摘  要： 完美無(wú)諧波高壓變頻器具有調(diào)速精度高、功率因數(shù)高、完美無(wú)諧波且節(jié)能效果顯著等特點(diǎn)。介紹了完美無(wú)諧波高壓變頻器原理，對(duì)其運(yùn)行特性進(jìn)行了分析，實(shí)際應(yīng)用中效果良好。
關(guān)鍵詞： 完美無(wú)諧波；高壓變頻器；功率單元模塊化

    我國(guó)有大量的功率傳動(dòng)機(jī)械，年耗電量約占工業(yè)總耗電量的50%。傳統(tǒng)的調(diào)速方式效率極低，現(xiàn)代電力電子技術(shù)及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的迅速發(fā)展促進(jìn)了電氣傳動(dòng)的技術(shù)革命。交流調(diào)速取代直流調(diào)速，大功率電力電子變流技術(shù)發(fā)展迅速。在交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域，大容量的高壓變頻調(diào)速技術(shù)得到了普遍應(yīng)用，成為當(dāng)今節(jié)約電能、改善生產(chǎn)工藝流程、提高產(chǎn)品質(zhì)量及改善運(yùn)行環(huán)境的一種主要手段，其技術(shù)和性能勝過(guò)其他任何一種調(diào)速方式。
近年來(lái)高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)多采用單元級(jí)聯(lián)多電平疊加輸出技術(shù)。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(shù)比較好地解決了半導(dǎo)體耐高壓的問(wèn)題，減小了脈動(dòng)力矩，功率因數(shù)也較高，電壓沖擊小，諧波量很小。完美無(wú)諧波高壓變頻器具有下述優(yōu)點(diǎn)：體積小、可靠性高、高壓直接輸出，屬于高高結(jié)構(gòu)，沒有升壓變壓器；輸入功率因數(shù)在0.95以上，無(wú)需功率因數(shù)補(bǔ)償；正弦波輸入，無(wú)需濾波器，采用單元串聯(lián)多電平PWM專利技術(shù)，正弦輸出波形(無(wú)需輸出濾波器)幾乎完美，適用普通電動(dòng)機(jī)；應(yīng)用功率單元自動(dòng)旁路技術(shù)，無(wú)間斷運(yùn)行；采用內(nèi)部干式變壓器和功率單元模塊化設(shè)計(jì)，維護(hù)方便；實(shí)現(xiàn)全數(shù)字控制；系統(tǒng)總效率高達(dá)97%。因此，完美無(wú)諧波高壓變頻器被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。
1 高壓變頻器分類
    輸出3~13.8 kV電壓的變頻器在國(guó)內(nèi)稱為高壓變頻器，在國(guó)外稱為中壓變頻器。高壓主要是與低壓變頻器相對(duì)而言的，國(guó)內(nèi)常用的電壓等級(jí)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(huán)節(jié)類型分為：電壓源，中間直流環(huán)節(jié)為電容；電流源，中間直流環(huán)節(jié)為電感。
    (3)按逆變器電路結(jié)構(gòu)形式分為：三電平(中心點(diǎn)鉗位)和GTO/SGCT電流源型逆變器。
完美無(wú)諧波高壓變頻器是基于功率單元電壓串聯(lián)電路結(jié)構(gòu)形式。一般高壓變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都由三部分組成：整流電路將輸入交流變?yōu)橹绷鳎恢虚g為直流環(huán)節(jié)，它用于濾波和能量?jī)?chǔ)存；逆變電路又把直流逆變?yōu)榻涣?，并?duì)輸出的電壓或電流和頻率進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。變頻器一般有5個(gè)獨(dú)立的部件，即輸入濾波器、功率因數(shù)補(bǔ)償、隔離變壓器、變頻裝置和輸出濾波器。
2 完美無(wú)諧波高壓變頻器設(shè)計(jì)原理和運(yùn)行特性
2.1 設(shè)計(jì)原理
    完美無(wú)諧波系列的高壓變頻器(單元串聯(lián)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(gè)低壓PWM變頻功率單元串聯(lián)的方式直接高壓輸出，該變頻器具有諧波分量少、功率因數(shù)高、輸出波形質(zhì)量好等特點(diǎn)，不存在諧波引起的電動(dòng)機(jī)附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、噪音。其10 kV的電網(wǎng)電壓經(jīng)過(guò)干式隔離變壓器降為6 kV后，再經(jīng)過(guò)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(jié)構(gòu)，相鄰功率單元串聯(lián)起來(lái)，形成Y型結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)變壓變頻的高壓輸出，供給高壓電動(dòng)機(jī)。以6 kV輸出電壓等級(jí)為例，每相由5個(gè)額定電壓為690 V的功率單元串聯(lián)而成，輸出相電壓最高可達(dá)3 450 V，線電壓達(dá)6 kV左右，改變每相功率單元的串聯(lián)個(gè)數(shù)或功率單元的電壓等級(jí)，就可以實(shí)現(xiàn)不同電壓等級(jí)的高壓輸出。其設(shè)計(jì)原理如圖1所示。

2.2 功率單元模塊化
    為了便于生產(chǎn)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(gè)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(jīng)功率單元的三相二極管整流后，經(jīng)濾波電容形成平直的直流電，再經(jīng)過(guò)四個(gè)IGB1構(gòu)成的H型單相逆變橋，實(shí)現(xiàn)PWM控制。逆變器輸出采用多電平移相式PWM技術(shù)，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(lián)各單元的載波之間互相錯(cuò)開一定電角度，實(shí)現(xiàn)多電平PWM，疊加以后輸出電壓的等效開關(guān)頻率和電平數(shù)大大增加，輸出電壓非常接近正弦波。每個(gè)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(chǎn)生。

    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(guò)IGBT逆變橋進(jìn)行正弦PWM控制，即脈沖寬度調(diào)制。通過(guò)控制電力電子器件的通斷時(shí)間及通斷次序?qū)⒅绷麟妷恨D(zhuǎn)換為一系列寬度不等的矩形電壓脈沖。
    每個(gè)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(shí)現(xiàn)多重化，以達(dá)到降低輸入諧波電流的目的。對(duì)10 kV電壓等級(jí)變壓器來(lái)說(shuō)，給27個(gè)功率單元供電的27個(gè)二次繞組，每3個(gè)一組，分為9個(gè)不同的相位組，互差6.7°電角度，形成54脈沖的整流電路結(jié)構(gòu)，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(dá)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(shù)可達(dá)到0.99以上。
2.3 運(yùn)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(shè)備免受諧波干擾，同時(shí)防止與其他調(diào)速裝置發(fā)生串?dāng)_。無(wú)需濾波器，變頻器就可輸出正弦電流和電壓波形，對(duì)電機(jī)沒有特殊的要求，可以使用普通異步電動(dòng)機(jī)，電機(jī)不必降額使用，具有軟啟動(dòng)功能，沒有電機(jī)啟動(dòng)沖擊引起的電網(wǎng)電壓下跌，可保證電機(jī)安全、長(zhǎng)期運(yùn)行。
    (2)變頻裝置輸出波形不會(huì)引起電機(jī)的諧振，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小于0.1%，可避免風(fēng)機(jī)喘振現(xiàn)象，變頻器有共振點(diǎn)頻率跳躍功能。變頻裝置對(duì)輸出電纜長(zhǎng)度無(wú)任何要求，電機(jī)不會(huì)受到共模電壓和dv/dt的影響?？稍谳敵霾粠щ姍C(jī)的情況下進(jìn)行空載調(diào)試，也可在沒有10 kV高壓情況下用低壓電進(jìn)行空載調(diào)試。采用無(wú)速度傳感器矢量控制，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩可達(dá)150%。變頻器對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)有極強(qiáng)的適應(yīng)能力，在10%范圍內(nèi)變頻器能滿載工作，在45%的電壓下降情況下變頻器能繼續(xù)運(yùn)行而不跳閘?？刂葡到y(tǒng)采用全數(shù)字微機(jī)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(wú)諧波系列變頻器諧波分量小，功率因數(shù)很高，無(wú)需進(jìn)行功率補(bǔ)償。一般來(lái)說(shuō)用變頻器傳動(dòng)電機(jī)同用工頻傳動(dòng)相比，由于變頻器輸出波形中含有高次諧波的影響，電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)、效率將劣化。另一方面，變頻器傳動(dòng)時(shí)要得到與工頻電源傳動(dòng)相同的轉(zhuǎn)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(wú)諧波變頻器的變壓器次級(jí)繞組在繞制時(shí)相互之間有一定的相位差，產(chǎn)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(shù)在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)，無(wú)須使用外部功率因數(shù)補(bǔ)償電容即可超過(guò)95%。
    (4)能輸出幾近完美的正弦波電壓。用變頻器進(jìn)行電動(dòng)機(jī)調(diào)速運(yùn)轉(zhuǎn)，由于運(yùn)轉(zhuǎn)頻率的變化，基波分量、高次諧波分量也在很廣范圍內(nèi)變化，電動(dòng)機(jī)各部的諧波增加，會(huì)使口噪聲振動(dòng)增大，引起電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，其對(duì)策主要是抑制產(chǎn)生的電磁力和防止電磁力產(chǎn)生的諧振。采用變頻器本身提供正弦波輸出而無(wú)須使用外部輸出濾波器。這意味著變頻器只產(chǎn)生極少的失真電壓波形，其產(chǎn)生的電機(jī)噪音很小。對(duì)電動(dòng)機(jī)的選型沒有特殊要求，使得電機(jī)的使用壽命大大提高。
3 實(shí)際應(yīng)用效果
    武鋼煉鐵廠出鐵口除塵風(fēng)機(jī)以前采用液力耦合器調(diào)速，它屬低效調(diào)速方式，調(diào)速范圍有限，低速轉(zhuǎn)差損耗大，最高可達(dá)額定功率的15%，因效率與速度成正比，低速時(shí)效率極低，精度低、線性度差、響應(yīng)慢，啟動(dòng)電流大，裝置大，必須加裝在設(shè)備與電機(jī)之間，不適合改造；無(wú)法軟啟動(dòng)，偶合器故障時(shí)，無(wú)法切換運(yùn)行，維護(hù)復(fù)雜、費(fèi)用大，不能滿足提高裝置整體自動(dòng)化水平的需要。武鋼煉鐵廠現(xiàn)在采用HARSVERT-A系列的完美無(wú)諧波高壓變頻器調(diào)速，使啟動(dòng)更加平穩(wěn)，而在降速時(shí)，速度調(diào)節(jié)器的輸人為負(fù)，由于積分作用，速度調(diào)節(jié)器繼續(xù)處于飽和狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差頻率始終是最大負(fù)值，能夠合理控制制動(dòng)過(guò)程中的減速轉(zhuǎn)矩，避免高轉(zhuǎn)差下增加電機(jī)的損耗，引起電機(jī)發(fā)熱。18個(gè)功率單元的使用使得對(duì)電網(wǎng)高次諧波污染極大減少，徹底避免了共模電壓對(duì)電機(jī)的危害。自投產(chǎn)以來(lái)，完美無(wú)諧波高壓變頻器能很好地滿足生產(chǎn)工藝的要求，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，故障率低，電耗低，使用中達(dá)到了良好的節(jié)能和環(huán)保效果。
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