完美無諧波高壓變頻器的原理及應用研究

張海龍

(江西江特電氣集團有限公司，江西 宜春 336000)

我國有大量的功率傳動機械，年耗電量約占工業總耗電量的50%。傳統的調速方式效率極低，現代電力電子技術及計算機控制技術的迅速發展促進了電氣傳動的技術革命。交流調速取代直流調速，大功率電力電子變流技術發展迅速。在交流電機驅動領域，大容量的高壓變頻調速技術得到了普遍應用，成為當今節約電能、改善生產工藝流程、提高產品質量及改善運行環境的一種主要手段，其技術和性能勝過其他任何一種調速方式。

近年來高壓變頻調速系統多采用單元級聯多電平疊加輸出技術。高壓變頻器主要由移相變壓器、功率單元和控制器組成，這種技術比較好地解決了半導體耐高壓的問題，減小了脈動力矩，功率因數也較高，電壓沖擊小，諧波量很小。完美無諧波高壓變頻器具有下述優點：體積小、可靠性高、高壓直接輸出，屬于高高結構，沒有升壓變壓器；輸入功率因數在0.95以上，無需功率因數補償；正弦波輸入，無需濾波器，采用單元串聯多電平PWM專利技術，正弦輸出波形(無需輸出濾波器)幾乎完美，適用普通電動機；應用功率單元自動旁路技術，無間斷運行；采用內部干式變壓器和功率單元模塊化設計，維護方便；實現全數字控制；系統總效率高達97%。因此，完美無諧波高壓變頻器被越來越廣泛地應用于工業生產。

1 高壓變頻器分類

輸出3～13.8 kV電壓的變頻器在國內稱為高壓變頻器，在國外稱為中壓變頻器。高壓主要是與低壓變頻器相對而言的，國內常用的電壓等級為3 300 V、4 160 V、6 000 V，其分類方式有3種：

(1)按輸出電壓方式分為：高高型，直接輸出高壓，變頻器輸出沒有升壓變壓器；高低高型，中間使用低壓變頻器，后面為升壓變壓器。

(2)按中間環節類型分為：電壓源，中間直流環節為電容；電流源，中間直流環節為電感。

(3)按逆變器電路結構形式分為：三電平(中心點鉗位)和GTO/SGCT電流源型逆變器。

完美無諧波高壓變頻器是基于功率單元電壓串聯電路結構形式。一般高壓變頻器拓撲結構都由三部分組成：整流電路將輸入交流變為直流；中間為直流環節，它用于濾波和能量儲存；逆變電路又把直流逆變為交流，并對輸出的電壓或電流和頻率進行協調控制。變頻器一般有5個獨立的部件，即輸入濾波器、功率因數補償、隔離變壓器、變頻裝置和輸出濾波器。

2 完美無諧波高壓變頻器設計原理和運行特性

2.1 設計原理

完美無諧波系列的高壓變頻器 (單元串聯多電平PWM電壓源型變頻器)是一種新型的直接輸出高電壓的變頻器，它采用若干個低壓PWM變頻功率單元串聯的方式直接高壓輸出，該變頻器具有諧波分量少、功率因數高、輸出波形質量好等特點，不存在諧波引起的電動機附加發熱和轉矩脈動、噪音。其10 kV的電網電壓經過干式隔離變壓器降為6 kV后，再經過副邊多重化的隔離變壓器降壓后給功率單元供電。功率單元為三相輸人、單相輸出的交直流PWM 電壓源逆變器結構，相鄰功率單元串聯起來，形成Y型結構，實現變壓變頻的高壓輸出，供給高壓電動機。以6 kV輸出電壓等級為例，每相由5個額定電壓為690 V的功率單元串聯而成，輸出相電壓最高可達3 450 V，線電壓達6 kV左右，改變每相功率單元的串聯個數或功率單元的電壓等級，就可以實現不同電壓等級的高壓輸出。其設計原理如圖1所示。

圖1 完美無諧波變頻器設計原理

2.2 功率單元模塊化

為了便于生產和維修，完美元諧波高壓變頻器采用了功率單元模塊化方式。功率單元模塊的電路如圖2所示。它是由熔斷器、三相橋式整流器、直流濾波電容及IGBT單相全橋逆變器組成的電壓型功率單元。單元中的直流濾波電容要足夠大，以使變頻器可以承受30%的電源電壓下降和5個周波的電源電壓失電。功率單元為三相輸入單相輸出的交-直-交PWM電壓源型變頻器，移相變壓器的副邊輸出三相交流電經功率單元的三相二極管整流后，經濾波電容形成平直的直流電，再經過四個IGB1構成的H型單相逆變橋，實現PWM控制。逆變器輸出采用多電平移相式PWM技術，同一相的功率單元，輸出相同幅值和相位的基波電壓，但串聯各單元的載波之間互相錯開一定電角度，實現多電平PWM，疊加以后輸出電壓的等效開關頻率和電平數大大增加，輸出電壓非常接近正弦波。每個功率單元脈沖控制都是采用SPWM控制，逆變器的控制脈沖波形，由參考正弦波和三角波產生。

圖2 功率單元示意圖

整流橋采用三相不可控全橋，逆變器為基本的交-直-交單相逆變電路，通過IGBT逆變橋進行正弦PWM控制，即脈沖寬度調制。通過控制電力電子器件的通斷時間及通斷次序將直流電壓轉換為一系列寬度不等的矩形電壓脈沖。

每個功率單元分別由輸入變壓器的一組副邊供電，功率單元之間及變壓器二次繞組之間相互絕緣。二次繞組采用延邊三角形接法，實現多重化，以達到降低輸入諧波電流的目的。對10 kV電壓等級變壓器來說，給27個功率單元供電的27個二次繞組，每3個一組，分為9個不同的相位組，互差6.7°電角度，形成54脈沖的整流電路結構，可有效地抵消53次以下的諧波，輸入電流波形接近正弦波，總的諧波電流失真可達到1%左右。由于輸入電流諧波失真很低，變頻器輸入的綜合功率因數可達到0.99以上。

2.3 運行特性

(1)在輸入容量不大于變頻器額定容量的情況下也能滿足工作要求。能使其他在線設備免受諧波干擾，同時防止與其他調速裝置發生串擾。無需濾波器，變頻器就可輸出正弦電流和電壓波形，對電機沒有特殊的要求，可以使用普通異步電動機，電機不必降額使用，具有軟啟動功能，沒有電機啟動沖擊引起的電網電壓下跌，可保證電機安全、長期運行。

(2)變頻裝置輸出波形不會引起電機的諧振，轉矩脈動小于0.1%，可避免風機喘振現象，變頻器有共振點頻率跳躍功能。變頻裝置對輸出電纜長度無任何要求，電機不會受到共模電壓和dv/dt的影響。可在輸出不帶電機的情況下進行空載調試，也可在沒有10 kV高壓情況下用低壓電進行空載調試。采用無速度傳感器矢量控制，起動轉矩可達150%。變頻器對電網電壓波動有極強的適應能力，在10%范圍內變頻器能滿載工作，在45%的電壓下降情況下變頻器能繼續運行而不跳閘。控制系統采用全數字微機控制，有自診斷功能，具有很高的通信速率和抗干擾能力，安全性好。

(3)完美無諧波系列變頻器諧波分量小，功率因數很高，無需進行功率補償。一般來說用變頻器傳動電機同用工頻傳動相比，由于變頻器輸出波形中含有高次諧波的影響，電動機的功率因數、效率將劣化。另一方面，變頻器傳動時要得到與工頻電源傳動相同的轉矩特性，變頻器的輸出電壓的基波有效值要等于工頻電源的有效值。完美無諧波變頻器的變壓器次級繞組在繞制時相互之間有一定的相位差，產生相移消除諧波電流，能夠獲取幾近完美的正弦輸入電流，使得其功率因數在整個調速范圍內，無須使用外部功率因數補償電容即可超過95%。

(4)能輸出幾近完美的正弦波電壓。用變頻器進行電動機調速運轉，由于運轉頻率的變化，基波分量、高次諧波分量也在很廣范圍內變化，電動機各部的諧波增加，會使口噪聲振動增大，引起電動機轉矩脈動，其對策主要是抑制產生的電磁力和防止電磁力產生的諧振。采用變頻器本身提供正弦波輸出而無須使用外部輸出濾波器。這意味著變頻器只產生極少的失真電壓波形，其產生的電機噪音很小。對電動機的選型沒有特殊要求，使得電機的使用壽命大大提高。

3 實際應用效果

武鋼煉鐵廠出鐵口除塵風機以前采用液力耦合器調速，它屬低效調速方式，調速范圍有限，低速轉差損耗大，最高可達額定功率的15%，因效率與速度成正比，低速時效率極低，精度低、線性度差、響應慢，啟動電流大，裝置大，必須加裝在設備與電機之間，不適合改造；無法軟啟動，偶合器故障時，無法切換運行，維護復雜、費用大，不能滿足提高裝置整體自動化水平的需要。武鋼煉鐵廠現在采用HARSVERT-A系列的完美無諧波高壓變頻器調速，使啟動更加平穩，而在降速時，速度調節器的輸人為負，由于積分作用，速度調節器繼續處于飽和狀態，電動機的轉差頻率始終是最大負值，能夠合理控制制動過程中的減速轉矩，避免高轉差下增加電機的損耗，引起電機發熱。18個功率單元的使用使得對電網高次諧波污染極大減少，徹底避免了共模電壓對電機的危害。自投產以來，完美無諧波高壓變頻器能很好地滿足生產工藝的要求，設備運行穩定，故障率低，電耗低，使用中達到了良好的節能和環保效果。

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