高压大功率变频器在钢铁厂的应用

按国际惯例和我国国家标准对电压等级的划分，对供电电压≥10kV时称高压，1kV～10kV时称中压。我们习惯上也把额定电压为6kV或3kV的电机称为“高压电机”。高压电动机在工矿企业中应用极为广泛，在冶金、钢铁、化工、水处理等行业中，用于拖动风机、泵类、压缩机及各种大型机械，其消耗的能源占电机总能耗的70％以上。由于相应额定电压1～10kV的变频器有着共同的特征，因此，我们把驱动1～10kV交流电动机的变频器称之为高压变频器。但目前我国的调速和起动方法仍很落后，浪费了大量的能源且造成机械寿命低。因此，推广应用高压变频调速及起动装置的效益和潜力是非常巨大的。

2 几种高压大功率变频器概述

2.1 单元串联多重化电压源型高压变频器

该系列高压变频器是利用低压单相变频器串联，解决功率器件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），装置的体积太大，重量大，安装位置和基建投资也成问题;
（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，从而谐波也相应的增大, 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;
（6） 变压器铁芯的固有损耗, 也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, 越是显著。

2.2 中性点箝位三电平PWM变频器

该系列变频器采用传统的电压型变频器结构。其逆变部分采用传统的三电平方式，输出波形中会产生较大的谐波分量，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、效率以至寿命都会受到一定的影响，在额定工况点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。

2.3 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的耐压有限的问题，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好和三电平结构简单的优点。因此此类变频器实际上并不可取。

2.4 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。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。

3 功率器件IGBT直接串联的真正直接高压

3.1 主电路简介

图1中看出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%的高压变频调速系统。

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

现将 IGBT直接串联高压变频器与以往几种高压变频器的主要性能比较列于附表。

附表 IGBT直接串联高压变频器与其它几种高压变频器的主要性能比较表

3.2 IGBT直接串联高压变频器技术介绍

（1） 高速功率可关断器件的串联技术

佳灵独有的世界首创高速功率可关断器件（特别是IGBT）直接串联技术[3], 使真正无输出、输入变压器的高压变频器成为现实。这对于提高性能、效率、减小体积、重量等各项主要技术经济指标, 是以往任何一种变频器都无法比拟的。

（2） 抗共模电压技术

采用抗共模电压技术，使高压变频器彻底去掉变压器得以最终实现，并对电机无特殊的绝缘要求，使佳灵公司高压变频器真正成为世界最小体积的变频器[3]。

（3） 正弦波技术

输入电流正弦波技术，提高了功率因数，降低了对电网的干扰，特别是根据电源及负载的情况，输入端可用多种不同的配置，以符合IEEE519-92的要求。更可满足四象限快速加减速等场合的应用要求。

3.3 IGBT直接串联高压变频器的性能特点

（1）无与伦比的电动机速度和转矩控制

IGBT直接串联高压变频器的开环动态速度控制精度与采用闭环磁通矢量控制的变频器相对应。其静态速度控制精度通常为正常转速的0.1%至0.5%，能满足大多数工业领域的要求。在速度调节精度要求更高的场合，可采用脉冲编码器。IGBT直接串联高压变频器具有快速转矩阶跃响应, 对电网侧和负载侧的变化具有极快的反应, 对失电、负载突变和过电压状态易于控制。因此，IGBT直接串联高压变频器的优势特别明显。

（2） 模块化的构造与设计保证了系统的高利用率

每个功率单元都是相同的，并装在一个可抽出的机架上，模块化的结构使得调换单元的工作只需15min，换一个功率单元只需断开5个接口和一个光纤插口。模块化设计不仅使系统结构十分紧凑，而且也增强了系统的维修便利性，因而提高了系统的可利用率。

（3） 高效率及完善的磁通优化

IGBT直接串联高压变频器系统效率在98%以上。这一效率大大超过其它变频调速系统的效率，其它变频调速系统的效率计算，需包括变压器，功率因数补偿装置，谐波滤波器等的损失。

在优化模式状态，电动机的磁通能自动地与负载对应，保证了高效率，并降低了电动机噪音。由于磁通的优化，根据不同的负载点，电动机和传动系统的总体效率提高1%到10%。

（4） 变频输出质量适用于普通电机, 电机无须降容

IGBT直接串联高压变频器输出波形，在整个速度和负载范围内具有正弦波特性。适用于普通的标准感应电机和同步电机，电机无须降容，也不必使用专用变频电机。

在低工作频率段时，IGBT直接串联高压的PWM开关模式消弱了所有流向电动机的谐波。在高工作频率段，PWM与内置于变频中的微型电容器配合将谐波含量作进一步消除。与恒速运行相比，没有额外的电机温升及瞬变电压对电动机绝缘破坏现象。

（5） 安静平稳的电机运行，降低了噪声

低噪声运行的直接原因是高质量的电压电流输出波形。由于开关状态是分别确定的，没有固定的开关频率，因此没有使用普通PWM技术的交流传动装置中常见的共振所引起的刺耳的噪音。

4 IGBT直接串联高压变频器的应用

4.1 项目应用背景

JCS6K-800高压大功率IGBT直接串联变频器应用于莱钢厂4#转炉煤气鼓风机的变频运行。由于采用了IGBT直接串联技术、直接速度控制技术、抗共模电压技术、正弦波技术，不需要输入输出变压器。系统效率高、体积小，结构紧凑，安装简单，现场配线少，调试周期短, 投入生产快。配套电机为南阳防爆集团有限公司生产的800kW/6kV YB630S1-2型电动机，风机为吉林四平鼓风机厂生产的7000m3/H逆旋风机，整个机组在调速范围之内