中压变频器及应用综述

    摘要：介绍了西门子、AB、ABB、三菱等公司中压变频器的概况及选型原则。

    关键词：三电平  矢量控制  高压IGBT

1 引言

变频器正向着低噪声、高性能、高可靠性方向发展，通用变频器以其调速范围宽、调速精度高、动态响应快、效率高及操作方便等优点，在节约能源，控制工业生产过程，提高企业自动化生产水平等方面取得了良好的效果。随着通用变频器的广泛应用，中压变频器正在得到推广和应用。中压变频调速有多种方案，如中—低—中方案，中—低方案及中—中方案等，用户应结合本身中压电机负载的情况选择性能价格比最优的方案。本文就目前中压变频器的最新进展及应用发表一些看法供参考。

2 中压变频器产品及概况

（1）西门子公司

西门子公司传动产品系列齐全，覆盖所有的应用领域，包括电流源型、电压源型和公共直流母线型。在中压变频器应用领域，西门子公司采用中—低—中方案较好地解决了(300～630)kW/6kV电机的调速问题，即在通用变频器的输入侧加一个降压变压器，在输出侧加一个升压变压器组成中压变频器驱动系统，其主要特点是可靠性高，价格较低，考虑到变频器输出含有高次谐波和直流分量，输出升压变压器需特殊设计。若将中压6kV电机改为690V或3300V电机，则只用降压变压器、变频器组成变频器驱动系统，即所谓中—低方案。中压变频器可用于新工程项目和技改项目，在新工程项目中，可根据工艺要求对电机、变频器驱动系统做出合理的选择，而在技改项目中，可将6kV电机改为3300V或更低电压等级的电机，虽增加了费用和工作量，但却使得电机、变频器驱动系统更加合理，中—低方案不仅解决了风机、泵等变转矩负载的调速问题，而且对于具有较高起动转矩和加速转矩的负载（如挤压机、提升机等转矩负载）也提供了较好的解决方案。为配套方便，西门子公司已在国内提供3300V、690V中低压电机。以下就西门子公司推出的采用高压IGBT、三电平技术的直接高压中压变频器做一介绍。

SIMOVERTMV中压变频器采用具有优秀性能的矢量转换磁场定向控制原理，其具有极高的动态性能、极佳的转矩质量和完美的控制特性，采用高压IGBT具有可靠性高、驱动简单、触发功率低、不需要缓冲电路的特点，采用三电平技术降低对电机的冲击。图1为MV系统原理图。

MV系列中压变频器保持了西门子低压变频器模块化结构的特点，其输入变压器为三绕组，采用AFE有源前端的MV变频器可用于弱电网，具有动能储备电源、飞车再起动电源和自动再起动功能。额定电机电压为2.3kV，3.3kV，4.16kV及6kV等规格。

（2）美国A-B公司

A-B公司中压变频器为Bulletin1557系列，控制方式采用无速度传感器直接矢量控制，电机转矩可快速变化而不影响磁通，运行效果近似直流传动装置。电路结构为交—直—交电流源型，采用功率器件为GTO，综合了脉宽调制技术和电流源功率结构的优点；其谐波符合IEEE519-1992，A-B可提供几种方案以满足谐波抑制的要求，如标准的12脉冲或18脉冲整流器，标准的谐波滤波器或功率因数补偿器及PWM整流器等。图2为18脉冲整流器结构的Bulletin1557变频器。

A-B公司于近期推出新一代的中压变频器PowerFlex7000，具有系统结构简单的特点，采用SGCT-对称门极换流晶闸管、电流源-PWM技术、直接矢量控制技术加上其固有的能量再生能力、制动及加减速性能好，且使用简单。

（3）ABB公司

ABB中压变频器为ACS1000系列，以IGCT为主要开关器件、采用直接转矩控制(DTC)、三电平技术。IGCT是关断增益为1的GTO，为解决GTO关断过程中众多小阴极单元的非均匀关断和阴极电流收缩效应，将GTO门极驱动器与GTO集成为一个组件，使GTO的负门极在1μs内上升到阳极电流的幅值，这是IGCT的基本原理。直接转矩控制是1985年后与矢量控制技术并行发展的交流调速控制技术，在DTC中，定子磁通和转矩被作为主要的控制变量。目前ACS1000的功率范围为315kW～5000kW，输出电压为2.3kV，3.3kV及4.16kV等，IGCT在大功率中压变频器中具有一定的优势。图3为ACS1000的结构原理图。

（4）日本三菱电机

三菱电机新近开发的适用于平方转矩负载的中压变频器PMT-F500HV系列，采用单元串联多电平结构，输入侧采用24相整流方式抑制高次谐波对电网的干扰，在整个调速范围可达到0.95的功率因数，图4为PMT-F500HV的结构原理图。

（5）美国罗宾康公司

罗宾康公司中压变频器是由多个低压功率单元串联叠加实现高压输出，其各个功率单元由一体化的输入隔离变压器的副边线圈分别供电，副边线圈在绕制时相互间存在一个小的相位差，以消除各单元产生的大多数谐波电流，每个功率单元采用低压IGBT构成的三相输入，单相输出的PWM变频器，输出0～480V可调电压和0～120Hz可调频率的变频器，采用多电平的脉宽调制技术，输出的电压波形接近正弦波。

3 中压变频器的方案选择

中压变频器的应用正在逐步推广，其在节能和提高企业自动化水平方面发挥了重要作用，有些需调速的中压电机是生产过程的关键设备，由于其投资较大，因此要对中压变频器及负载情况做综合的分析和比较再做选择。近年来，在中压变频器的应用过程中，也出现了一些值得注意的问题：如在中—低—中方案中，没有合理处理变频器输出含有高次谐波及直流分量问题，导致设备运行不理想；有些中压电机为恒转矩负载，或较高的起动转矩和加速转矩，并非所有的中压变频器都能适用，由于选择不当造成设备长期处于故障状态，既影响生产也造成投资浪费，这方面也有教训：无论在新的工程项目还是在技改项目中采用中压变频器时应综合考虑供货商的技术方案、解决工程问题的能力、售后服务质量等，在选择时应做较长期的考虑，要考虑几年后的发展，因设备的运行是长期的。从近二十年低压变频器的应用和实践可以得出结论，销售业绩好的公司都十分重视售后服务，都建立了24小时服务体系。随着高压IGBT、IGCT等电力电子器件的开发和应用，中压变频器也得到了迅速发展。新器件的采用将使中压变频器的结构更加简单可靠。对于6kV中压电机，有直接采用高压变频器的，如西门子MV系列中压变频器，已在国内取得众多的业绩。由于国内供配电与国外的差异，用户应根据具体负载情况选择最佳方案以获得最佳的经济效益。在6kV中压电机的变频器改造过程中，可将Y接起动的6kV电机改为Δ接法，电压由6kV降为3.47kV，这和国际上通行的3.3kV中压变频器接近，其综合了负载实际情况和电压源型变频器对原有电机绝缘等级的要求，可获得合理的性能价格比；若将6kV电机改成较低的中压如2.13kV、3.3kV、4.16kV或低压如690V而选择对应的中、低压变频器，这也是较为经济的方案，因国外厂商在这方面已有多年的应用经验和业绩并且是标准产品，成本较低。为满足国内用户的要求，西门子公司将在国内生产多种规格的中低压电机以适应驱动系统的配套，这些方案将适合于同步电机和异步电机的各种负载情况。

4 结论

采用高压IGBT开发的中压变频器以其动态性能好、可靠性高、结构简单而获得了大量应用，高压IGBT、IGCT的开发和应用将使中压变频器获得更好的性能价格比。西门子公司采用高压IGBT、三电平技术开发的SIMOVERTMV电压源型中压变频器可满足各类中压电机负载的要求。为降低成本，获得更高的动态性能和可靠性，6kV中压电机变频驱动系统改造有多种方案可供选择。中压变频器的研制、开发和应用应结合国内外供配电的实际情况，紧跟电力电子器件如高压IGBT、IGCT开发及应用、微电子技术和控制理论的发展等，从而无论在开发还是在应用过程中都能获得最优效果。