探究完美无谐波高压变频器的原理及应用

　　我国有大量的功率传动机械，年耗电量约占工业总耗电量的50%。传统的调速方式效率极低，现代电力电子技术及计算机控制技术的迅速发展促进了电气传动的技术革命。交流调速取代直流调速，大功率电力电子变流技术发展迅速。电力电子变流是个交叉的学科，它是指用现代电力电子技术（电力学、电子学、控制论）来实现交流变直流，和直流变交流。他对于现在科技的发展、节能、机车的运行等有着重要的作用。

　　近年来高压变频调速系统多采用单元级联多电平叠加输出技术。变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。随着现代电力电子技术和微电子技术的迅猛发展，高压大功率变频调速装置不断地成熟起来，原来一直难于解决的高压问题，近年来通过器件串联或单元串联得到了很好的解决。其应用的领域和范围也越来越为大，这使得高效、合理地利用能源（尤其是电能）成为了可能。电机是国民经济中主要的耗电大户，高压大功率的更为突出，而这些设备大部分都有节能的潜力。大力发展高压大功率变频调速技术，将是时代赋予我们的一项神圣使命，而这一使命也将具有深远的意义。高压大功率变频调速装置被广泛地应用于大型矿泉水应用生产厂、石油化工、市政供水、冶金钢铁、电力能源等行业的各种风机、水泵、压缩机、轧钢机等。

　　在冶金、化工、电力、市政供水和采矿等行业广泛应用的泵类负载，占整个用电设备能耗的40%左右，电费在自来水厂甚至占制水成本的50%。这是因为：一方面，设备在设计时，通常都留有一定的余量；另一方面，由于工况的变化，需要泵机输出不同的流量。随着市场经济的发展和自动化，智能化程度的提高，采用高压变频器对泵类负载进行速度控制，不但对改进工艺、提高产品质量有好处，又是节能和设备经济运行的要求，是可持续发展的必然趋势。对泵类负载进行调速控制的好处甚多。从应用实例看，大多已取得了较好的效果（有的节能高达30%-40%），大幅度降低了自来水厂的制水成本，提高了自动化程度，且有利于泵机和管网的降压运行，减少了渗漏、爆管，可延长设备使用寿命。

　　1 高压变频器分类

　　输出3~13.8 kV电压的变频器在国内称为高压变频器，在国外称为中压变频器。高压主要是与低压变频器相对而言的，国内常用的电压等级为3 300 V、4 160 V、6 000 V，其分类方式有3种：

　　（1）按输出电压方式分为：高高型，直接输出高压，变频器输出没有升压变压器；高低高型，中间使用低压变频器，后面为升压变压器。

　　（2）按中间环节类型分为：电压源，中间直流环节为电容；电流源，中间直流环节为电感。

　　（3）按逆变器电路结构形式分为：三电平（中心点钳位）和GTO/SGCT电流源型逆变器。

　　完美无谐波高压变频器是基于功率单元电压串联电路结构形式。一般高压变频器拓扑结构都由三部分组成：整流电路将输入交流变为直流；中间为直流环节，它用于滤波和能量储存；逆变电路又把直流逆变为交流，并对输出的电压或电流和频率进行协调控制。

　　2 完美无谐波高压变频器设计原理和运行特性

　　2.1 设计原理

　　完美无谐波高压变频器采用隔离变压器和电力电子部分集成一体式设计，具有体积小，安装方便等优点，是目前整体尺寸的变频器。其10 kV的电网电压经过干式隔离变压器降为6 kV后，再经过副边多重化的隔离变压器降压后给功率单元供电。功率单元为三相输人、单相输出的交直流PWM 电压源逆变器结构，相邻功率单元串联起来，形成Y型结构，实现变压变频的高压输出，供给高压电动机。以6 kV输出电压等级为例，每相由5个额定电压为690 V的功率单元串联而成，输出相电压可达3 450 V，线电压达6 kV左右，改变每相功率单元的串联个数或功率单元的电压等级，就可以实现不同电压等级的高压输出。其设计原理如图1所示。

　　2.2 功率单元模块化

　　为了便于生产和维修，完美元谐波高压变频器采用了功率单元模块化方式。功率单元模块的电路如图2所示。它是由熔断器、三相桥式整流器、直流滤波电容及IGBT单相全桥逆变器组成的电压型功率单元。单元中的直流滤波电容要足够大，以使变频器可以承受30％的电源电压下降和5个周波的电源电压失电。功率单元为三相输入单相输出的交-直-交PWM电压源型变频器，移相变压器的副边输出三相交流电经功率单元的三相二极管整流后，经滤波电容形成平直的直流电，再经过四个IGB1构成的H型单相逆变桥，实现PWM控制。逆变器输出采用多电平移相式PWM技术，同一相的功率单元，输出相同幅值和相位的基波电压，但串联各单元的载波之间互相错开一定电角度，实现多电平PWM，叠加以后输出电压的等效开关频率和电平数大大增加，输出电压非常接近正弦波。

　　整流桥采用三相不可控全桥，逆变器为基本的交-直-交单相逆变电路，通过IGBT逆变桥进行正弦PWM控制，即脉冲宽度调制。通过控制电力电子器件的通断时间及通断次序将直流电压转换为一系列宽度不等的矩形电压脉冲。

　　每个功率单元分别由输入变压器的一组副边供电，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，实现多重化，以达到降低输入谐波电流的目的。对10 kV电压等级变压器来说，给27个功率单元供电的27个二次绕组，每3个一组，分为9个不同的相位组，互差6.7°电角度，形成54脉冲的整流电路结构，可有效地抵消53次以下的谐波，输入电流波形接近正弦波，总的谐波电流失真可达到1％左右。

　　2.3 运行特性

　　（1）在输入容量不大于变频器额定容量的情况下也能满足工作要求。能使其他在线设备免受谐波干扰，同时防止与其他调速装置发生串扰。无需滤波器，变频器就可输出正弦电流和电压波形，对电机没有特殊的要求，可以使用普通异步电动机，电机不必降额使用，具有软启动功能，没有电机启动冲击引起的电网电压下跌，可保证电机安全、长期运行。

　　（2）变频装置输出波形不会引起电机的谐振，转矩脉动小于0.1%，可避免风机喘振现象，变频器有共振点频率跳跃功能。变频装置对输出电缆长度无任何要求，电机不会受到共模电压和dv/dt的影响。可在输出不带电机的情况下进行空载调试，也可在没有10 kV高压情况下用低压电进行空载调试。采用无速度传感器矢量控制，起动转矩可达150%。变频器对电网电压波动有极强的适应能力，在10%范围内变频器能满载工作，在45%的电压下降情况下变频器能继续运行而不跳闸。

　　（3）完美无谐波系列变频器谐波分量小，功率因数很高，无需进行功率补偿。一般来说用变频器传动电机同用工频传动相比，由于变频器输出波形中含有高次谐波的影响，电动机的功率因数、效率将劣化。另一方面，变频器传动时要得到与工频电源传动相同的转矩特性，变频器的输出电压的基波有效值要等于工频电源的有效值。完美无谐波变频器的变压器次级绕组在绕制时相互之间有一定的相位差，产生相移消除谐波电流，能够获取几近完美的正弦输入电流，使得其功率因数在整个调速范围内，无须使用外部功率因数补偿电容即可超过95%。

　　（4）能输出几近完美的正弦波电压。用变频器进行电动机调速运转，由于运转频率的变化，基波分量、高次谐波分量也在很广范围内变化，电动机各部的谐波增加，会使口噪声振动增大，引起电动机转矩脉动，其对策主要是抑制产生的电磁力和防止电磁力产生的谐振。采用变频器本身提供正弦波输出而无须使用外部输出滤波器。这意味着变频器只产生极少的失真电压波形，其产生的电机噪音很小。

　　3 实际应用效果

　　武钢炼铁厂出铁口除尘风机以前采用液力耦合器调速，它属低效调速方式，调速范围有限，低速转差损耗大，可达额定功率的15%，因效率与速度成正比，低速时效率极低，低、线性度差、响应慢，启动电流大，装置大，必须加装在设备与电机之间，不适合改造；无法软启动，偶合器故障时，无法切换运行，维护复杂、费用大，不能满足提高装置整体自动化水平的需要。武钢炼铁厂现在采用HARSVERT-A系列的完美无谐波高压变频器调速，使启动更加平稳，而在降速时，速度调节器的输人为负，由于积分作用，速度调节器继续处于饱和状态，电动机的转差频率始终是负值，能够合理控制制动过程中的减速转矩，避免高转差下增加电机的损耗，引起电机发热。