0 引言

一種新型移相串聯(lián)式SPWM(正弦脈寬調(diào)制)高壓變頻器現(xiàn)已在北京新鉆石技術(shù)公司批量生產(chǎn)。Diamond-HV系列高壓變頻器，綜合了德國的生產(chǎn)工藝和北京新鉆石技術(shù)公司的技術(shù)研究開發(fā)的成果，它使用了高壓絕緣柵雙極晶體管(HV-IGBT)功率半導(dǎo)體器件以及全橋多級(jí)串聯(lián)的變頻技術(shù)。變頻器為模塊化設(shè)計(jì)，安全可靠。具有很低的諧波失真，并能直接驅(qū)動(dòng)高壓異步電動(dòng)機(jī)。下面主要介紹這一高壓變頻器。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1 所示為Diamond-HV 高壓變頻器，它由移相變壓器、功率模塊和控制器模塊三部分組成。移相串聯(lián)式高壓變頻器使用了三組單獨(dú)串聯(lián)的功率模塊，以便產(chǎn)生高壓輸出，其原理如圖2所示。

輸入的高壓電源接至絕緣的移相變壓器的一次繞組。變壓器有9個(gè)絕緣的二次繞組，這些二次繞組分別與功率模塊連接，功率模塊對(duì)電源電壓進(jìn)行整流和濾波，以形成直流(DC)高電壓。利用移相的正弦脈寬調(diào)制(SPWM)技術(shù)，將高的直流電壓逆變?yōu)樗桀l率的交流(AC)電壓，絕緣的成組AC 電壓輸出串聯(lián)連接一起，則形成Y接三相輸出電源，如圖2所示。對(duì)于典型的6 kV變頻器，每相將由3個(gè)1 275 V功率模塊串聯(lián)，形成3 825 V總的相電壓輸出。而線電壓約為6 600 V。每一功率模塊攜帶滿負(fù)荷電流，但它們僅提供1/9的輸出功率和1/3的相電壓。在這一設(shè)計(jì)中，串聯(lián)的功率模塊數(shù)和用于功率模塊中每一電力半導(dǎo)體器件的分級(jí)電壓，決定著該變頻器的輸出電壓。安裝的電力半導(dǎo)體器件的電流定額則為變頻器的最大輸出電流。功率模塊電路如圖3所示。

在高電壓應(yīng)用領(lǐng)域使用了多級(jí)串聯(lián)的電力半導(dǎo)體器件，為避免關(guān)系到多級(jí)串聯(lián)的開關(guān)定時(shí)故障，變頻器采用了高電壓大功率的串聯(lián)式功率模塊設(shè)計(jì)。

在此實(shí)例中，利用了300 V HV-IGBT的功率模塊，因?yàn)樗玫墓β誓K數(shù)量更少，使成本大幅下降。而且，含有較少的電力半導(dǎo)體器件的系統(tǒng)工作更可靠。

移相的多級(jí)串聯(lián)SPWM設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)，滿足了對(duì)輸入和輸出諧波含量的工業(yè)要求。

2 多繞組移相輸入設(shè)計(jì)

帶3 個(gè)Delta(D)連接和6 個(gè)延邊Delta 連接的二次繞組的三相移相、絕緣變壓器用作輸入變壓器，旨在將輸入電網(wǎng)的諧波減到最小。這9個(gè)二次繞組之中，3 個(gè)繞組的移相為+20°;3 個(gè)繞組的移相為0°;還有3個(gè)繞組移相為-20°。如圖4所示。

每個(gè)三相二次繞組電源分別接到功率模塊。該功率模塊通過三相橋整流將交流電壓變換為直流電壓，DC 電壓的波形是對(duì)稱的，且每隔π/3(60°)的電角度重復(fù)，因而具有6個(gè)臺(tái)階波形的特性。

當(dāng)把輸入電源移相為+20°、0°和-20°的每一組3 個(gè)功率模塊(共3 組)串聯(lián)在一起時(shí)，組合的串聯(lián)電壓A將具有18個(gè)臺(tái)階波形的特性，波形是對(duì)稱的，且每π/9(20°)角重復(fù)。18階的電壓波形只有(18n±1)次的諧波(n為正整數(shù)，也即諧波次數(shù)為17、19、35、37等)。由于這些諧波的次數(shù)高，故輸入電流波形接近于正弦波，總的諧波電流失真度(THD)低于3%，變頻器勿需任何笨重、昂貴的低通濾波器(LPF)。

功率模塊與帶儲(chǔ)能電容的三相二極管的橋式整流器結(jié)合，可提供較好的功率因數(shù)和較少的諧波失真。因電容器能供給電動(dòng)機(jī)所需的無功功率，功率因數(shù)可達(dá)到0.96甚至更高，沒有必要裝設(shè)附加的功率因數(shù)補(bǔ)償。

由于二極管整流器無法控制電角度，因開關(guān)切換操作或閃電導(dǎo)致浪涌(沖擊)電壓，將經(jīng)過變壓器穿通變頻器。如功率模塊在二極管整流器后接上大的電容器，則任何通過二極管的浪涌電流，將被電容器吸收并濾波，因而變頻器是安全的，能經(jīng)受住這樣的沖擊。

3 移相SPWM 輸出技術(shù)

變頻器在其功率模塊中利用了多重移相、多級(jí)串聯(lián)的SPWM技術(shù)，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的功率模塊將產(chǎn)生幅值和相位相同的同樣標(biāo)準(zhǔn)的基本輸出。3個(gè)功率模塊形成一組，每組功率模塊的載波信號(hào)按2π/3(120°)角交錯(cuò)移相(相位相互錯(cuò)開120°)。

3 個(gè)串聯(lián)的功率模塊將組合為多重移相、多級(jí)串聯(lián)SPWM的電壓輸出，其中含有關(guān)系到諧波的載波頻率(棕c)，關(guān)系到邊帶(Sideband)的調(diào)制頻率(棕)。由于載波頻率棕c 相對(duì)比較高，在輸出電壓中這些諧波藉電機(jī)額定的漏電感濾波，故輸出電壓實(shí)際會(huì)接近正弦波形，如圖5 所示。

按照這一設(shè)計(jì)，輸出電壓波形具有的諧波含量則低于2.33%。由于諧波含量低，諧波對(duì)電動(dòng)機(jī)感生的熱量，引發(fā)的噪音和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，均將大幅度減小。

為了降低開關(guān)損耗，功率模塊采用了低的開關(guān)頻率。因而，沒有必要附加浪涌吸收電路，變頻器的頻率大為改善。

反電動(dòng)勢(shì)(CEMF)是由同步旋轉(zhuǎn)的氣隙磁通波產(chǎn)生的。當(dāng)輸出電纜長度超過臨界值時(shí)，由于藉反射的CEMF 引起的過電壓而產(chǎn)生電壓波形的脈動(dòng)，可能損壞電動(dòng)機(jī)的絕緣。Diamond-HV高壓變頻器的輸出電壓變化速率(du/dt)低，第一電壓臺(tái)階的變化只有總的相電壓臺(tái)階變化的1/3。這一總的相電壓階躍值是由多重移相SPWM技術(shù)所期望達(dá)到的值。因此，絕緣損壞的風(fēng)險(xiǎn)就大大降低了。

4 通信和旁路技術(shù)

主要控制系統(tǒng)與功率模塊的通信是通過光(電)纜，低壓部分和高壓部分是完全絕緣的。所有功率模塊的外殼均接地，因此可減小電磁干擾(EMI)，確保系統(tǒng)的安全可靠。功率模塊連接簡(jiǎn)單，僅帶3 個(gè)輸入、2個(gè)輸出的高壓連接和4個(gè)光纜連接。

當(dāng)裝有備用功率模塊時(shí)，控制器可配置成在故障時(shí)將備用的功率模塊取代故障的功率模塊。

控制功能中還可以將負(fù)荷電源切換到直接輸入電源，以便維修時(shí)使變頻器旁路而勿需中斷工作。

5 控制器和接口

控制器模塊是對(duì)變頻器的系統(tǒng)控制。它操作控制所有的通信，包括通過光纜與功率模塊的信號(hào)接口。在控制器模塊內(nèi)部，它與可編程邏輯控制器(PLC)結(jié)合，以增加系統(tǒng)的靈活性。PLC 不僅處理邏輯信號(hào)的開關(guān)切換和操控，而且還配合協(xié)調(diào)現(xiàn)場(chǎng)的各種操作信號(hào)和狀態(tài)信號(hào)。

其它變頻器制造商使用了特殊設(shè)計(jì)的專用計(jì)算機(jī)或?qū)ｉT的工控機(jī)用于控制和通信。因?yàn)橛?jì)算機(jī)和控制器硬件及軟件不斷在升級(jí)，因此更新?lián)Q代時(shí)必須進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，這就降低了變頻系統(tǒng)的靈活性和可靠性。

可編程(序)的操作顯示終端及觸摸屏的輸入顯示單元，均被用于人/ 機(jī)操作接口，顯示器將顯示用于變頻器和電機(jī)的全部參數(shù)。為了簡(jiǎn)易方便和可靠地使用，這一輸入顯示單元能用中文和英文編成程序。該變頻器對(duì)大范圍的監(jiān)視及網(wǎng)絡(luò)控制提供了標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)接口。

控制器模塊為確保高壓變頻器的工作可靠性，采用了超大規(guī)模集成電路。移相的SPWM 技術(shù)保證在所有頻率范圍內(nèi)，電機(jī)的運(yùn)行是最佳的。

6 應(yīng)用領(lǐng)域與節(jié)能效果

Diamond-HV高壓變頻器操作簡(jiǎn)單，具有良好的控制性能。它廣泛應(yīng)用于諸如電力、石油化工、冶金、水泥和供水等各類工業(yè)領(lǐng)域。市場(chǎng)應(yīng)用包括任何大功率高壓變頻系統(tǒng)，配電控制系統(tǒng)，電氣設(shè)備緊急保護(hù)，電氣諧波探測(cè)以及遙控檢測(cè)和監(jiān)視系統(tǒng)等。

例如北京燕山石油精煉集團(tuán)中華Beiwu水廠安裝了Diamond-HV 高壓變頻器后，統(tǒng)計(jì)安裝前每天的耗電量為14 000 kW·h，安裝后每天的平均耗電則為9 000 kW·h，每天節(jié)約5 000 kW·h，這就是說，能量利用的改善將近36%。按每kW·h 最低0.6 元計(jì)算，每年將節(jié)約109.5萬元。

通過上面計(jì)算可知，變頻器的成本在半年左右的時(shí)間內(nèi)就能回收，而且安裝變頻器以后電機(jī)經(jīng)?？商幱谛∪萘窟\(yùn)轉(zhuǎn)。因此，利用這一變頻器系統(tǒng)，與原來的系統(tǒng)比較，節(jié)約的能量是巨大的。

隨著環(huán)保要求的日益提高，以及為滿足我們隨時(shí)增加的用電需求，會(huì)導(dǎo)致礦物石化燃料利用與成本的日益增加，因此進(jìn)行變頻改造勢(shì)在必行。

7 結(jié)語

Diamond-HV移相串聯(lián)式高壓變頻器設(shè)計(jì)新穎，結(jié)構(gòu)緊湊。它使用的零部件少，確保了工作的可靠性。它能提供一平衡的負(fù)荷并具有良好的線性度;變頻器操作簡(jiǎn)單，控制性能優(yōu)良。移相變壓器和移相SPWM的利用，確保了輸入/輸出諧波含量低以及輸出電壓變化率du/dt 小，最突出的特點(diǎn)是節(jié)能，且能很快收回成本。