0 引言

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

1 系統(tǒng)結構

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串聯(lián)的功率模塊，以便產生高壓輸出，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，功率模塊對電源電壓進行整流和濾波，以形成直流(DC)高電壓。利用移相的正弦脈寬調制(SPWM)技術，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。對于典型的6 kV變頻器，每相將由3個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。在這一設計中，串聯(lián)的功率模塊數(shù)和用于功率模塊中每一電力半導體器件的分級電壓，決定著該變頻器的輸出電壓。安裝的電力半導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。

在高電壓應用領域使用了多級串聯(lián)的電力半導體器件，為避免關系到多級串聯(lián)的開關定時故障，變頻器采用了高電壓大功率的串聯(lián)式功率模塊設計。

在此實例中，利用了300 V HV-IGBT的功率模塊，因為所用的功率模塊數(shù)量更少，使成本大幅下降。而且，含有較少的電力半導體器件的系統(tǒng)工作更可靠。

移相的多級串聯(lián)SPWM設計的實現(xiàn)，滿足了對輸入和輸出諧波含量的工業(yè)要求。

2 多繞組移相輸入設計

帶3 個Delta(D)連接和6 個延邊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個二次繞組之中，3 個繞組的移相為+20°;3 個繞組的移相為0°;還有3個繞組移相為-20°。如圖4所示。

每個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 電壓的波形是對稱的，且每隔π/3(60°)的電角度重復，因而具有6個臺階波形的特性。

當把輸入電源移相為+20°、0°和-20°的每一組3 個功率模塊(共3 組)串聯(lián)在一起時，組合的串聯(lián)電壓A將具有18個臺階波形的特性，波形是對稱的，且每π/9(20°)角重復。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)。

功率模塊與帶儲能電容的三相二極管的橋式整流器結合，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機所需的無功功率，功率因數(shù)可達到0.96甚至更高，沒有必要裝設附加的功率因數(shù)補償。

由于二極管整流器無法控制電角度，因開關切換操作或閃電導致浪涌(沖擊)電壓，將經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，能經受住這樣的沖擊。

3 移相SPWM 輸出技術

變頻器在其功率模塊中利用了多重移相、多級串聯(lián)的SPWM技術，一個標準的功率模塊將產生幅值和相位相同的同樣標準的基本輸出。3個功率模塊形成一組，每組功率模塊的載波信號按2π/3(120°)角交錯移相(相位相互錯開120°)。

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

按照這一設計，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，諧波對電動機感生的熱量，引發(fā)的噪音和轉矩脈動，均將大幅度減小。

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

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

4 通信和旁路技術

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。功率模塊連接簡單，僅帶3 個輸入、2個輸出的高壓連接和4個光纜連接。

當裝有備用功率模塊時，控制器可配置成在故障時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荷電源切換到直接輸入電源，以便維修時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接口。在控制器模塊內部，它與可編程邏輯控制器(PLC)結合，以增加系統(tǒng)的靈活性。PLC 不僅處理邏輯信號的開關切換和操控，而且還配合協(xié)調現(xiàn)場的各種操作信號和狀態(tài)信號。

其它變頻器制造商使用了特殊設計的專用計算機或專門的工控機用于控制和通信。因為計算機和控制器硬件及軟件不斷在升級，因此更新?lián)Q代時必須進行相應的調整，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/ 機操作接口，顯示器將顯示用于變頻器和電機的全部參數(shù)。為了簡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。該變頻器對大范圍的監(jiān)視及網(wǎng)絡控制提供了標準的工業(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 技術保證在所有頻率范圍內，電機的運行是最佳的。

6 應用領域與節(jié)能效果

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

例如北京燕山石油精煉集團中華Beiwu水廠安裝了Diamond-HV 高壓變頻器后，統(tǒng)計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 元計算，每年將節(jié)約109.5萬元。

通過上面計算可知，變頻器的成本在半年左右的時間內就能回收，而且安裝變頻器以后電機經?？商幱谛∪萘窟\轉。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增加的用電需求，會導致礦物石化燃料利用與成本的日益增加，因此進行變頻改造勢在必行。

7 結語

Diamond-HV移相串聯(lián)式高壓變頻器設計新穎，結構緊湊。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荷并具有良好的線性度;變頻器操作簡單，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，最突出的特點是節(jié)能，且能很快收回成本。