高压变频器的特性论述(二)

3.3.1 技术特征
该系列变频器采用类似传统的电压型变频器结构，关键技术在对中点上、下漂动处理，空载和轻载漂动小，随负载的加重或动态变化，电容难以支撑中点位，特别是各电容的容抗不等因素，箝位中点也稳不住，箝位电压随之浮动。中点的浮动的幅度大小，将会产生输出电压的非对称性，输出谐波，波形失真，共模电压的增大变化。其表现为，若输出端在不接电抗器，直接连高压电机运行，电动机会出现剧烈抖动和高热（这是任何一种方式变频器都不会产生的现象）。为此，三电平高压变频器不管电机离的远近，都须装输出电抗器，解决电机振动大,噪音大的缺陷。而共模电压的隐患导致电机绝缘老化问题。由于三电平逆变开关模式中存在的多点死区，而需长死区时间保障开关切换就带来很高的共模电压。其缺陷是由电路特点，硬件产生的，单靠优化控制软件，只能收到微小的效果。还需同佳灵JCS型一样，增加输出共模抑制器方可有效。
三电平在输出电压较低时，实际上也相当于二电平的电压波形，其11、13、17次谐波含量仍很高，谐波电流仍很大。若不加滤波器，还只能用供应商的专用电动机，且其输出电压只能达4200V，实际上是在后面加上了升压变压器才能达到。
3.3.2产品特点
1）效率极低
三电平变频器的结构简单，但二极管的增多、线路增多，况且每个IGBT的驱动波形不一致，也必将导致箝位和开关性能的不一致。功率元件的导通和关断是由箝位二极管来保证的。箝位二极管的耐压要求高，快恢复性能好，主器件数量多，致使系统结构相对复杂，而且扩展能力有限。
2）变频器容量需增大20%，投资高
开关器件的导通负荷不一致。靠近母线的开关和靠近输出端的导通负荷不平衡，这样应导致开关器件的电流等级不同。在电路中，如果按导通负荷最严重的情况设计器件的电流等级，则每相有2*(m-2)个外层器件的电流等级过大，造成浪费。变频器输出线电压4.16kV，电机三角形接法为3.3kV，变频器输出必降压设定为3.3kV。变频器将产生无用功率为：
4.16kV—3.3kV=0.86kV
在使用选型时，变频器的容量至少需增加20%的匹配容量，而增大投资。
3）由于需星/三角变换装置，才能实现工频/变频切换
对于6kV高压电机，三电平变频器采用Ｙ/△改接的办法，将Ｙ型接法的6kV电机改为△接法。但在进行了Ｙ/△改接后，电机的电压与电网的电压不一致，无法实现旁路功能，当变频器出现故障时，又要保证生产的正常进行，必须首先将电机改回Ｙ型接法，再投入6kV电网。为此，电机的改接必须加装Ｙ/△切换柜实现，以便实现旁路功能。
4）输出谐波含量大，需要专用变频电机。
由于三电平变频器，所固有的输出波形中含高的谐波分量，使得输出性能不良好。输出电流、电压波形见图2。低速区变频器的波形极差，基本上不能满足工况的要求。因此，在变频器的输出侧必须配置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。输出电压谐波5.、7高，11次、13次谐波达到20%以上，会引起电动机谐波无功发热、转矩脉动，这对电缆和电动机都是致命的影响。因此，外商一般都力荐采用专用电动机。
3.4单元串联多重化变频器
曲拆多脉冲变压器整流IGBT单元串联多电位重叠间接高压方式
电压变换方式：电源变压器（R1）单元串联变频器（R2）电机（R3）
系统等效阻抗R=R1+R2+R3
3.4.1主电路
单元串联多重化技术高压变频器，是利用移相主变压器降压，再通过多个低压单相变频器（图3a）串联和控制器结构组成。各功率单元由一个曲拆多绕组的移相主变压器降压供电。变压器是单元串联高压变频器设备电路结构中的一个重要部件。3kV有12个功率单元，每4个功率单元串联构成一相。6kV系列有15个功率单元，每5个功率单元串联构成一相。10kV系列有21个功率单元，每7个功率单元串联构成一相。移相变压器中，变频器6kV时需要3×5个绕组，引出主接线头48根，（10kV时需3×7个绕组，引出主接线头66根，）。变压器输入端采用内部三角形，输出为外部星形的延边三角形接法，见图3。
所谓多重化技术就是每相由几个低压PWM功率单元串联组成，各功率单元由一个多绕组的隔离变压器多级移相叠加的整流方式供电，由CPU实现控制再以光导纤维隔离驱动。输出侧由每个单元的U、V输出端子相互串接而成星型接法给电机供电。通过对每个单元的PWM波形进行重组多重化。可实现输入端（变频器在高频段输出50Hz时）条件下有较低的谐波含量（输出端谐波含量高）。图（3b）为6kV变频器的主电路拓扑图，每组由5个额定电压为690V的功率单元串联，因此相电压为690V×5=3450V，所对应的线电压为6000V。每个功率单元由输入隔离变压器的15个二次绕组分别供电，15个二次绕组分成5组，每组之间存在一个12°的相位差。以中间△接法为参考(0°)，上下方各有两套分别超前（＋12°、＋24°）和滞后（－12°、－24°）的4组绕组。所需相差角度可通过变压器的不同联接组别来实现。
图3e中的每个功率单元都是由低压（IGBT）构成的三相输入，单相输出的低压PWM电压型逆变器。每个功率单元按预编程时序输出不同相位差的PWM电压为1、0、－1三种状态电平，每相5个单元成阶梯叠加，就可产生11个不同的梯度电平波形，图4为一相合成的输出正波包络电压波形。这种电压波形对电单元串联机无特殊要求，可用于普遍笼型电机。
这种多重化技术构成的高压变频器，也称为单元串联电压型变频器，采用功率单元串联双“Y”回路，采取变压器多绕组别分组分压整流单元均压，单元电平叠加，变频器输出高电压的正弦波包络阶梯电压波形。适应普通笼型电机的变频调速驱动。
多重化被称为“完美无谐波”，是外国某公司营销技术名词，以为中国人对变频技术的不了解，用输入端满载谐波含量作误导宣传，是概念混淆，偷梁换柱的说法。事实上，变频器产生的谐波应严格分为两个部分即：1、输入端谐波含量指标，指变频器对电网产生的骚扰作用。2、输出端谐波含量指标，指变频器的高频辐射和对电动机产生的运转脉动性、温升、绝缘老化、轴承疲劳的副作用。实际上人们都知道变压器本身在作隔离功能的同时将产生新的谐波源，完全正弦的工频变压器都存在的励磁谐波，那非线性整流叠加的的变压器怎能“完美无谐波”。谐波还是有的，可以说：输入端谐波含量低，符合标准。事实上《GB/T14549-93，电能质量，公用电网谐波》和GB/T12668.4高压变频器标准中的输入谐波含量指标，许多高压变频都可达标到。单元串联多重化是在输出端建立在120o方波的基础上，变频器在额定频率、额定重负载时其波形较好，谐波含量较低。在低频段或轻负载时波形畸变大，输出三相电压非对称性频摆加大，电机磁链脉动增大，电机中性点与变频器中性点出现电位差，谐波剧增。由于这种结构的变频器中存在变压器，如果电机的中性点没有接地，电机就存在共模电压。当电机的中性点接地后，共模电压仍然存在，没有消失，通过接地点转移到变压器上。让变压器来承受共模电压对绝缘的冲击和谐波热能。这就是这什么单元串联高压变频器变压器易坏的主要原因之一。变频器往往是用于低于工频下作节能运行的，这对电机寿命是极为不利的。外国某公司高压变频器在中国的初期应用中都须更换由他们生产的专用电机。也间接表明单元串联多重化变频器的输出谐波严重性。
3.4.2单元串联多重化变频器的技术特点
（1）是一种单变压器高—低－高的有效方式。采用功率单元串联电压相加回路，采取变压器多绕组别分组分压整流单元均压，单元电平叠加，变频器输出高电压的阶梯电压波形，经电机定子电感滤波，相电压为正弦波（实际上就任何变频器输出波形很差，只要经电机定子电感滤波，相电压都为正弦波）。


（2）成熟技术易于组合不同电压输出的要求。由于采用功率单元串联，采用低压变频器成熟技术，由低压IGBT组成逆变单元，通过串联单元的个数适应不同的输出电压要求；

(源自：)
（3）功率单元模块化、标准化、单元间具有互换性。由于多功率单元具有相同的结构及参数，便于单元间具有互换性，实现冗余设计，即使在个别单元故障时也可通过单元旁路功能将该单元短路，系统仍能降额地可运行。

（4）实现工/变频切换操作简单。