中高压变频器的分类和比较
中高压变频器的分类和比较
1 概述
目前，世界上的高压变频器不像低压变频器那样具有成熟的一致性的主电路拓扑结构，而是限于功率器件的电压耐量和高压使用条件的矛盾，国内外各变频器生产厂商，采用不同的功率器件和不同的主电路结构，以适应各种拖动设备的要求，因而在各项性能指标和适用范围上也各有差异。
根据有无直流环节而将高压变频器分为两大类：
1）无直流环节的变频器，即交—交变频器；
2）有直流环节的变频器称为交—直—交变频器，其中直流环节采用大电感以平抑电流脉动的变频器称为电流源型变频器；直流环节采用大电容以抑制电压波动的变频器则称为电压源型变频器。
电流源型变频器又可以分为：
——负载换向式（晶闸管）变频器（lci）；
——采用自关断器件（gto或sgct）的变频器。
电压源型变频器则可以分为：
——功率器件串联二电平直接高压变频器；
——采用igct或hv－igbt的三电平变频器；
——采用lv－igbt的单元串联多电平变频器。
将上述归纳起来如图1所示。
（a） 交—交变频器
（b） 电流源型变频器
（c） 电压源型变频器
图1 3种高压变频器框图
2 交—交变频器（cyclo）
交—交变频器是采用晶闸管实现的无直流环节的直接由交流到交流的变频器，也叫做周波换流器。当电压在3kv以下时，每相要用12只晶闸管，三相共36只；当电压超过3kv时，晶闸管必须串联使用，所用的晶闸管要成倍增加。其电路结构如图2所示。
（a） 星形接法 （b） 三角形接法 图2 交—交变频器主电路结构 其优点是可用于驱动同步和异步电机；堵转转矩和保持转矩大；动态过载能力强；可四象限运行；电机功率因数可为cosφ=1；极佳的低速性能；弱磁工作范围广；转矩质量高；效率高。 其主电路结构，电压电流波形分别如图2、图3所示。 图3 交—交变频器的电流电压波形 其缺点是功率因数与速度有关，低速时功率因数低；最大输出频率为电源频率的 1/n（n=2，3，……）；最大转速<500r/m；网侧谐波大。 适用于轧钢机，船舶主传动和矿石粉碎机等低速转动设备。 3 负载换向式（晶闸管）变频器（lci） 适用于同步电机加转子位置检测器的高速高频调速传动场合，可实现近似于直流电机的调速特性（无换向器电机），可省去维护困难的机械式换向器和电刷。功率范围可达100mw以上，转速可以大于7000r/m，电压范围可达1～23kv。 其主电路结构，电压电流波形，网侧功率因数分别如图4、图5、图6所示。 图4 lci变频器主电路结构
图5 lci变频器的电压和电流波形 图6 lci变频器的网侧谐波 其优点是直流转动特性；功率无限制；对电网无短路加载现象；可以四象限运行；包括弱磁部分调速范围可达1:50；即使在低负载率下也有高的效率；免维护（无电刷、无熔断器）；对电机绝缘无损害，电缆长度无限制。 其缺点是低速下须采用断流换向；功率因数与转速有关；过载能力差，1.5～2倍。 适用于高速无齿轮传动离心泵（锅炉给水泵）、压缩机、高炉风机、船舶主传动以及同步发电机的起动等场合。 4 gto（sgct）电流源型变频器 采用自关断器件gto（sgct）的电流源型变频器，直流电路有大电感，可起到保护开关器件的作用，用于异步电机的调速。其功率范围可达1.5～10mw，电压范围可达1.5～6kv，输出频率可达220hz。电压超过3kv时，功率器件需要串联。 其主电路结构，电压电流波形，网侧功率因数分别如图7、图8、图9所示。 图7 gto电流源型变频器主电路结构 图8 gto电流源型变频器的电压、电流波形 图9 gto电流源型变频器的网侧功率因数 其优点是采用合适的pwm脉冲形式时可得到很低的转矩脉动；输出频率高，可达220hz；电机的损耗小；可四象限运行；动态性能高；可实现无熔断器设计，可靠性高；对电机绝缘无损害，电缆长度无限制。 其缺点是不宜弱磁运行；功率因数与速度有关，网侧晶闸管整流，输入电流谐波大；会产生较大的共模电压，当没有输入变压器时，共模电压会施加到电动机定子绕组中心点与地之间，影响电动机的绝缘；对电网电压的波动较为敏感，电压下降15％时会保护停机；对电动机的负载特性敏感，现场调试非常麻烦。 适用于水泵（锅炉给水泵）、风机、压缩机等。 5 功率器件串联直接高压二电平电压源型变频器 成都佳灵电气公司经过多年研制，解决了功率器件igbt的直接串联技术问题，使真正无输入、输出变压器的直接高压变频器成为现实。这不但大大提高了变频器的效率，而且大大减小了变频器的体积和重量。采用抗共模电压技术以取消输入变压器，采用了输出滤波器和优化的pwm波形，大大降低了谐波含量，可使总谐波含量（thd）降低到2％以下。采用二电平逆变，使电路结构和控制简单，缩小了体积，降低了成本。 直接串联高压变频器主电路结构如图10所示。可四象限运行的主电路结构如图11所示。
图10 igbt直接串联高压变频器主电路结构 图11 可四象限运行的igbt直接串联高压变频器主电路结构 其优点是结构简单，二电平逆变器技术成熟；效率高，可达98％；动态性能好，过载能力强；可实现四象限运行；对电机绝缘无影响，电缆长度无限制；体积小、重量轻、成本低。 其缺点是无输入变压器，6脉冲整流网侧谐波大，需采用进线电抗器；二电平逆变du/dt大，且输出谐波大，需采用优化的pwm技术及输出滤波器加以解决。 适用于轧机、起重机械、电力机车牵引、船舶主传动、风机、水泵和压缩机等。 6 三电平电压源型变频器 采用高压hv－igbt或igct的三电平电压源型变频器，功率范围可达9100kva，电压范围可达6600v，输出频率可达150hz。 hv-igbt三电平电压源型变频器主电路结构如图12所示。igct三电平电压源型变频器主电路结构如图13所示。三电平电压源型变频器的电压电流波形如图14所示。
图12 hv－igbt三电平电压源型变频器主电路结构
图13 igct三电平电压源型变频器主电路结构 （a） 无输出滤波器 （b） 有输出滤波器 图14 三电平电压源型变频器的电压电流波形 其优点是效率高，输出频率高；动态性能好，过载能力强；转矩脉动小，电机噪声小；网侧配置多样化，可实现12、18或24脉冲整流，以减少网侧谐波；直流进线可配制动电阻；对电机绝缘无影响，输出电缆长度无限制；与基波一致的功率因数；高可靠的无熔断器设计。 其缺点是不可控二级管整流器，单象限运行，要四象限运行需采取额外的措施；如果采用gto或igct器件，需要复杂的缓冲电路；直流环节需扼流围，并需要输出滤波器；gto或igct需要复杂的门极触发电路。 适用于风机水泵、传送带驱动、矿石粉碎机、轧机、挤压机、窑传动等。 7 采用低压lv－igbt的单元串联多电平电压源型变频器 其功率范围可达3～220mw，电压范围可达10kv。单元串联多电平电压源型变频器主电路结构如图15所示。变频器元器件数量见表1所列。 图15 单元串联多电平电压源型变频器电路结构 表1 变频器元器件数量 只 元器件名称 3.3kv/2mw 6.6kv/2mw 电容器 180 270 igbt 240 360 二极管 72 108 熔断器 36 54
其优点是极低的输出谐波含量，在无输出滤波器的情况下，可使thd<0.3％，堪称“完善无谐波”变频器；极低的转矩纹波和电机噪声；功率因数可达0.95；对电机绝缘无损害，电缆长度无限制；便于冗余设计。
其缺点是只能单象限运行；不能进行旁路切换；不能实现无熔断器设计；体积大，笨重；元器件非常多，因而可靠性差；电容器多，易发生漏电问题；功率节点多，增加连接难题；多电平结构的变压器必须和变频器集成在一起，使电气室的空间和散热成为问题；考虑空间要求时，大容量装置只能采用水冷方式。 适用于风机水泵。 8 各种类型变频器的比较 各种类型变频器的比较见表2所列。 表2 高压变频传动系统选型表 变频器类型 交—交 负载换流（lci） 电流源（csi） 电压源（vsi） 功率器件 晶闸管 晶闸管 gto hv－igbt＊ 功率范围/mw 1.5～∝ 2.5～∝ 1.5～10 0～7 最高转速r/min 500 7000 12000 6000 最低转速/额定转速 0 0.1 0.1 0 动态响应能力 ＋＋ o ＋ ＋＋ 电网适应能力 ＋＋ ＋＋ ＋＋ o＊＊ 网侧谐波 － o o ＋ 网侧功率因数 － o o ＋ 转矩纹波 ＋＋ ＋ ＋＋ ＋＋ 效率 ＋＋ ＋＋ o ＋
注：＊也可以采用gto或igct；＊＊对于gto和igct而言； ＋：好；＋＋：极好；o：不满意；－：差；－－：很差。 9 结语 高压变频技术正处于发展阶段，还没有达到像低压变频器那样成熟。限于功率器件的特性和具体拖动系统的要求，而开发出了各种类型的变频器，它们各有其优缺点，不能一概而论哪一种变频器好与不好。选型时应根据供电电网及拖动对象的特点来定，不必一味追求某种指标。如起重设备、机车牵引、船舶主传动要选用可四象限运行的变频器；对于轧钢机则要选择动态响应能力好和过载能力强的变频器；对于低速运行的设备可选用交—交变频器；而对于高速运行的设备则可选用负载换流加同步电机的方式，或者选用电流源型变频器。单元串联多电平变频器只能用在风机水泵调速节能的场合。
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图5 lci变频器的电压和电流波形 图6 lci变频器的网侧谐波 其优点是直流转动特性；功率无限制；对电网无短路加载现象；可以四象限运行；包括弱磁部分调速范围可达1:50；即使在低负载率下也有高的效率；免维护（无电刷、无熔断器）；对电机绝缘无损害，电缆长度无限制。 其缺点是低速下须采用断流换向；功率因数与转速有关；过载能力差，1.5～2倍。 适用于高速无齿轮传动离心泵（锅炉给水泵）、压缩机、高炉风机、船舶主传动以及同步发电机的起动等场合。 4 gto（sgct）电流源型变频器 采用自关断器件gto（sgct）的电流源型变频器，直流电路有大电感，可起到保护开关器件的作用，用于异步电机的调速。其功率范围可达1.5～10mw，电压范围可达1.5～6kv，输出频率可达220hz。电压超过3kv时，功率器件需要串联。 其主电路结构，电压电流波形，网侧功率因数分别如图7、图8、图9所示。 图7 gto电流源型变频器主电路结构 图8 gto电流源型变频器的电压、电流波形 图9 gto电流源型变频器的网侧功率因数 其优点是采用合适的pwm脉冲形式时可得到很低的转矩脉动；输出频率高，可达220hz；电机的损耗小；可四象限运行；动态性能高；可实现无熔断器设计，可靠性高；对电机绝缘无损害，电缆长度无限制。 其缺点是不宜弱磁运行；功率因数与速度有关，网侧晶闸管整流，输入电流谐波大；会产生较大的共模电压，当没有输入变压器时，共模电压会施加到电动机定子绕组中心点与地之间，影响电动机的绝缘；对电网电压的波动较为敏感，电压下降15％时会保护停机；对电动机的负载特性敏感，现场调试非常麻烦。 适用于水泵（锅炉给水泵）、风机、压缩机等。 5 功率器件串联直接高压二电平电压源型变频器 成都佳灵电气公司经过多年研制，解决了功率器件igbt的直接串联技术问题，使真正无输入、输出变压器的直接高压变频器成为现实。这不但大大提高了变频器的效率，而且大大减小了变频器的体积和重量。采用抗共模电压技术以取消输入变压器，采用了输出滤波器和优化的pwm波形，大大降低了谐波含量，可使总谐波含量（thd）降低到2％以下。采用二电平逆变，使电路结构和控制简单，缩小了体积，降低了成本。 直接串联高压变频器主电路结构如图10所示。可四象限运行的主电路结构如图11所示。
图10 igbt直接串联高压变频器主电路结构 图11 可四象限运行的igbt直接串联高压变频器主电路结构 其优点是结构简单，二电平逆变器技术成熟；效率高，可达98％；动态性能好，过载能力强；可实现四象限运行；对电机绝缘无影响，电缆长度无限制；体积小、重量轻、成本低。 其缺点是无输入变压器，6脉冲整流网侧谐波大，需采用进线电抗器；二电平逆变du/dt大，且输出谐波大，需采用优化的pwm技术及输出滤波器加以解决。 适用于轧机、起重机械、电力机车牵引、船舶主传动、风机、水泵和压缩机等。 6 三电平电压源型变频器 采用高压hv－igbt或igct的三电平电压源型变频器，功率范围可达9100kva，电压范围可达6600v，输出频率可达150hz。 hv-igbt三电平电压源型变频器主电路结构如图12所示。igct三电平电压源型变频器主电路结构如图13所示。三电平电压源型变频器的电压电流波形如图14所示。
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图13 igct三电平电压源型变频器主电路结构 （a） 无输出滤波器 （b） 有输出滤波器 图14 三电平电压源型变频器的电压电流波形 其优点是效率高，输出频率高；动态性能好，过载能力强；转矩脉动小，电机噪声小；网侧配置多样化，可实现12、18或24脉冲整流，以减少网侧谐波；直流进线可配制动电阻；对电机绝缘无影响，输出电缆长度无限制；与基波一致的功率因数；高可靠的无熔断器设计。 其缺点是不可控二级管整流器，单象限运行，要四象限运行需采取额外的措施；如果采用gto或igct器件，需要复杂的缓冲电路；直流环节需扼流围，并需要输出滤波器；gto或igct需要复杂的门极触发电路。 适用于风机水泵、传送带驱动、矿石粉碎机、轧机、挤压机、窑传动等。 7 采用低压lv－igbt的单元串联多电平电压源型变频器 其功率范围可达3～220mw，电压范围可达10kv。单元串联多电平电压源型变频器主电路结构如图15所示。变频器元器件数量见表1所列。 图15 单元串联多电平电压源型变频器电路结构 表1 变频器元器件数量 只 元器件名称 3.3kv/2mw 6.6kv/2mw 电容器 180 270 igbt 240 360 二极管 72 108 熔断器 36 54
其优点是极低的输出谐波含量，在无输出滤波器的情况下，可使thd<0.3％，堪称“完善无谐波”变频器；极低的转矩纹波和电机噪声；功率因数可达0.95；对电机绝缘无损害，电缆长度无限制；便于冗余设计。
其缺点是只能单象限运行；不能进行旁路切换；不能实现无熔断器设计；体积大，笨重；元器件非常多，因而可靠性差；电容器多，易发生漏电问题；功率节点多，增加连接难题；多电平结构的变压器必须和变频器集成在一起，使电气室的空间和散热成为问题；考虑空间要求时，大容量装置只能采用水冷方式。 适用于风机水泵。 8 各种类型变频器的比较 各种类型变频器的比较见表2所列。 表2 高压变频传动系统选型表 变频器类型 交—交 负载换流（lci） 电流源（csi） 电压源（vsi） 功率器件 晶闸管 晶闸管 gto hv－igbt＊ 功率范围/mw 1.5～∝ 2.5～∝ 1.5～10 0～7 最高转速r/min 500 7000 12000 6000 最低转速/额定转速 0 0.1 0.1 0 动态响应能力 ＋＋ o ＋ ＋＋ 电网适应能力 ＋＋ ＋＋ ＋＋ o＊＊ 网侧谐波 － o o ＋ 网侧功率因数 － o o ＋ 转矩纹波 ＋＋ ＋ ＋＋ ＋＋ 效率 ＋＋ ＋＋ o ＋
注：＊也可以采用gto或igct；＊＊对于gto和igct而言； ＋：好；＋＋：极好；o：不满意；－：差；－－：很差。 9 结语 高压变频技术正处于发展阶段，还没有达到像低压变频器那样成熟。限于功率器件的特性和具体拖动系统的要求，而开发出了各种类型的变频器，它们各有其优缺点，不能一概而论哪一种变频器好与不好。选型时应根据供电电网及拖动对象的特点来定，不必一味追求某种指标。如起重设备、机车牵引、船舶主传动要选用可四象限运行的变频器；对于轧钢机则要选择动态响应能力好和过载能力强的变频器；对于低速运行的设备可选用交—交变频器；而对于高速运行的设备则可选用负载换流加同步电机的方式，或者选用电流源型变频器。单元串联多电平变频器只能用在风机水泵调速节能的场合。
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