 入 功率 因 数 可 达 0.95以 上 ， 不 必 设 置 输 入 滤 波 器 和 功 率 因 数 补 偿 装 置 。 变 频 器 同 一 相 的 功 率 单 元 输 出 相 同 的 基 波 电 压 ， 串 联 各 单 元 之 间 的 载 波 错 开 一 定 的 相 位 ， 每 个 功 率 单 元 的 IGBT开 关 频 率 若 为 600 Hz， 则 当 5个 功 率 单 元 串 联 时 ， 等 效 的 输 出 相 电 压 开 关 频 率 为 6 kHz。 功 率 单 元 采 用 低 的 开 [1] [2] [3] [4] [5] [6] 下一页
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