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1、应用在工业系统中高压多电平变频器的剖析沟通电机变频调速已经是当前各行各业都普遍关注的重大工程。人们期待用高效率、高可靠而又经济可承受的变频技术来调节沟通电机的转速已达上百年的历史了。在20世纪60年代后半期，电力半导体器件及其在变频器应用中的进步，成就了兴旺国家在70年代初的第一次世界能源危机期间用变频调速实现高效节能事业的大开展。对于沟通电动机，改变频率即能调速。随着可控硅、GTO、IGCT和IGBT等电力电子元器件的开发，相应的控制技术的开展和这些电力电子器件的高度集成化，使得变频器在工业中得到了更广泛的应用。受限于电力电子元器件的开发与应用，在过去的十几年中还根本上是以低压变频调速装置为
2、主，即：电压为380V690V，工业中大量应用的大容量的高电压的沟通电动机还仅仅采用其他的调速方式或者不调速的形式运行在工业系统当中，进而消耗了大量的能源。 根据目前各主要变频器的制造厂家的不同研制和开发，现有的高压变频器的组成方式也不尽一样。根据电压的不同，可分为直接高压型和通过升压变压器的高-低-高型实际为低压变频器；根据中间的耦合形式，分为交-交型的变频器和交-直-交型的变频器；而根据中间直流偶合环节组合的不同又分为电压源型的变频器和电流源型的变频器。我们知道低电压变频器的拓扑构造都为统一形式的二电平构造方式。而由于电力电子元器件的耐压受到限制，不同的电力电子元器件的开关频率的不同，使得
3、近年来开发出来的高电压、大容量的变频器的拓扑构造形式也是各有千秋。但考虑到整个系统的简单、可靠和经济，目前应用的高压变频器的拓扑构造还主要集中在三电平和四电平的形式上。 近两年来我国在工业新上工程中先后从欧洲的阿尔斯通电气公司引进了几套四电平电压源拓扑构造形式的高压变频器，它们先后应用在我国的太原钢铁公司、宝新不锈钢厂隶属于宝钢、青岛钢铁和天津无缝钢铁总公司。其传动系统采用的是当今传动控制中最为先进的ALSTOM公司的多电平拓扑构造、IGBT元器件的沟通高压变频调速装置。此系统的最大特点是，系统为沟通高压变频调速装置；主回路采用的是四电平IGBT构造；3台4MW的沟通同步主电机共用一条公用直流
4、母线，到达了系统的高性能工艺调速要求，同时系统方案又经济、可靠、节能和最优化配置。整流那么采用的是当今最为先进的称之为清洁型能源变流器1。此类变频器即可应用在风机、泵、压缩机类的主转动上，也可应用在 工艺性能要求高的轧机消费上和大型船舶驱动上。 2、系统的构造组成 近年来随着电力电子元器件和控制系统构造的开展，GTO、IGCT和IGBT的开发以及变频技术构造形式上的开展，使得高压、大容量变频器得以迅速应用在工业系统当中。变频传动装置首先经历的是在原有的二电平控制构造根底上并串联上多个元器件，其二电平输出波形见图1a。元器件的并联连接，输出电压要知足元器件承受电压的要求，这种连接方式所引起的问题
5、与复杂的均流装置相绞合在一起，电路的复杂程度经常易造成元器件的损坏；对于串联元器件的连接形式，输出电流同样要知足元器件的承受才能要求，要确保其分布在元器件上的电压在任何情况下都要平衡，故也轻易经常发生系统的故障。因此从系统的可靠性的角度来讲，它们都很难保证系统的可靠运行，同时输出波形也很差。 图1 不同电平构造图和输出波形图 近年来在电力电子元器件开展的同时，变频器的拓扑构造也在随之得到开发，伴随着电力电子元器件的耐压和承受电流的限制，变频器的拓扑构造相继出现了三电平、四电平和多电平构造的形式。对于三电平、四电平和多电平构造的变频器，它提供应电动机非常小的谐波电流且电流波形也更接近沟通电动机要
6、求的正弦波电流波形，如图1所示。通过这种拓扑构造我们可知随着多电平的增加，其电压幅值在相应的降低，这使功率元器件所承受的电压降低，更加有利于减少装置产生的dv/dt。当前的大容量、高压变频器，既要保证大功率的输出，又要确保系统的可靠运行，还要保证输出波形更趋近于正弦波。目前在高压、大容量的变频器中经常采用的多电平的构造和输出波形如图1所示。三电平的构造方案在近年来的开展中既使用有GTO以及最近的IGCT中元器件，也采用在IGBT的方案中目前几个著名的大公司如西门子，ABB和阿尔斯通都有此类产品。但它的缺乏是元器件的导通或者阻断是由箝位二极管来加以保证的，箝位二极管的耐压要求较高，数目庞大；开关
7、器件的导通负荷不一致；在变流器进展有功功率传送时，直流侧各电容的冲放电时间各不一样，轻易造成电容电压的不平衡，增加了系统动态控制的难度；同时这种构造的扩展才能也很有限。 随着当代拓扑技术的开展，多电平的变频技术构造方案得以在工业系统中应用。图2就是最近我国从欧洲阿尔斯通公司引进的应用于轧机控制的高压、大容量、四电平变频器的拓扑构造图，从图2中可以清楚地看到它的构造特点，即模块化的构造。这种变频器的特点是保证了元器件的串并联连接，同时它又不是元器件的简单的串并联而是从构造上的串联连接，它确保了电压平安和自然分配。其最为明显的特点为： 目前我们知道在工业中采用的高压标准为3.3kV，4.2kV，5
8、.5kV，6.6kV，按照这些标准，通过整体的单元装置的串并联拓扑构造技术去知足不同等级的电压要求；由于这种构造特点，使当今系统普遍采用的多台变频共用一条直流母线的方案非常轻易实现，以到达在系统内部的能量相互交换；这种构造取消了我们传统构造中的在各级元器件上的诸多分压分流保护装置，可以使电路的各个单元彼此互相隔离，使得系统既简单，又可靠且易于维护。进而消除了串并列多个半导体元件所带来的系统可靠性差的因素；由于此构造采用的是IGBT元器件，它的开管频率高，触发电流小，且IGBT非常轻易在市场找到，进而为我们的开发和应用带来了极大的选择时机。图2 四电平构造原理图 从图2可以看出，这种构造的输出波形非常接近于正弦波形。大容量的沟通变频传动系统对传输电缆以及电机和变压器绕组的危害性最大。而对于多电平构造系统正好在这方面是它的上风，应该讲电平级数越多其输出波形越接近于正弦波。