变频网新型移相串联式高压变频器Diamond-HV系列

0 引言

一种新型移相串联式SPWM(正弦脉宽调制)高压变频器现已在北京新钻石技术公司批量生产。Diamond-HV系列高压变频器，综合了德国的生产工艺和北京新钻石技术公司的技术研究开发的成果，它使用了高压绝缘栅双极晶体管(HV-IGBT)功率半导体器件以及全桥多级串联的变频技术。变频器为模块化设计，安全可靠。具有很低的谐波失真，并能直接驱动高压异步电动机。下面主要介绍这一高压变频器。

1 系统结构

图1 所示为Diamond-HV 高压变频器，它由移相变压器、功率模块和控制器模块三部分组成。移相串联式高压变频器使用了三组单独串联的功率模块，以便产生高压输出，其原理如图2所示。

输入的高压电源接至绝缘的移相变压器的一次绕组。变压器有9个绝缘的二次绕组，这些二次绕组分别与功率模块连接，功率模块对电源电压进行整流和滤波，以形成直流(DC)高电压。利用移相的正弦脉宽调制(SPWM)技术，将高的直流电压逆变为所需频率的交流(AC)电压，绝缘的成组AC 电压输出串联连接一起，则形成Y接三相输出电源，如图2所示。对于典型的6 kV变频器，每相将由3个1 275 V功率模块串联，形成3 825 V总的相电压输出。而线电压约为6 600 V。每一功率模块携带满负荷电流，但它们仅提供1/9的输出功率和1/3的相电压。在这一设计中，串联的功率模块数和用于功率模块中每一电力半导体器件的分级电压，决定着该变频器的输出电压。安装的电力半导体器件的电流定额则为变频器的最大输出电流。功率模块电路如图3所示。

在高电压应用领域使用了多级串联的电力半导体器件，为避免关系到多级串联的开关定时故障，变频器采用了高电压大功率的串联式功率模块设计。

在此实例中，利用了300 V HV-IGBT的功率模块，因为所用的功率模块数量更少，使成本大幅下降。而且，含有较少的电力半导体器件的系统工作更可靠。

移相的多级串联SPWM设计的实现，满足了对输入和输出谐波含量的工业要求。

2 多绕组移相输入设计

带3 个Delta(D)连接和6 个延边Delta 连接的二次绕组的三相移相、绝缘变压器用作输入变压器，旨在将输入电网的谐波减到最小。这9个二次绕组之中，3 个绕组的移相为+20°;3 个绕组的移相为0°;还有3个绕组移相为-20°。如图4所示。

每个三相二次绕组电源分别接到功率模块。该功率模块通过三相桥整流将交流电压变换为直流电压，DC 电压的波形是对称的，且每隔π/3(60°)的电角度重复，因而具有6个台阶波形的特性。

当把输入电源移相为+20°、0°和-20°的每一组3 个功率模块(共3 组)串联在一起时，组合的串联电压A将具有18个台阶波形的特性，波形是对称的，且每π/9(20°)角重复。18阶的电压波形只有(18n±1)次的谐波(n为正整数，也即谐波次数为17、19、35、37等)。由于这些谐波的次数高，故输入电流波形接近于正弦波，总的谐波电流失真度(THD)低于3%，变频器勿需任何笨重、昂贵的低通滤波器(LPF)。

功率模块与带储能电容的三相二极管的桥式整流器结合，可提供较好的功率因数和较少的谐波失真。因电容器能供给电动机所需的无功功率，功率因数可达到0.96甚至更高，没有必要装设附加的功率因数补偿。

由于二极管整流器无法控制电角度，因开关切换操作或闪电导致浪涌(冲击)电压，将经过变压器穿通变频器。如功率模块在二极管整流器后接上大的电容器，则任何通过二极管的浪涌电流，将被电容器吸收并滤波，因而变频器是安全的，能经受住这样的冲击。

3 移相SPWM 输出技术

变频器在其功率模块中利用了多重移相、多级串联的SPWM技术，一个标准的功率模块将产生幅值和相位相同的同样标准的基本输出。3个功率模块形成一组，每组功率模块的载波信号按2π/3(120°)角交错移相(相位相互错开120°)。

3 个串联的功率模块将组合为多重移相、多级串联SPWM的电压输出，其中含有关系到谐波的载波频率(棕c)，关系到边带(Sideband)的调制频率(棕)。由于载波频率棕c 相对比较高，在输出电压中这些谐波藉电机额定的漏电感滤波，故输出电压实际会接近正弦波形，如图5 所示。

按照这一设计，输出电压波形具有的谐波含量则低于2.33%。由于谐波含量低，谐波对电动机感生的热量，引发的噪音和转矩脉动，均将大幅度减小。

为了降低开关损耗，功率模块采用了低的开关频率。因而，没有必要附加浪涌吸收电路，变频器的频率大为改善。

反电动势(CEMF)是由同步旋转的气隙磁通波产生的。当输出电缆长度超过临界值时，由于藉反射的CEMF 引起的过电压而产生电压波形的脉动，可能损坏电动机的绝缘。Diamond-HV高压变频器的输出电压变化速率(du/dt)低，第一电压台阶的变化只有总的相电压台阶变化的1/3。这一总的相电压阶跃值是由多重移相SPWM技术所期望达到的值。因此，绝缘损坏的风险就大大降低了。

4 通信和旁路技术

主要控制系统与功率模块的通信是通过光(电)缆，低压部分和高压部分是完全绝缘的。所有功率模块的外壳均接地，因此可减小电磁干扰(EMI)，确保系统的安全可靠。功率模块连接简单，仅带3 个输入、2个输出的高压连接和4个光缆连接。

当装有备用功率模块时，控制器可配置成在故障时将备用的功率模块取代故障的功率模块。

控制功能中还可以将负荷电源切换到直接输入电源，以便维修时使变频器旁路而勿需中断工作。

5 控制器和接口

控制器模块是对变频器的系统控制。它操作控制所有的通信，包括通过光缆与功率模块的信号接口。在控制器模块内部，它与可编程逻辑控制器(PLC)结合，以增加系统的灵活性。PLC 不仅处理逻辑信号的开关切换和操控，而且还配合协调现场的各种操作信号和状态信号。

其它变频器制造商使用了特殊设计的专用计算机或专门的工控机用于控制和通信。因为计算机和控制器硬件及软件不断在升级，因此更新换代时必须进行相应的调整，这就降低了变频系统的灵活性和可靠性。

可编程(序)的操作显示终端及触摸屏的输入显示单元，均被用于人/ 机操作接口，显示器将显示用于变频器和电机的全部参数。为了简易方便和可靠地使用，这一输入显示单元能用中文和英文编成程序。该变频器对大范围的监视及网络控制提供了标准的工业接口。

控制器模块为确保高压变频器的工作可靠性，采用了超大规模集成电路。移相的SPWM 技术保证在所有频率范围内，电机的运行是最佳的。

6 应用领域与节能效果

Diamond-HV高压变频器操作简单，具有良好的控制性能。它广泛应用于诸如电力、石油化工、冶金、水泥和供水等各类工业领域。市场应用包括任何大功率高压变频系统，配电控制系统，电气设备紧急保护，电气谐波探测以及遥控检测和监视系统等。

例如北京燕山石油精炼集团中华Beiwu水厂安装了Diamond-HV 高压变频器后，统计安装前每天的耗电量为14 000 kW·h，安装后每天的平均耗电则为9 000 kW·h，每天节约5 000 kW·h，这就是说，能量利用的改善将近36%。按每kW·h 最低0.6 元计算，每年将节约109.5万元。

通过上面计算可知，变频器的成本在半年左右的时间内就能回收，而且安装变频器以后电机经常可处于小容量运转。因此，利用这一变频器系统，与原来的系统比较，节约的能量是巨大的。

随着环保要求的日益提高，以及为满足我们随时增加的用电需求，会导致矿物石化燃料利用与成本的日益增加，因此进行变频改造势在必行。

7 结语

Diamond-HV移相串联式高压变频器设计新颖，结构紧凑。它使用的零部件少，确保了工作的可靠性。它能提供一平衡的负荷并具有良好的线性度;变频器操作简单，控制性能优良。移相变压器和移相SPWM的利用，确保了输入/输出谐波含量低以及输出电压变化率du/dt 小，最突出的特点是节能，且能很快收回成本。