IGBT直接串联高压变频器分析
吴加林
（佳灵电气制造有限公司，四川，成都，610043）
一、概述
目前，在低压变频调速技术方面，变频调速技术的运用已经比较成熟，但在高压方面，由于变频器的核心器件——功率器件耐压能力所限，造成了现在的高压变频器不像低压变频器那样具有成熟的、一致性的拓扑结构。组成高压变频器的功率器件的耐压能力在长时间内还不可能满足高压变频调速的需要。因此，如何解决高压变频器中的功率器件耐压能力问题，成为世界性难题。
二、以往几种高压变频器的主电路分析
（一）单元串联多重化电压源型高压变频器
单元串联多重化电压源型高压变频器利用低压单相变频器串联，弥补功率器件IGBT的耐压能力的不足。所谓多重化，就是每相由几个低压功率单元串联组成，各功率单元由一个多绕组的移相隔离变压器供电，用高速微处理器实现控制和以光导纤维隔离驱动。
其缺点是：
（1）使用的功率单元及功率器件数量太多，6kV系统要使用150只功率器件（90只二极管，60只IGBT），装置的体积、重量都太大，安装位置和基建投资成问题；
（2）所需高压电缆太多，系统的内阻无形中增大，接线太多，故障点相应的增多；
（3）一个单元损坏时，单元可旁路，但此时输出电压不平衡中心点的电压是浮动的，造成电压、电流不平衡，从而谐波也相应地增大，勉强运行时终究会导致电动机的损坏；
（4）输出电压波形在额定负载时尚好，低于25Hz以下畸变突出；
（5）由于系统中存在着变压器，系统效率再提高不容易实现；移相变压器中，6kV三相6绕组×3（10kV时需12绕组×3）延边三角形接法，在三相电压不平衡（实际上三相电压是不可能绝对平衡的）时，产生的内部环流，必将引起内阻的增加和电流的损耗，也相应地造成了变压器的铜损增大。此时，再加上变压器的铁芯的固有损耗，变压器的效率就会降低，也就影响了整个高压变频器的效率。这种情况在越低于额定负荷运行时，越显著。10kV时，变压器有近400个接头、近100根电缆。在额定负荷时效率可达96％，但在轻负荷时，效率低于90％。
（二）中性点钳位三电平PWM变频器
该系列变频器采用传统的电压型变频器结构。中性点钳位三电平PWM变频器的逆变部分采用传统的三电平方式，所以输出波形中会不可避免地产生比较大的谐波分量，这是三电平逆变方式所固有的。因此在变频器的输出侧必须配置输出LC滤波器才能用于普通的鼠笼型电机。同样由于谐波的原因，电动机的功率因数和效率、甚至寿命都会受到一定的影响，只有在额定工况点才能达到最佳的工作状态，但随着转速的下降，功率因数和效率都会相应降低。
（三）多电平＋多重化高压变频器
多电平＋多重化高压变频器的本意是想解决高压IGBT耐压有限的问题，但此种方式，不仅增加了系统的复杂性，而且降低了多重化冗余性能和三电平结构简单的优点，但是此类变频器实际上并不可取。
此类型变频器的性能、价格优势并不大，与其同时采用多电平和多重化两种技术，还不如采用前面提到的高压IGBT的多重化变频器或者三电平变频器。
（四）电流源型高压变频器
功率器件直接串联的电流源型高压变频器是在线路中串联大电感，再将SCR（或GTO、SGCT等）开关速度较慢的功率器件直接串联而构成的。
这种方式虽然使用功率器件少、易于控制电流，但是没有真正解决高压功率器件的串联问题。因为即使功率器件出现故障，由于大电感的限流作用，di/dt受到限制，功率器件虽不易损坏，但带来的问题是对电网污染严重、功率因数低，并且电流源型高压变频器对电网电压及电机负载的变化敏感，无法做成真正的通用型产品。
电流源型高压变频器是最早的产品，但凡是电压型变频器到达的地方，它都被迫退出，因为在经济上、技术上，它都明显处于劣势。
三、功率器件IGBT直接串联的真正、直接高压变频器
（一）主电路简介
如图1所示，图中系统由电网高压直接经高压断路器进入变频器，经过高压二极管全桥整流、直流平波电抗器和电容滤波，再通过逆变器进行逆变，加上正弦波滤波器，简单易行地实现高压变频输出，直接供给高压电动机。
图1 IGBT直接串联高压变频器
功率器件IGBT直接串联的二电平电压型高压变频器是采用变频器已有的成熟技术，应用独特而简单的控制技术成功设计出的一种无输入、输出变压器、IGBT直接串联逆变、输出效率达98％的高压调速系统。
对于需要快速制动的场合，采用直流放电制动装置，如图2所示。
图2 具有直流放电制动装置的IGBT直接串联高压变频器主电路图
如果需要四象限运行，以及需要能量回馈的场合，或输入电源侧短路容量较小时，也可采用如图3所示的PWM整流电路，使输入电流真正实现完美正弦波。
图3 具备能量回馈和四象限运行的IGBT直接串联高压变频器主电路图
（二）核心关键技术
1．高速功率器件的串联技术
根据查新，世界各国均未生产出IGBT直接串联的高压变频器。原因正如一些权威人士所言：“IGBT是不能串联的。因为开关时间短，微秒级，很难保证所有管子串联同时开关。否则有的早开，所有的电压都来加在晚开的管子上，那么这个1200V的管子加上6000V，只能烧掉，一烧一串，不可能串联。”
2．正弦波技术
高压电机对变频器的输出电压波形有严格的要求，是业内人士都知道的常识。佳灵公司解决变频器输出电压波形，从两方面着手：一是优化PWM波形；二是研制出特种滤波器。
过去一些人认为：“三电平的电压波形一定优于二电平，今后就是低压变频器也应采用三电平。”这种说法可能不太全面。三电平的总谐波含量可能低于二电平，但由于三电平的11次、13次谐波含量特别高，处理起来特别困难，而二电平只要波形优化得好，60次以下的谐波皆可大大降低。而对60次以上的谐波滤波自然容易得多。人们使用三电平是为避免器件串联的困难，不得已而为之。正如东北大学刘宗富教授所讲：“能用两点式谁会去用三点式呢？”
3．抗共模电压技术
仅解决IGBT的串联，并不能甩掉输入变压器，原因在于共模电压的存在。在低压变频器领域，近年来发现的电机轴承损坏，共模电压就是影响之一，在高压变频器的领域中，共模电压更是必须解决的关键问题之一。共模电压（也叫零序电压），是指电动机定子绕组的中心点和地之间的电压。
共模电压也是对外产生干扰的原因，特别是长线传输设备。无论是电流源还是电压源变频器产生共模电压是必然的。佳灵公司根据共模电压产生的机理，采取了“堵和疏”的办法将共模电压消灭在变频器内部。
由于采用了上述三项核心关键技术，使“佳灵”IGBT直接高压变频器的效率达到98％以上。输出电压正弦化、共模电压最小化。适用于任何异步电机、同步电机，无需降容使用，几公里的长线传输也无问题。对于传输距离太长时应考虑线路电压补偿，如提高电压或增大导线截面等。
（三）系统特点
（1）电压等级为3～10kV；
（2）系统自带专门设计的高压开关柜，与本身高压变频器高效安全配套，并含变/工频切换装置和电子式真空断路器；
（3）全中文操作界面，基于Windows操作平台，彩色液晶触摸屏，便于就地监控、设定参数、选择功能和调试；
（4）内置PLC可编程控制器，易于改变和扩展控制逻辑关系；
（5）高压主电路与低压控制电路采用光纤传输，安全隔离，使得系统抗干扰能力强；
（6）控制电路通讯方式采用全数字化通讯；
（7）系统的整流单元、逆变单元设计，选用组合模块化积木结构，整机占地面积小、重量轻，便于安装、维护；
（8）装置可在本机上操作，也可实现远距离外控，具备完善、方便的操作功能选择；
（9）系统具有标准的计算机通讯接口RS232或RS422、RS485，可方便地与用户DCS系统或工控系统组态建立整个系统的工作站，进一步提高系统的自动化控制程度，实现整个工控系统的全闭环监控，从而获得更加完善的、可靠自动化运行；
（10）具备全面的故障监测、可靠的故障报警保护功能；
（11）输入功率因数高，输出电压谐波含量小，无需功率因数补偿和谐波抑制器；
（12）输出电压为标准正弦波形，对电缆和电动机的绝缘无损害，减轻电动机的轴承和叶片等机械部分震动和磨损，延长电动机的使用寿命，输出至电动机的线缆长度可达20km；
（13）采用独特的抗共模电压技术，使系统中共模电压≤1000V，无需再提高电动机的绝缘等级，无需专用电机；
（14）易于实现能量回馈和四象限运行；并可直接引出直流进行直流输电；
（15）对用户的高压异步电动机无任何特殊要求。不但适用于新旧异步电动机，也适用于同步电动机。
（四）比较结果
与以往几种高压变频器相比较，结果如表1所示。
表1 高压变频器的比较
四、结论
（1）功率器件的耐压等级决定了高压变频器的主路结构，要想避开器件串联而要作出高压变频器，必然使线路复杂化，从而产生一系列严重的相关问题。
（2）IGBT器件的串联成功，使高压变频器同低压变频器形成相同的电路拓扑方式，因此成熟的低压变频器的一切控制策略均可用于高压变频器，特别是像低压变频器一样的控制简单是提高可靠性的关键。正如俗话所说：“愈简单，愈可靠。”
（3）针对高压电机的特殊要求，而在输出电压波形和共模电压的处理上的技术措施，使IGBT直接高压变频器的各项指标大大优于低压变频器。
（4）真正的“高-高”变频器是：一体化设计，体积小，方便安装调试。
IGBT直接串联高压变频器的成功，必将成为高压变频器的主流产品，为节能降耗、提高自动化水平发挥更大的作用。
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