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高压大功率变频器的研制及应用
1 引言
山东风光电子有限公司是在多年研制中低压变频器的基础上，综合了国内外高压大功率变频器的多种方案的优缺点，采用最优方案研制成功的，并于2002年12月通过了省级科技成果及产品鉴定，成为国内生产高压大功率变频器的为数较少的几个企业之一。
2 国内现生产的高压大功率变频器的方案及优缺点
目前，国内生产的高压大功率变频器中，以2种方案占主流:一种是功率单元串联形成高压的多重化技术;另一种是采用高压模块的三电平结构。而其他的采用高-低-高方案的，由于输出升压变压器技术难度高，成本高，占地面积大，都已基本被淘汰。因此采用高-高方案是高压大功率变频器的主要发展方向。
而高-高方案又分为多重化技术(简称csml)和三电平(简称npc)方案，目前有的厂家生产的高压大功率变频器是采用的三电平方案，而大多数厂家则是采用低压模块、多单元串联的多重化技术。这2种方案比较，各有优缺点，主要表现在:
(1) 器件
采用csml方式，器件数量较多，但都是低压器件，不但价格低，而且易购置，更换方便。低压器件的技术也较成熟。而npc方案，采用器件少，但成本高，且购置困难，维修不方便。
(2) 均压问题(包括静态均压和动态均压)
均压是影响高压变频器的重要因素。采用npc方式，当输出电压较高时(如6kv)，单用单个器件不能满足耐压要求，必须采用器件直接串联，这必然带来均压问题，失去三电平结构在均压方面的优势，系统的可靠性也将受到影响。而采用csml方案则不存在均压问题。唯一存在的是当变频器处于快速制动时，电动机处于发电制动状态，导致单元内直流母线电压上升，各单元的直流母线电压上升程度可能存在差异，通过检测功率单元直流母线电压，当任何单元的直流母线电压超过某一阈值时，自动延长减速时间，以防止直流母线电压上升，即所谓的过压失速防止功能。这种技术在低压变频器中被广泛采用，非常成功。
(3) 对电网的谐波污染和功率因数
由于csml方式输入整流电路的脉波数超过npc方式，前者在输入谐波方面的优势很明显，因此在综合功率因数方面也有一定的优势
(4) 输出波形
npc方式输出相电压是三电平，线电压是五电平。而csml方式输出相电压为11电平，线电压为21电平(对五单元串联而言)，而且后者的等效开关频率大大高于前者，所以后者在输出波形的质量方面也高于前者。
(5) dv/dt
npc方式的输出电压跳变台阶为高压直流母线电压的一半，对于6kv输出变频器而言，为4kv左右。csml方式输出电压跳变台阶为单元的直流母线电压，不会超过1kv，所以前者比后者的差距也是很明显的。
(6) 系统效率
就变压器与逆变电路而言，npc方式与csml方式效率非常接近。但由于输出波形质量差异，若采用普通电机，前者必须设置输出滤波器，后者不必。而滤波器的存在大约会影响效率的0.5%左右。
(7) 四象限运行
npc方式当输入采用对称的pwm整流电路时，可以实现四象限运行，可用于轧机、卷扬机等设备;而csml方式则无法实现四象限运行。只能用于风机、水泵类负载。
(8) 冗余设计
npc方式的冗余设计很难实现，而csml方式可以方便的采用功率单元旁路技术和冗余功率单元设计方案，大大的有利于提高系统的可靠性。
(9) 可维护性
除了可靠性之外，可维护性也是衡量高压大功率变频器的优劣的一个重要因素，csml方式采用模块化设计，更换功率单元时只要拆除3个交流输入端子和2个交流输出端子，以及1个光纤插头，就可以抽出整个单元，十分方便。而npc方式就不那么方便了。
总之，三电平电压形变频器结构简单，且可作成四象限运行的变频器，应用范围宽。如电压等级较高时，采用器件直接串联，带来均压问题，且存在输出谐波和dv/dt等问题，一般要设置输出滤波器，在电网对谐波失真要求较高时，还要设置输入滤波器。而多重化pwm电压型变频器不存在均压问题，且在输入谐波及dv/dt等方面有明显优势。对于普通的风机、水泵类一般不要求四象限运行的场合，csml变频器有较广阔的应用前景。这类变频器又被国内外设计者称之为完美无谐波变频器。
我公司的设计人员经过多方探讨，综合各种方案的优缺点，最后选定了完美无谐波变频器的csml方案作为我们的最佳选择，这就是我们向市场推出的jd-bp37和jd-bp38系列的高压大功率变频器。
3 变频器的性能特点
(1) 变频器采用多功率单元串联方案，输出波形失真小，可配接普通交流电机，无须输出滤波器。
(2) 输入侧采用多重化移相整流技术，电流谐波小，功率因数高。
(3) 控制器与功率单元之间的通信用多路并行光纤实现，提高了抗干扰性及可靠性。
(4) 控制器中采用一套独立于高压源的电源供电系统，有利于整机调试和操作人员的培训。
(5) 采用全中文的windows彩色液晶显示触摸界面。
(6) 主电路模块化设计，安装、调试、维护方便。
(7) 完整的故障监测和报警保护功能。
(8) 可选择现场控制、远程控制。
(9) 内置pid调节器，可开环或闭环运行。
(10) 可根据需要打印输出运行报表。
4 工作原理
4.1 基本原理
本变频器为交-直-交型单元串联多电平电压源变频调速器，原理框图如图1所示。单元数的多少视电压高低而定，本处以每相为8单元，共24单元为例。每个功率单元承受全部的电机电流、1/8的相电压、1/24的输出功率。24个单元在变压器上都有自立独立的三相输入绕组。功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘。二次绕组采用延边三角形接法，目的是实现多重化，降低输入电流的谐波成分。24个二次绕组分成三相位组，互差为20°,以b相为基准，a相8个单元对应的8个二次绕组超前b相20°，c相8个单元对应的8个二次绕组落后b相20°，形成18脉冲整流电路结构。整机原理图如图2所示。
4.2 功率单元电路
图1 方案原理框图
图2 整机原理图（为了简明，图中仅画了18单元）
所有单元都有6支二极管实现三相全波整流，有4个igbt管构成单相逆变电路。功率单元的主电路如图3所示，4个igbt管分别用t1、t2、t3、t4表示，它们的门极电压分别是ug1、ug2、ug3、ug4、
每个功率单元的输出都是一样的pwm波。功率单元输出波形如图4所示。逆变器采用多电平移相pwm技术。同一相的功率单元输出完全相同的基准电压(同幅度、同频率、同相位)。多个单元迭加后的 输出波形如图5所示。
4.3 系统结构与控制
(1) 系统结构
整个系统有隔离变压器、3个变频柜和1个控制柜组成，参见图6。
图3 功率单元主回路
图4 单元电路波形图
图5 6个单元输出迭加后的波形
图6 系统结构图
a) 隔离变压器
原边为星形接法，副边共有24个独立的三相绕组，为了适应现场的电网情况，变压器原边留有抽头
b) 变频柜
a、b、c三相分装在3个柜内，可分别称为a柜、b柜、c柜
c) 控制柜
柜内装有控制系统，柜前板上装有控制面板、控制接线排等。由于电压等级和容量的不同，不同机型的单元的数量不同，面板的布置也会有些不同。
4.4 系统控制
整机控制系统有16位单片机担任主控，24个功率单元都有一个自己的辅助cpu，由8位单片机担任，此外还有一个cpu，也是8位单片机，负责管理键盘和显示屏。
(1) 利用三次谐波补偿技术提高了电源电压利用率。
(2) 控制器有一套独立于高压电源的供电体系，在不加高压的情况下，设备各点的波形与加高压情况相同，这给整机可靠性、调试带来了很大方便。
(3) 系统采用了先进的载波移相技术，它的特点是单元输出的基波相迭加、谐波彼此相抵消。所以串联后的总输出波形失真特别小。
5 现场应用
本公司分别于2002年8月、10月和2003年3月、4月 分别在山东莱芜钢铁股份有限公司炼铁厂、辽河油田锦州采油厂、浙江永盛化纤有限公司应用了本公司生产的高压大功率变频器jd-bp37-630f 2台、jd-bp38-355、jd-bp37-550f各1台。从运行情况看:
(1) 变频器结构紧凑，安装简单
由于变频器所有部分都装在柜里，不需要另外的电抗器、滤波器、补偿电容、启动设备等一系列其他装置，所以体积小，结构紧凑，安装简单，现场配线少，调试方便。
(2) 电机及机组运行平稳，各项指标满足工艺要求。
由变频器拖动的电机均为三相普通的异步电动机，在整个运行范围内，电机始终运行平稳，温升正常。风机启动时的噪音及启动电流很小，无任何异常震动和噪音。在调速范围内，轴瓦的最高温升均在允许的范围内。
(3) 变频器三相输出波形完美，非常接近正弦波。
经现场测试，变频器的三相输出电压波形、电流波形非常标准，说明变频器完全可以控制一般的普通电动机运行，对电机无特殊要求。
(4) 变频器运行情况稳定，性能良好。
该设备投运以来，变频器运行一直十分稳定。设备运行过程中，我公司技术人员对变频器输入变压器的温升，功率单元温升定期巡检，完全正常。输出电压及电流波形正弦度很好，谐波含量极少，效率均高于97%，优于同类进口设备。
(5) 运行工况改善，工人劳动强度降低。
变频器可随着生产的需要自动调节电动机的转速，达到最佳效果，工人工作强度大大降低。
(6) 变频器操作简单，易于掌握及维护。
变频器的起停，改变运行频率等操作简便，操作人员经过半个小时培训就可以全面掌握。另外，变频器各种功能齐全，十分完善，提高了设备可靠性，而且节电效果明显。以山东莱钢股份有限公司应用的jd-bp37-630f变频器为例，该系统生产周期大约为1h，出铁时间为20min，间隔约40min，系统配置电机的额定电流为80a，根据运行情况，及其它生产线的实际运行情况，预计该电机运行电流应在60a，以变频器上限运行频率45hz时，电流为45a，间隔时间运行频率20hz时，电流为20a。根据公式测算节能效果达到42.7%。
6 结束语
从这几台这几个月的运行情况看，我公司自行研制生产的高压大功率变频器，运行稳定可靠，节能效果显著，改善了工作人员的工作环境，降低了值班人员的劳动强度。变频器对电机保护功能齐全，减少了维修费用，延长了电机及风机的使用寿命，给用户带来了显著的经济效益，深得用户好评。据专家估计我们国家6kv以上的高压大功率电机约有3万多台，约合650万kw，因此，高压大功率变频器的市场是极其广阔的。
参考文献
[1] 徐甫荣. 大功率风机水泵调速节能运行的技术经济分析[j]. 变频器世界,2001,(8).
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