一种新型移相级联式高压变频器

 引言
一种新型的移相级联式高压变频器在北京新电创拓科技有限公司投入批量生产，这种被命名为diamond-hv系列的高压变频器是由新电创拓公司和德国技术专家合作开发成功的。它采用hv-igbt元件、全桥级联式多电平逆变技术、多重化输出和模块化设计方案，具有结构简洁、安全可靠、无谐波污染和可直接驱动普通异步电动机等特点。现将这种高压变频器简介如下。

2 系统结构
diamond-hv系列高压变频器的结构如图1所示，由移相变压器、功率单元和控制器组成。

图1 移相级联式高压变频器结构图

移相级联式高压变频器采用3个独立功率单元串联的方式来实现高压输出，其原理如图2所示。电网电压经过二次侧多重化的隔离变压器降压后给功率单元供电，功率单元为三相输入、单相输出的交-直-交spwm电压源型逆变器结构，如图3所示。将相邻功率单元的输出端串联起来，形成y联结结构，实现变压变频的高压直接输出，供给高压电动机。每个功率单元分别由输入变压器的一组二次绕组供电，功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘。

图2 功率单元串联叠加


图3 功率单元主电路结构

以额定输出电压为6kv的变频器为例，每相由3个额定电压为1275v的功率单元串联而成，输出相电压最高可达3825v，线电压可达6600v左右，每个功率单元承受全部的输出电流，但只提供1/3的相电压和1/9的输出功率。这样设计，单元的电压等级和串联数量决定变频器输出电压，单元的额定电流决定变频器输出电流。由于不是采用传统的器件串联的方式来实现高压输出，而是采用整个功率单元串联，所以不存在功率器件串联引起的动态均压问题。单元内采用3300v的hv-igbt，以达到在满足输入、输出波形质量要求的前提下，尽量减少每相串联单元的个数，降低成本，提高可靠性。

3 多重化输入设计
输入变压器采用多重化设计，以达到降低输入谐波电流的目的，如图4所示。变压器的9个二次绕组，采用延边三角形联结。分为3个不同相位，互差20°电角度，形成18脉波的二极管整流电路结构，所以理论上13次及以下的谐波都可以消除，输入电流波形接近正弦波，总的谐波电流失真低于3%。在变压器二次绕组分配时，组成同一相位组的每三个二次绕组，分别给分属于电动机三相的功率单元供电。这样，即使在电动机电流出现不平衡的情况下，也能保证各相位组的电流基本相同，达到理想的谐波抵消效果。这种变频器不加任何谐波滤波器就可以满足供电部门对输入电流谐波失真的要求。由于采用二极管整流的电压源型结构，电动机所需的无功功率可由滤波电容提供，所以输入功率因数较高，基本可保持在0.96以上，不必采用功率因数补偿装置。

图4 多重化设计的移相变压器

由于采用二极管不可控整流电路结构，所以变频器对浪涌电压的承受能力较强。雷击或开关操作引起的浪涌电压可以经过变压器产生浪涌电流，经过功率单元的整流二极管给滤波电容充电，滤波电容足以吸收进入到单元内的浪涌能量。

4 移相spwm输出技术
逆变器输出采用多电平移相式spwm技术，同一组功率单元输出相同幅值和相位的基波电压，但串联各单元的载波之间互相错开120°电角度，实现多电平移相spwm，输出电压非常接近正弦波，输出波形如图5所示。功率单元采用较低的开关频率，以降低开关损耗，且可以不用浪涌吸收电路，提高变频器效率。由于采取多电平移相式spwm，等效输出开关频率很高，且输出电平数增加，可大大改善输出波形，降低输出谐波，输出电压谐波含量低于2.33%。同时，谐波引起的电动机发热、噪声和转矩脉动也大大降低。对脉动电压波来讲，当输出电缆长度超过临界值时，行波反射引起的过电压会造成电动机的绝缘损坏。由于diamond-hv系列高压变频器的输出du/dt较低，每个电平台阶只有单元直流母线电压大小，运行中不会对电动机绝缘构成威胁，所以对变频输出与电动机之间的电缆长度没有特殊限制。

图5 移相级联式高压变频器线电压输出波形

5 接口与通讯
功率单元与主控系统之间通过光纤进行通讯，低压部分和高压部分完全可靠隔离，特别值得一提的是，与其他厂家单元串联高压变频器不同，diamond-hv高压变频器的单元外壳是安全接地的，系统具有极高的安全性，同时具有很好的抗电磁干扰性能。功率单元采用模块化结构，所有的功率单元可以互换，以便于维修，每个单元只有3个输入、2个输出电气连接端和四组光纤插头与控制系统连接。

diamond-hv高压变频器采用功率单元自动旁路技术，这样即使在个别功率单元损坏的情况下,也能降额继续运行，或采用冗余功率单元设计方案使变频器满载继续运行。

6 控制器
控制器核心由嵌入系统并行处理单元和光纤通讯接口组成。移相spwm技术可以保证电机在各种频率下都能达到最优的运行性能。全中文视窗监控和操作界面使操作更加方便、可靠。工业标准接口可以实现远程监控和网络化控制。该类型高压变频器彻底摒弃了可靠性较差的工控机，取而代之的是超大规模集成电路的一体化设计，其运行可靠性大大提高。

控制器还包括一台内置的plc，用于柜体内开关信号的逻辑处理，以及与现场各种操作信号和状态信号的协调，增强了系统的灵活性。

7 结束语
国内第一台diamond-hv 06/1250高压变频器已于2002年12月在南通天生港发电厂投入商业运行。2003年7月通过国家电控配电设备质量监督检验中心的全面检测，检测结果表明，各项性能指标全部满足设计要求。

diamond-hv移相级联式高压变频器，设计新颖、独特，功率器件少、结构简洁、可靠性高，负荷均衡、线性度好、具有良好的控制特性，移相变压器副边绕组少、制作简单，输入输出谐波含量低、du/dt小、可直接驱动普通异步电动机。其产品具有广阔的市场发展前景。

图6 dcs直接控制远方泵房diamond-hv高压变频器

参考文献
[1] tolbert l.m.,peng f.z..multilevel converters for large electric drives [j]. ieee trans.on ind appli.,1999,35(1):36~34.
[2] manjrekar m d,steimer p k,lipo t a.hybrid multilevel power conversion system:a competitive solution for high-power applications [j]. ieee-ias,2000,36(3):834~841.
[3] calais m,agelidis v g,meinhardt m. multilevel converters single-phase grid converter for photovoltaic system [j]. solar energy,1999,66(5):325~335.
[4] peng f z. a generalized multilevel inverter topology with self voltage balancing [j]. ieee trans.on ind appli.,2001,37(2):611~618.
[5] andrzrj m. trzynadlowski: control of induction motors[m]. 2001.

作者简介
高冬青(1961-) 男 硕士/高级工程师 1982年毕业于东北电力学院，中国电源学会变频电源与电力传动专业委员会委员。

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