1 Power SmartTM高壓變頻調(diào)速控制裝置系統(tǒng)組成

　　Power SmartTM系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)主要由切分移相干式變壓器柜、功率單元柜、控制單元柜、遠(yuǎn)控操作箱、旁路開關(guān)柜等部分組成。切分移相干式變壓器為變頻器的輸入設(shè)備，一般由鐵心、輸入繞組、屏蔽層、輸出繞組及冷卻風(fēng)機(jī)、過熱保護(hù)等部分構(gòu)成。控制單元柜主要由主控制器、溫控器、風(fēng)機(jī)保護(hù)器、人機(jī)界面（數(shù)碼管和彩色觸摸屏可選）、PLC、嵌入式微機(jī)、開關(guān)電源、EMI模塊、隔離變壓器、空氣開關(guān)、接觸器、繼電器、模擬量模塊、開關(guān)量模塊等組成。

　　2 工作原理

　　Power SmartTM系列高壓變頻器是采用單元串聯(lián)多重化技術(shù)屬于電壓源型高-高式高壓變頻器。所謂多重化，就是每相由幾個(gè)低壓功率單元串聯(lián)組成，各功率單元由一個(gè)多繞組的移相隔離變壓器來獨(dú)立供電。采用多重化疊加的方式，使變頻器輸出電壓的諧波含量很小，不會(huì)引起電動(dòng)機(jī)的附加諧波發(fā)熱。其輸出電壓的dV/dt也很小，不會(huì)給電機(jī)增加明顯的應(yīng)力，因此可以向普通標(biāo)準(zhǔn)型交流電動(dòng)機(jī)供電，而且無需降容使用。由于輸出電壓的諧波和dV/dt都很小，不需要附加輸出濾波器，輸出電纜也長度無要求。由于諧波很小，附加的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)也很小，避免了由此引起的機(jī)械共振。變頻器工作時(shí)的功率因數(shù)達(dá)0.96以上，完全滿足了供電系統(tǒng)的要求。因此不需要附加電源濾波器或功率因數(shù)補(bǔ)償裝置，也不會(huì)與現(xiàn)有的補(bǔ)償電容裝置發(fā)生諧振，變頻器工作時(shí)不會(huì)對(duì)同一電網(wǎng)上運(yùn)行的電氣設(shè)備發(fā)生干擾，因而被人們譽(yù)為“完美無諧波的高壓變頻器”。

　　3 技術(shù)特點(diǎn)

　　采用雙DSP控制，可靠性高，杜絕了變頻器死機(jī)問題；采用36脈沖整流（以6KV變頻器為例）及空間矢量多重化PWM技術(shù)，每相由6個(gè)功率單元串聯(lián)而成，并直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，無需輸出升壓變壓器。輸出電平數(shù)高，dv/dt很小，輸出波形接近正弦波。采用專利技術(shù)的實(shí)時(shí)光纖傳送技術(shù)，對(duì)功率單元進(jìn)行控制。變頻器輸出轉(zhuǎn)矩脈沖窄，控制精度高，避免了機(jī)械共振。完善的自我診斷和故障預(yù)警機(jī)制，上電自檢，運(yùn)行中實(shí)時(shí)監(jiān)測，檢測速度高。通過雙DSP系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)納秒級(jí)運(yùn)算并進(jìn)行綜合判斷，分析準(zhǔn)確，減少變頻器誤報(bào)警。具有PWM控制波形與逆變輸出波形實(shí)時(shí)驗(yàn)證功能，提高了輸出波形的準(zhǔn)確性，增強(qiáng)了系統(tǒng)無故障的運(yùn)行能力。具有反轉(zhuǎn)啟動(dòng)和飛車啟動(dòng)功能，無論電機(jī)處于正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)狀態(tài)，變頻器均可實(shí)現(xiàn)大力矩直接啟動(dòng)。具備來電自啟動(dòng)功能，避免電網(wǎng)短時(shí)失電對(duì)生產(chǎn)造成影響。變頻器發(fā)生短路、接地、過流、過載、過壓、欠壓、過熱等情況時(shí)，系統(tǒng)均能故障定位并且及時(shí)告警或保護(hù)，對(duì)電網(wǎng)波動(dòng)的適應(yīng)能力強(qiáng)。支持中心點(diǎn)偏移式的旁路技術(shù)。當(dāng)某一個(gè)功率單元失效時(shí)，能夠立即對(duì)該單元實(shí)施旁路處理，而整個(gè)變頻器的輸出仍能維持94[%]以上的電壓，這保證了系統(tǒng)的不間斷運(yùn)行。

　　4 出廠測試

　　powersmart系列高壓變頻器檢驗(yàn)項(xiàng)目（全功率出廠測試）包括：①一般檢驗(yàn)：包括外觀、部件、元器件。②電氣間隙與爬電距離檢驗(yàn)。③安全與接地檢驗(yàn)。④外殼防護(hù)檢驗(yàn)。⑤保護(hù)功能檢驗(yàn)。⑥顯示功能檢驗(yàn)。⑦效率檢驗(yàn)。⑧功率因數(shù)檢驗(yàn)。⑨輸出電壓檢驗(yàn)。⑩頻率分辨率檢驗(yàn)。? 過載試驗(yàn)。? 連續(xù)運(yùn)行試驗(yàn)。? 啟動(dòng)特性控制實(shí)驗(yàn)。 溫升試驗(yàn)。? 諧波實(shí)驗(yàn)。?? 控制回路上電源切換實(shí)驗(yàn)。? 不間斷后備電源實(shí)驗(yàn)。? 高壓掉電短時(shí)跟蹤再啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)。 飛車啟動(dòng)試驗(yàn)。

　　每一臺(tái)PowerSmart系列高壓變頻器，在出廠時(shí)都經(jīng)過嚴(yán)格測試。九洲電氣組建了高壓大功率變頻器實(shí)驗(yàn)室。具體包括：電氣性能試驗(yàn)室，負(fù)責(zé)對(duì)產(chǎn)品的工頻耐壓、電氣絕緣、三防、效率、功率因數(shù)、產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)特性等性能進(jìn)行綜合測試。電磁兼容實(shí)驗(yàn)室，負(fù)責(zé)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行快速脈沖群、靜電、浪涌、電壓跌落等項(xiàng)目試驗(yàn)。單元模塊老化實(shí)驗(yàn)室，負(fù)責(zé)對(duì)每一個(gè)功率單元、控制單元板進(jìn)行高溫帶載72小時(shí)老化實(shí)驗(yàn)。中高壓變流試驗(yàn)站，是與羅克韋爾共同建造的，負(fù)責(zé)對(duì)中高壓等級(jí)的變頻器、軟啟動(dòng)器、兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電變流器、SVC產(chǎn)品進(jìn)行智能化帶負(fù)載性能測試。其所能測試等級(jí)為690V到10KV,最大測試功率可達(dá)到5000KW。它為高壓變頻器的技術(shù)發(fā)展提供了一個(gè)全方位的試驗(yàn)平臺(tái)。

　　(1)市場普遍接受。如果在5年以前推廣高壓變頻器，一般還要給用戶講解其原理，為什么要使用它。但是現(xiàn)在，經(jīng)過眾多廠家的共同努力，和市場使用效果的宣傳，用戶已經(jīng)普遍接受高壓變頻器，只是在眾多廠家中選擇誰的問題。

　　(2)業(yè)績很重要。高壓變頻器一般功率較大，都使用在非常關(guān)鍵的部位。所以用戶對(duì)產(chǎn)品的可靠性是最關(guān)心的?？疾榭煽啃缘淖詈棉k法，就是去已經(jīng)使用的用戶那里去了解情況，這樣的用戶越多，說服力就越強(qiáng).

　　(3)服務(wù)的重要性不容忽視。高壓變頻器是大功率的電子設(shè)備，在使用中，總會(huì)遇到一些問題，高壓變頻器工作的場合又非常關(guān)鍵，因此，對(duì)用戶的及時(shí)服務(wù)是非常重要的。服務(wù)是維持用戶關(guān)系的非常重要的方面。如果服務(wù)不到位，或者像有些國外廠家，服務(wù)和備件的價(jià)格較高，都會(huì)影響用戶的選擇。

　　(4)現(xiàn)場的適應(yīng)性非常重要。一般的高壓變頻器開發(fā)廠家，在自己的實(shí)驗(yàn)室里，都很難完全模仿用戶現(xiàn)場的情況，所以，產(chǎn)品設(shè)計(jì)的靈活性怎么樣，到了現(xiàn)場遇到問題能否盡快解決，都是非常重要的。由于耗電量大，負(fù)載又非常重要，用戶往往不希望設(shè)備較長時(shí)間的試運(yùn)行，所以，產(chǎn)品設(shè)計(jì)不嚴(yán)謹(jǐn)，一旦遇到問題，就非常難以解決。近年來，許多廠家的產(chǎn)品裹足不前，就是這個(gè)原因。

　　(5)價(jià)格進(jìn)一步下降。由于激烈的競爭，以及后來者為了奪取業(yè)績而不得已采用的低價(jià)策略，高壓變頻器的價(jià)格下降很快，在某些項(xiàng)目上，一些競爭廠家報(bào)出的價(jià)格甚至低于成本價(jià)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，高壓變頻器除了在已有的市場上繼續(xù)擴(kuò)大規(guī)模外，還將進(jìn)一步擴(kuò)展應(yīng)用的領(lǐng)域，對(duì)于很多負(fù)載，還需要解決變頻器的工程應(yīng)用上的問題?？傊邏鹤冾l器正在迎來發(fā)展的黃金時(shí)期。

　　通常，我們把用來驅(qū)動(dòng)1kV以上交流電動(dòng)機(jī)的中、大容量變頻器稱為高壓變頻器。但按國際慣例和我國國家標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)按供電電壓大于或等于10kV時(shí)稱高壓，小于10kV至1kV時(shí)應(yīng)稱為中壓。考慮到電壓大于6kV時(shí)，我國變頻器多采用交直交多電平式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。本文所討論的信號(hào)傳遞技術(shù)側(cè)重于電壓大于6kV的高壓變頻器。

　　一、高壓變頻器的電磁環(huán)境

　　包括高壓變頻器在內(nèi)的變頻器主電路一般為交-直-交拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，外部由電網(wǎng)輸入工頻電源經(jīng)三相橋路不可控整流成直流電壓信號(hào)，經(jīng)過電容濾波及大功率晶體管開關(guān)元件逆變?yōu)轭l率可變的交流信號(hào)。國內(nèi)高壓變頻器的整流部分多采用移相變壓器使電網(wǎng)的輸入電流諧波在4[%]以下。在逆變器輸出回路中，輸出電壓信號(hào)受PWM載波信號(hào)調(diào)制的脈沖波形，對(duì)于GTR大功率逆變?cè)?，其PWM的載波頻率為2-3kHz，而IGBT大功率逆變?cè)腜WM最高載波頻率可達(dá)15kHz。雖然，高壓變頻器采用移相變壓器、多重化等技術(shù)手段使變頻器的輸入輸出波形達(dá)到了令人滿意的程度，但是其功率達(dá)到兆瓦以上，電磁干擾與本身功率成正比，其電磁干擾仍然嚴(yán)重。筆者的同事用萬用表測得變頻器內(nèi)部的共模干擾電壓達(dá)到AC200V，也就是說信號(hào)線所受的共模干擾電壓在AC200V以上。

　　二、高壓變頻器信號(hào)所受電磁干擾的傳播途徑

　　高壓變頻器能產(chǎn)生功率非常大的諧波，對(duì)自身與其它設(shè)備干擾性較強(qiáng)。其干擾傳播途徑與一般電磁干擾途徑是一致的，主要分電磁輻射、傳導(dǎo)和感應(yīng)耦合。其具體表現(xiàn)為：

　?。?）對(duì)周圍的電子、電氣設(shè)備產(chǎn)生電磁輻射。高壓變頻器的逆變橋采用PWM技術(shù)，當(dāng)根據(jù)給定頻率和幅值指令產(chǎn)生預(yù)期的和可重復(fù)的開關(guān)模式時(shí)，其輸出的電壓和電流的功率頻譜是離散的，并且?guī)в信c開關(guān)頻率相應(yīng)的高次諧波群。高載波頻率和場控開關(guān)器件的高速切換（du/dt可達(dá)1kV/us以上）所引起的輻射干擾問題相當(dāng)突出。

　?。?）強(qiáng)電磁干擾環(huán)境中的變頻器電路產(chǎn)生感應(yīng)耦合，感應(yīng)出干擾電壓或電流。當(dāng)回路1對(duì)回路2造成磁場耦合干擾時(shí)，在回路2上形成的串聯(lián)干擾電壓UN為式中ω — 干擾信號(hào)的角頻率；

　　B — 干擾源回路1形成的磁場連接回路2處的磁通密度；

　　A — 為回路2感受磁場感應(yīng)的磁通的閉合面積；

　　θ — B和A兩個(gè)適量的夾角。

　　電磁耦合干擾主要由兩類組成：一是惡劣電磁環(huán)境中的金屬導(dǎo)線回路產(chǎn)生非常高的共模電壓；二是所測量的電信號(hào)本省含有豐富的噪聲。當(dāng)變頻器的信號(hào)傳輸線路和變頻器的功率逆變器件的物理距離比較近時(shí)，逆變器件的高次諧波信號(hào)將通過感應(yīng)的方式耦合到信號(hào)中去。

　　三、高壓變頻器的信號(hào)傳遞技術(shù)

　　據(jù)電磁性的基本原理，形成電磁干擾（EMI）須具備三要素:電磁干擾源、電磁干擾途徑、對(duì)電磁干擾敏感的系統(tǒng)。電磁干擾源不在本文的討論范圍之內(nèi)，本文主要從切斷電磁干擾途徑和降低系統(tǒng)對(duì)電磁干擾的敏感性兩個(gè)方面討論高壓變頻器的信號(hào)傳遞技術(shù)。高壓變頻器主要從以下幾個(gè)方面來保障信號(hào)傳遞技術(shù)的。

　　（1）在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)選擇抗干擾性強(qiáng)的信號(hào)傳遞技術(shù)，如優(yōu)先考慮數(shù)字型與電流型信號(hào)。數(shù)字信號(hào)的抗干擾能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于模擬信號(hào)。除測量用模擬信號(hào)外，在數(shù)字信號(hào)滿足信號(hào)傳輸速度的前提下應(yīng)優(yōu)先考慮采用數(shù)字信號(hào)。惡劣的電磁環(huán)境對(duì)信號(hào)電纜的影響主要是產(chǎn)生共模電壓干擾，電流型信號(hào)在傳輸通路中不會(huì)出現(xiàn)在同一回路中各點(diǎn)電流大小不一致的問題，有很強(qiáng)的抗感應(yīng)式干擾的能力，推薦采用工業(yè)上常用的4-20mA信號(hào)。

　?。?）當(dāng)傳遞數(shù)字信號(hào)或電平信號(hào)時(shí)，采用光纖作為傳輸介質(zhì)傳遞信號(hào)。以光波的形式傳遞信號(hào)，可以從根本上杜絕信號(hào)在傳輸過程中所受干擾；信號(hào)在光纖中以光速傳輸，光纖傳輸信號(hào)速度快；采用光纖可以節(jié)省有色金屬-銅，比電纜傳輸信號(hào)經(jīng)濟(jì)。

　　（3）隔離，隔離是切除電磁輻射和傳導(dǎo)干擾的有效方法，可以避免干擾信號(hào)傳入下一級(jí)信號(hào)處理電路。隔離是指切斷信號(hào)的電氣傳播途徑，在信號(hào)傳輸?shù)倪^程中利用光或磁來耦合輸入信號(hào)。隔離可分為對(duì)模擬信號(hào)的隔離和對(duì)數(shù)字信號(hào)的隔離兩種信號(hào)隔離方法。常用的模擬信號(hào)的隔離措施為隔離放大器和隔離變壓器。常用的數(shù)字信號(hào)隔離方法為采用光電耦合器，光電耦合器分普通型和高速型兩種。圖1（a）為模型信號(hào)隔離放大器ISO124原理圖，（b）為雙通道高速數(shù)字信號(hào)光電耦合器原理圖。

　　將不同種類的信號(hào)線隔離鋪設(shè)（不在同一電纜槽中或在同一電纜槽中用金屬隔板隔開），可以根據(jù)信號(hào)不同類型將其按抗噪聲干擾能力分類鋪設(shè)。

　?。?）屏蔽是限制內(nèi)部的電磁能量越出某一區(qū)域和防止外來的能量進(jìn)入某一區(qū)域。一般常用于隔離和衰減輻射干擾，屏蔽的實(shí)質(zhì)是由具有良好導(dǎo)電性能的金屬材料制成的一個(gè)全封閉的殼體。在高壓變頻器中傳輸電信號(hào)時(shí)均需采用屏蔽電纜，在使用中需要注意以下幾點(diǎn)：①屏蔽體單端接地，有時(shí)也稱為靜電屏蔽。屏蔽層靠近變頻器的一端，應(yīng)接控制電路的公共端（COM），但不要接到變頻器的接地端（E）或大地，如圖2所示。②當(dāng)干擾電場很強(qiáng)而電路靈敏度又高時(shí)，可采用雙層屏蔽。注意：內(nèi)外屏蔽層之間只能一點(diǎn)連接，且要加濾波電路，兩層之間距離應(yīng)盡可能大。③為防止空間電磁波對(duì)高靈敏度接收調(diào)和的干擾，可采用金屬網(wǎng)屏蔽室。

　　（5）接地。接地的作用概括起來只有兩種：保護(hù)人和設(shè)備不受損害的保護(hù)接地和為了抑制電磁干擾的接地即工作接地。在此只討論工作接地的問題，工作接地是為了使變頻控制系統(tǒng)及與之相連的儀表均能可靠運(yùn)行并保證測量和控制精度而設(shè)的接地。在高壓變頻器信號(hào)傳遞中需要考慮信號(hào)回路接地、屏蔽接地，高壓變頻器用于石化或其他防暴系統(tǒng)中還有本安接地的問題。

　　信號(hào)回路接地，如各變頻器的負(fù)端接地，開關(guān)信號(hào)的負(fù)端接地等。信號(hào)地的處理原則上不允許各變送器和其他的傳感器在現(xiàn)場接地，而應(yīng)都將其負(fù)端在變頻器端子處一點(diǎn)接地。但在有些場合，現(xiàn)場必須接地，這時(shí)必須注意原信號(hào)的輸入端子（上雙端）絕對(duì)不允許和變頻控制系統(tǒng)的接地線有任何電氣連線，而變頻控制系統(tǒng)在處理這類信號(hào)時(shí)，必須在前端采用有效的隔離措施。

　　屏蔽接地（模擬信號(hào)的屏蔽接地），模擬地是所有的接地中要求最高的一種，高壓變頻器要求接地電阻小于0.1Ω，需在變頻器機(jī)柜內(nèi)部安裝模擬地匯流排或其他設(shè)施。用戶在接線時(shí)將屏蔽線分別接到模擬地匯流排上，在機(jī)柜底部，用絕緣多股銅線連接到一點(diǎn)，然后將各機(jī)柜的匯流排用絕緣多股銅導(dǎo)線或銅條以輻射狀連接到接地點(diǎn)。注意各機(jī)柜之間的連接電阻需小于1Ω。

　　本安接地，是本安儀表或安全柵的接地。這種接地除了可抑制干擾外，還是使儀表和系統(tǒng)具有本質(zhì)安全性質(zhì)的措施之一。本安接地會(huì)因采用的設(shè)備不同而不同，安全柵的作用是使危險(xiǎn)現(xiàn)場端永遠(yuǎn)處于安全電源和安全電壓范圍之內(nèi)。如果現(xiàn)場端短路，由于負(fù)載電阻和安全柵電阻R的限流作用，會(huì)將導(dǎo)線上的電流限制在安全范圍之內(nèi)，使現(xiàn)場端不至于產(chǎn)生很高的溫度，引起燃燒。如果變頻器一端產(chǎn)生故障，則高壓信號(hào)加入信號(hào)回路，則由于齊納二極管的作用，也使電壓處于安全范圍。

　?。?）使用雙絞線。雙絞線的絞扭節(jié)距把式（1）中的A回路分隔成許多小回路，如果雙絞線的絞扭一致，那么這些小回路的面積相等而方向相反，因此其磁場干擾可以相互抵消。但需要說明的是雙絞線的結(jié)構(gòu)對(duì)電場耦合干擾沒有抑制能力。當(dāng)給雙絞線加上屏蔽層后，其抑制干擾能力更強(qiáng)。圖3 示出了幾種雙絞線的使用方法，讀者可作比較。如果每2.54cm扭6個(gè)均勻絞扭，對(duì)磁場干擾得抑制dB數(shù)入圖所示。其中圖3（a）采用單端接地的方式，對(duì)磁場干擾具有高達(dá)55dB的衰減能力。而圖3（b）由于雙端接地，地線阻抗與信號(hào)線阻抗不對(duì)稱，地環(huán)流造成了雙絞線電流不平衡，因此降低了雙絞線抗磁場干擾能力，只有13dB的磁場干擾能力。圖3（c）的屏蔽層雙端接地，具有一定的抑制磁場耦合干擾能力，加上雙絞線本身的作用，具有63dB的衰減。圖3（d）的屏蔽層和雙絞線都兩端接地，其效果只是比圖3（b）好，只有63dB的衰減。

　　四、結(jié)束語

　　如前所述，高壓變頻器的電磁環(huán)境除具有一般電子設(shè)備的共性外，還具有自己的特性。在考慮其信號(hào)傳輸時(shí)，需綜合采用本文中所提的這些信號(hào)傳輸技術(shù)。我們公司的風(fēng)光牌變頻器正是因?yàn)椴捎昧松鲜龅男盘?hào)傳輸技術(shù)，產(chǎn)品的可靠性得到保障。亦是我們公司的產(chǎn)品被評(píng)為中國名牌的因素之一。

　　1　前言

　　隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，高壓大功率變頻調(diào)速裝置不斷地成熟起來，原來一直難于解決的高壓問題，近年來通過器件串聯(lián)或單元串聯(lián)得到了很好的解決。其應(yīng)用的領(lǐng)域和范圍也越來越為廣范，這使得高效、合理地利用能源（尤其是電能）成為了可能。電機(jī)是國民經(jīng)濟(jì)中主要的耗電大戶，高壓大功率的更為突出，而這些設(shè)備大部分都有節(jié)能的潛力。大力發(fā)展高壓大功率變頻調(diào)速技術(shù)，，將是時(shí)代賦予我們的一項(xiàng)神圣使命，而這一使命也將具有深遠(yuǎn)的意義。

　　2　高壓變頻器的分類及其電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　高壓變頻器的種類繁多，其分類方法也多種多樣。按著中間環(huán)節(jié)有無直流部分，可分為交交變頻器和交直交變頻器；按著直流部分的性質(zhì)，可分為電流型和電壓型變頻器；按著有無中間低壓回路，可分為高高變頻器和高低高變頻器；按著輸出電平數(shù)，可分為兩電平、三電平、五電平及多電平變頻器；按著電壓等級(jí)和用途，可分為通用變頻器和高壓變頻器；按著嵌位方式，可分為二極管嵌位型和電容嵌位型變頻器等等。

　　2.1電流型變頻器

　　由于在變頻器的直流環(huán)節(jié)采用了電感元件而得名，其優(yōu)點(diǎn)是具有四象限運(yùn)行能力，能很方便地實(shí)現(xiàn)電機(jī)的制動(dòng)功能。缺點(diǎn)是需要對(duì)逆變橋進(jìn)行強(qiáng)迫換流，裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)整較為困難。另外，由于電網(wǎng)側(cè)采用可控硅移相整流，故輸入電流諧波較大，容量大時(shí)對(duì)電網(wǎng)會(huì)有一定的影響。如圖1、3所示。

　　2.2電壓型變頻器

　　由于在變頻器的直流環(huán)節(jié)采用了電容元件而得名，其特點(diǎn)是不能進(jìn)行四象限運(yùn)行，當(dāng)負(fù)載電動(dòng)機(jī)需要制動(dòng)時(shí)，需要另行安裝制動(dòng)電路。功率較大時(shí)，輸出還需要增設(shè)正弦波濾波器。如圖2、4所示。

　　2.3高低高變頻器

　　采用升降壓的辦法，將低壓或通用變頻器應(yīng)用在中、高壓環(huán)境中而得名。原理是通過降壓變壓器，將電網(wǎng)電壓降到低壓變頻器額定或允許的電壓輸入范圍內(nèi)，經(jīng)變頻器的變換形成頻率和幅度都可變的交流電，再經(jīng)過升壓變壓器變換成電機(jī)所需要的電壓等級(jí)。

　　這種方式，由于采用標(biāo)準(zhǔn)的低壓變頻器，配合降壓，升壓變壓器，故可以任意匹配電網(wǎng)及電動(dòng)機(jī)的電壓等級(jí)，容量小的時(shí)侯（

　　一般高低高變頻器可分為電流型和電壓型兩種。

　　2.3.1高低高電流型變頻器

　　電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，在低壓變頻器的直流環(huán)節(jié)由于采用了電感元件而得名。輸入側(cè)采用可控硅移相控制整流，控制電動(dòng)機(jī)的電流，輸出側(cè)為強(qiáng)迫換流方式，控制電動(dòng)機(jī)的頻率和相位。能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的四象限運(yùn)行。

　　圖1

　　2.3.2高低高電壓型變頻器

　　電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，在低壓變頻器的直流環(huán)節(jié)由于采用了電容元件而得名。輸入側(cè)可采用可控硅移相控制整流，也可以采用二極管三相橋直接整流，電容的作用是濾波和儲(chǔ)能。逆變或變流電路可采用GTO ，IGBT，IGCT 或 SCR元件，通過SPWM變換，即可得到頻率和幅度都可變的交流電，再經(jīng)升壓變壓器變換成電機(jī)所需要的電壓等級(jí)。需要指出的是，在變流電路至升壓變壓器之間還需要置入正弦波濾波器(F)，否則升壓變壓器會(huì)因輸入諧波或dv/dt過大而發(fā)熱，或破壞繞組的絕緣。該正弦波濾波器成本很高，一般相當(dāng)于低壓變頻器的1/3到1/2的價(jià)格。

　　圖2

　　2.4高高變頻器

　　高高變頻器無需升降壓變壓器，功率器件在電網(wǎng)與電動(dòng)機(jī)之間直接構(gòu)建變換器。由于功率器件耐壓問題難于解決，目前國際通用做法是采用器件串聯(lián)的辦法來提高電壓等級(jí)，其缺點(diǎn)是需要解決器件均壓和緩沖難題，技術(shù)復(fù)雜，難度大。但這種變頻器由于沒有升降壓變壓器，故其效率較高低高方式的高，而且結(jié)構(gòu)比較緊湊。

　　高高變頻器也可分為電流型和電壓型兩種。

　　2.4.1高高電流型變頻器

　　它采用GTO，SCR或IGCT元件串聯(lián)的辦法實(shí)現(xiàn)直接的高壓變頻，目前電壓可達(dá)10KV。由于直流環(huán)節(jié)使用了電感元件，其對(duì)電流不夠敏感，因此不容易發(fā)生過流故障，逆變器工作也很可靠，保護(hù)性能良好。其輸入側(cè)采用可控硅相控整流，輸入電流諧波較大。變頻裝置容量大時(shí)要考慮對(duì)電網(wǎng)的污染和對(duì)通信電子設(shè)備的干擾問題。均壓和緩沖電路，技術(shù)復(fù)雜，成本高。由于器件較多，裝置體積大，調(diào)整和維修都比較困難。逆變橋采用強(qiáng)迫換流，發(fā)熱量也比較大，需要解決器件的散熱問題。其優(yōu)點(diǎn)在于具有四象限運(yùn)行能力，可以制動(dòng)。

　　需要特別說明的是，該類變頻器由于較低的輸入功率因數(shù)和較高的輸入輸出諧波，故需要在其輸入輸出側(cè)安裝高壓自愈電容。

　　其電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　圖3

　　2.4.2高高電壓型變頻器

　　如圖4所示，電路結(jié)構(gòu)采用IGBT 直接串聯(lián)技術(shù)，也叫直接器件串聯(lián)型高壓變頻器。其在直流環(huán)節(jié)使用高壓電容進(jìn)行濾波和儲(chǔ)能，輸出電壓可達(dá)6KV，其優(yōu)點(diǎn)是可以采用較低耐壓的功率器件，串聯(lián)橋臂上的所有IGBT作用相同，能夠?qū)崿F(xiàn)互為備用，或者進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)。缺點(diǎn)是電平數(shù)較低，僅為兩電平，輸出電壓dV/dt也較大，需要采用特種電動(dòng)機(jī)或整加高壓正弦波濾波器，其成本會(huì)增加許多。它不具有四象限運(yùn)行功能，制動(dòng)時(shí)需另行安裝制動(dòng)單元。

　　這種變頻器同樣需要解決器件的均壓問題，一般需特殊設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路和緩沖電路。對(duì)于IGBT驅(qū)動(dòng)電路的延時(shí)也有極其苛刻的要求。一旦IGBT的開通、關(guān)閉的時(shí)間不一致，或者上升、下降沿的斜率相差太懸殊，均會(huì)造成功率器件的損壞。

　　圖4

　　2.5嵌位型變頻器

　　鉗位型變頻器一般可分為二極管鉗位型和電容鉗位型。

　　2.5.1二極管嵌位型變頻器

　　電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示，它既可以實(shí)現(xiàn)二極管中點(diǎn)嵌位，也可以實(shí)現(xiàn)三電平或更多電平的輸出，其技術(shù)難度較直接器件串聯(lián)型變頻器低。由于直流環(huán)節(jié)采用了電容元件，因此它仍屬于電壓型變頻器。這種變頻器需要設(shè)置輸入變壓器，它的作用是隔離與星角變換，能夠?qū)崿F(xiàn)12脈沖整流，并提供中間嵌位零電平。通過輔助二極管將IGBT等功率器件強(qiáng)行嵌位于中間零電平上，從而使IGBT兩端不會(huì)因過壓而燒毀，又實(shí)現(xiàn)了多電平的輸出。

　　這種變頻器結(jié)構(gòu)，輸出可以不安裝正弦波濾波器。

　　圖5

　　2.5.2電容嵌位型變頻器

　　電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖6所示，它采用同橋臂增設(shè)懸浮電容的辦法實(shí)現(xiàn)了功率器件的嵌位，目前這種變頻器應(yīng)用的比較少。

　　圖6

　　2.6單元串聯(lián)型變頻器

　　這是近幾年才發(fā)展起來的一種電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它主要由輸入變壓器、功率單元和控制單元三大部分組成。采用模塊化設(shè)計(jì)，由于采用功率單元相互串聯(lián)的辦法解決了高壓的難題而得名，可直接驅(qū)動(dòng)交流電動(dòng)機(jī)，無需輸出變壓器，更不需要任何形式的濾波器。

　　如圖7所示，以6單元串聯(lián)為例。整套變頻器共有18個(gè)功率單元，每相由6臺(tái)功率單元相串聯(lián)，并組成Y形連接，直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)。每臺(tái)功率單元電路、結(jié)構(gòu)完全相同，可以互換，也可以互為備用。

　　變頻器的輸入部分是一臺(tái)移相變壓器，原邊Y形連接，副邊采用沿邊三角形連接，共18副三相繞組，分別為每臺(tái)功率單元供電。它們被平均分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三大部分，每部分具有６副三相小繞組，之間均勻相位移10度。

　　該變頻器的特點(diǎn)如下：

　?、? 采用多重化PWM方式控制，輸出電壓波形接近正弦波。

　?、? 整流電路的多重化，脈沖數(shù)多達(dá)36，功率因數(shù)高，輸入諧波小。

　　③? 模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊，維護(hù)方便，增強(qiáng)了產(chǎn)品的互換性。

　?、? 直接高壓輸出，無需輸出變壓器。

　?、? 極低的dv/dt輸出，無需任何形式的濾波器。

　?、? 采用光纖通訊技術(shù)，提高了產(chǎn)品的抗干擾能力和可靠性。

　　⑦? 功率單元自動(dòng)旁通電路，能夠?qū)崿F(xiàn)故障不停機(jī)功能。

　　3　高壓變頻器的主要應(yīng)用領(lǐng)域

　　高壓大功率變頻調(diào)速裝置被廣泛地應(yīng)用于石油化工、市政供水、冶金鋼鐵、電力能源等行業(yè)的各種風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)、軋鋼機(jī)等。