高压变频器在济钢大功率风机、泵中的应用研究
众所周知，高压电动机的应用*为广泛，它是工矿企业中的主要动力。在冶金、钢铁、石油、化工、水处理等各行业的大、中型厂矿中，广泛用于拖动风机、�*唷⒀顾趸案髦制渌笮突怠Ｆ湎牡哪茉凑嫉缁苣芎牡�70％以上，而且绝大部分都有调速的要求，但目前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的降低。随着电气传动技术，尤其是变频调速技术的发展，作为大容量传动的高压变频调速技术也得到了广泛的应用。顺便指出，目前习惯称作的高压变频器，实际上电压*般为2.3-10kV，*内主要为3kV，6kV和10kV，和电网电压相比，只能算作中压，故*外常成为Medium Voltage Drive。 济钢高压风机水泵调速系统
我*高压电动机多为6kV和10kV，在济钢老厂区进线电源为6kV，高压电机调速大多为直接启动和液力偶合器调速；新建厂区进线电源电压为10kV，在高压风机调速系统中，采用液力耦合器调速方式。直接起动或降压起动非但起动电流大，造成电网电压降低，影响其它电气设备的正常工作;而且主轴的机械冲击大，易造成疲劳断裂，影响机械寿命。当电网容量不够大时，甚至有可能起动失败。液力耦合器在电机轴和负载轴之间加入叶轮，调节叶轮之间液体（*般为油）的压力，达到调节负载转速的目的。这种调速方法实质上是转差功率消耗型的做法，节能效果并不是很好，而且随着转速下降效率越来越低、需要断开电机与负载进行安装、维护工作量大，过*段时间就需要对轴封、轴承等部件进行更换，现场*般较脏，显得设备档次低，属淘汰技术。
*般说来，使用高压（中压）变频调速系统对于风机、水�*喔涸赜辛礁鲋匾氐悖旱�*，由于消除了阀门（或挡板）的能量损失并使风机、水泵的工作点接近其峰值效率线，其总的效率比液力耦合器提高25％～50％；第二，高压（中压）变频调速起动性能好，使用高压变频器，就可实现“软”起动。变频装置的特性保证了起动和加速时具有足够转矩，且消除了起动对电机的冲击，保证电网稳定，提高了电机和机械的使用寿命。
现以济钢三炼钢为例，来分析高压（中压）变频器在实际生产中的节能效果。在济钢三炼钢厂共使用了10台高压除尘电机，装机容量合计23.1MW，占三炼钢总装机容量的40％。而从现场实际监测到的工作电流其比重更高，电流值见表1，风机类负载要占总容量的60%。而高压变频器比液力耦合器效率可以提高25％～50％，按每月风机节能20％计算，每月总电量可以降低8％，三炼钢每月电费1000万元，这样每年可以降低成本近80多万元，从上述粗略计算来看，高压（中压）变频调速在济钢高压风机、水泵的应用，前景广泛，节能效果巨大。
表1 济钢第三炼钢厂风机电流比值 
虽然由于电压高、功率大、技术复杂等因素，高压变频器的产业化在80年代中期才开始形成，但随着大功率电力电子器件的迅速发展和巨大市场的推动力，高压变频器近十多年的发展非常迅速，使用器件已经从SCR、GTO、GTR发展到IGBT、IGCT、IGET和SGCT，功率范围从几百千瓦到几十兆瓦。技术上已经成熟，可靠性得到保障，使用面越来越广。高压变频器可与标准的中、大功率交流异步电动机或同步电动机配套，组成交流变频调速系统，�*辞缁⑺谩⒀顾趸透髦只荡爸茫锏浇谀堋⒏咝А⑻岣卟分柿康哪康摹�
近年来，各种高压变频器不断出现，高压变频器到目前为止还没有像低压变频器那样近乎统*的拓扑结构。根据高压组成方式可分为直接高压型和高―低―高型，根据有*中间直流环节来分，可以分为交―交变频器和交―直―交变频器，在交―直―交变频器中，按中间直流滤波环节的不同，可分电压源型和电流源型。下面将对目前使用较为广泛的几种高压变频器进行分析，指出各自的优缺点。
1 高―低―高型变频器
变频器为低压变频器，采用输入降压变压器和输出升压变压器实现与高压电网和电机的接口，这是当时高压变频技术未成熟时的*种过渡技术。由于低压变频器电压低，电流却不可能*限制的上升，限制了这种变频器的容量。由于输出变压器的存在，使系统的效率降低，占地面积增大；另外，输出变压器在低频时磁耦合能力减弱，使变频器在启动时带载能力减弱。对电网的谐波大，如果采用12脉冲整流可以减少谐波，但是满足不了对谐波的严格要求；输出变压器在升压的同时，对变频器产生dv/dt也同等放大，必须加装滤波器才能适用于普通电机，否则会产生电晕放电、绝缘损坏的情况。西门子公司早期生产这种结构的变频器，目前已停止生产，仅提供备件。
2 电流源型高压变频器
输入侧采用可控硅进行整流，采用电感储能，逆变侧用SGCT作为开关元件，为传统的两电平结构。由于器件的耐压水平有限，必须采用多个器件串联。器件串联是*种非常复杂的工程应用技术，理论上说可靠性很低，但有的公司可以做到产品化的地步。由于输出侧只有两个电平，电机承受的dv/dt较大，必须采用输出滤波器。电网侧的多脉冲整流器为可选件，用户需要针对自己的工厂情况提出要求。这种变频器的主要优点是不需要外加电路就可以将负载的惯性能量回馈到电网。电流源型变频器的主要缺点是电网侧功率因数低，谐波大，而且随着工况的变化而变化，不好补偿。电流源型高压变频器代表厂商是AB公司。
3 电压源型三电平变频器
变频器采用二*管整流，电容储能，IGBT或IGCT逆变。三电平的逆变形式，采用二*管箝位的方式，解决了两个器件串联的难题，技术上比两个器件简单直接串联容易，同时，增加了*个输出电平，使输出波形比两电平好。这种变频器的主要问题是：由于采用高压器件，输出侧的du/dt仍旧比较严重，需要采用输出滤波器。由于受到器件耐压水平的限制，*高电压只能做到4160V，要适应6kV和10kV电网的需要，更换电机是*种做法，但是造成故障时向电网旁路较麻烦。对于6kV电机有*种变通做法，就是将电机由星型接法改为角型接法，这样电机的电压就变为3kV；这种做法使电机的环流损耗上升，*内已经有烧毁电机的事例，有可能与此有关。三电平变频器*般采用12脉冲整流方式。电压源型三电平变频器代表厂商ABB、西门子公司等。
4 功率模块串联多电平变频器
变频器采用低压变频器串联的方式实现高压输出，是电压源型变频器。它的输入侧采用移相降压型变压器，实现18脉冲以上的整流方式，满足*际上对电网谐波的*严格的要求。在带负载时，电网侧功率因数可达到95%以上。在输出侧采用多*PWM技术，dv/dt小，谐波少，满足普通异步电机的需要。可根据负载的需要设计变频器的输出电压，是解决6kV、10kV电机调速的较好办法。功率电路采用标准模块化设计，更换简单，所用器件在*内采购也比较容易。这种变频器采用低压IGBT作为逆变元件，与采用高压IGBT的三电平变频器相比，功率元件数目较多，但技术上较成熟。与采用高压IGCT的三电平变频器相比，功率元件数目较多，但总元件数目却较少，因为IGCT需要非常复杂的辅助关断电路。由于整流变压器与功率模块的连线较多，因此变压器不能与变频器分开放置，在空间有限的场合不是很灵活。功率模块串联多电平变频器代表厂商西门子罗宾康公司、利德华福公司等。
5 高压变频器应用综述
电流源型变频器技术成熟，且可四象限运行，但由于在高压时器件串联的均压问题，输入谐波对电网的影响和输出谐波对电机的影响等问题，使其应用受到限制。而且变频器的性能与电机的参数有关，通用性差，电流的谐波成分大，污染和损耗较大，且共模电压高，对电机的绝缘有影响。AB公司Power Flex 7000系列采用耐压值为6.5kV的SGCT管，*高电压也仅做到6.6kV。
电压源型变频器由于采用高压器件，输出侧的dv/dt比较严重，需要采用输出滤波器。由于受到器件耐压水平的限制，*高电压只能做到4160V。
单元串联多电平PWM电压源型变频器具有对电网谐波污染小、输入功率因数高、不必采用输入谐波滤波器和功率因数补偿装置。输出波形好，不存在由谐波引起的电动机附加发热和转矩脉动、噪声、输出dv/dt、共模电压等问题，可以使用普通的异步电动机。单元串联多电平变频器的输出电压可以达到10kV，甚至更高。
比较以上三种类型高压变频器，由于单元串联式多电平变频器的输入、输出波形好，对电网的谐波污染小，输出适用普通电动机，近几年来发展迅速，逐渐成为高压变频调速的主流方案。我*高压电动机多为6kV和10kV等*，目前三电平变频器受到器件耐压的限制，�*岩允迪终飧龅�*的直接高压输出，而单元串联式多电平变频器的输出电压能够达到10kV甚至更高，所以在我*得到广泛应用，尤其在风机水泵等节能*域，几乎形成垄断的态势。在济钢所使用的高压电机均为电压等*为10kV和6kV的普通笼型异步电动机，单元串联多电平电压源型变频器是*合适的选择。
单元串联多电平变频器原理、技术优点及厂*技术特点
1 单元串联多电平变频器原理
（1）单元串联多电平变频器采用若干个*立的低压功率单元串联的方式来实现高压输出，其原理如图1 所示。
图1 电压叠加原理
图2 主电路拓扑结构
图3 功率单元结构
2 单元串联多电平变频器技术优点
自西门子罗宾康公司1994年推出第*台变频器以来，经过十多年的不断发展，单元串联多电平变频器逐渐形成以下几项比较完备的技术。
（1）输入变压器多重化设计
输入变压器实行多重化设计，达到降低谐波电流的目的。输入功率因数高，不必采用输入谐波滤波器和功率因数补偿装置。以6kV变频器为例，变压器的15个二次绕组，采用延边三角形联结，分为5个不同的相位组。互差12°，形成30脉波二*管整流电路结构，所以理论上29次以下的谐波都可以消除，输入电流波形接近正弦波。总的谐波电流失真可低于1％。
（2）逆变器输出多电平移相式PWM技术
在PWM调制时，采取移相式PWM，即同*相每个单元的调制信号相同，而载波信号互差*个电角度且正反成对。这样每个单元的输出是同样形态的PWM波，但彼此相差*个角度。叠加以后输出电压的等效开关频率大大增加。改变参考波的幅值和频率，即可实现变压变频的高压输出。实际上，为了提高电源利用率，参考波并非严格的正弦波，而是注入了*定的三次谐波，形成“马鞍型”的波形。
（3）功率单元旁路技术
在每个功率单元输出端T1、T2并联*个双向晶闸管（或反并联两个SCR）。当功率单元发生故障，封锁该单元，然后让SCR导通，形成旁路。旁路后，电路仍可继续工作，只是输出电压略有下降。如果负载十分重要，可以进行冗余设计，安装备用功率单元。功率单元旁路技术大大提高了单元串联多电平变频器的可靠性，在很大程度上弥补了元气件个数多导致可靠性降低的问题。
3 单元串联多电平变频器厂*技术性能特点
单元串联多电平电压源型变频器由**罗宾康公司发明并申请-，取名为完**谐波变频器。由于罗宾康公司的-申请仅在**，在我*该技术属于公知技术，北京利德华福等公司生产的高压变频器也是采用这种结构。除了上述两*外，*内外有TMEIC（东芝、三菱）、富士、东方日立等许多厂*生产�*嘈捅淦灯鳌�
下面就以罗宾康、利德华福、TMEIC三*高压变频器的性能指标来进行比较，选择适合*内目前电网和设备实际情况的产品，三*变频器性能见表2所示。
表2 变频器性能比较 
（1）控制方式基本可以做到*编码器矢量控制模式；
（2）单元旁路功能不断完善，尤其是罗宾康公司的中*点偏移方案更安全；
（3）高压变频器的价格不断下降，对于*内企业不是可望不可及的事情。
如果考虑成本等因素，*产公司的变频器为*选，而且目前*内主要高压变频器配套产业，如多脉冲整流变压器，大容量电解电容器，散热器，高压软电缆等基本成熟，维护成本也会很低。如果不考虑成本的因素，自第*台单元串联多电平变频器推出以来，在该技术*域，罗宾康公司*直处于*先地位，而且每年500台的销售业绩，也说明该公司产品的优良技术性能。
结束语
高压电机利用高压变频器可以实现**调速，满足生产工艺过程对电机调速控制的要求，以提高产品的产量和质量，又可大幅度节约能源，降低生产成本。虽然*次性投资高，但是投资*般在2～３年内可以收回。高压（中压）变频器在济钢的高压风机、水泵电机系统中*旦应用不但节能效果会非常显著，而且对于济钢循环经济的发展意义深远。