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1、新型油气压缩机用高压M2C变频器(2)面对3L-NPC变频器在中国市场的不利场面，ABB和日本TMEIC公司为适应中国对6kv的需求，利用己有的中点钳位三电平技术和相支路功率组件(PEBB)开发出改良产品基于三电平H桥的五电平变频器5L-HNPC。5L-HNPC变频器的特点及与其它变频器的比拟：1)5L-HNPC可以输出6(6.9)kV，固然符合国标中的保存电压等级，但低于国标推荐的10kV，对功率接近和超过10MW的大功率装置来讲6kV仍偏低。2)与3L-NPC相比，5L-HNPC输出相电压电平数从3增至5，谐波有所减小。6kV的M2C和CHB变频器(k=5)的相电压电平数=11，远大于5L
2、-HNPC。国家电控配电设备质量监视检验中心应用户委托对5L-HNPC进展了检验，结论是电流输出谐波含量明显偏大，电机噪音明显比工频运行时大很多，对电机的稳定运行有一定的影响。3)与3L-NPC相比，5L-HNPC的电平数增加，但因仍使用4.5kV高压器件，输出电压跳变台阶幅值DVstep2.5kV没变，相应dv/dt也沒变，只是相对变频器额定输出电压来讲减小了，电机和电缆仍需加强绝缘。根据TMEIC公司的计算：变频器最大输出电压峰值=4DVstep(见图11)，dv/dt引起的过压尖峰最大1DVstep，因此电机端部最大尖峰电压=5DVstep12.5kV，折算到有效值8.8kV，建议采用1
3、1kV绝缘。4)和CHB一样，5L-HNPC的贮能电容也接在单相逆变桥直流输入端，都需吸收直流母线电流中的大幅值2倍输出频率之沟通分量，它们每MVA的电容总能量差不多，比3L-NPC大很多。和CHB不同，因电压高5L-HNPC使用薄膜电容。5)因5L-HNPC也使用高压开关器件，它每MVA的芯片总面积与和3L-NPC差不多，比CHB大，和M2C差不多16。6)5L-HNPC有6套整流电源，36脉波整流，电网侧电流谐波非常小。由于整流变压器多套副方绕组间的移相及幅值误差，实际的谐波减小效果和30或者24脉波整流相差不大。整流电源套数多使其丧失3L-NPC实现制动能量吸收或者回馈轻易的优点。5L-
4、HNPC使用油浸变压器。7)美国IEEE的综述报告指出2，与使用4.5kv器件的两级串联(k=2)的CHB变频器相比，5L-HNPC的输出电压大小和波形、电平数，全控器件数，整流电源数，变压器复杂性及dv/dt等都和CHB一样，但多用12支钳位二极管，没什么优点。ABB和TMEIC公司由于己有成熟的3L-NPC技术和相支路功率组件(PEBB)才选用此方案。尽管5L-HNPC只是3L-NPC的改良，未能完全解决它的问题，还是受国内不少用户欢送，在大功率节能调速领域占一席之地。.冗余和可靠性M2C和CHB是级联型变频器，由多个功率单元串联构成。为进步可靠性，可以在设计时多串联一个单元(k+1冗余)
5、或者两个单元(k+2冗余)，出现单元故障时通过旁路开关去掉该单元，维持变频器继续工作。称这种技术为单元冗余及旁路，增加设备和投资不多，效果显着，对某些消费连续性要求高、故障停时机造成重大损失的应用场合(例如油气压缩机、冶金和矿山风机等)意义大。2000年美国MaratbonAsbland石油公司在一套油气压缩机的电机驱动系统中使用了这技术15。该工程釆用CHB变频器，功率5500Hp/电压4.16kV，本来只需4级串联，为实现变频调速系统5年连续运行目的，它多串2级，共6级。在相故障单元数2时，变频器仍能输出额定电压；在相故障单元数3时，变频器降低最大输出电压运行。为在去掉故障单元后维持三相输
6、出线电压平衡，有两种旁路控制方法：1)对称旁路在无故障的另两相旁路同样数目的无故障单元，並维持三相相电压彼此互差120不变，此法简单，合适用于相故障单元数2时。假如相故障单元数3，仍用此方法，三相电压虽平衡，但变频器最大输出电压下降多。2)中点偏移只旁路有故障单元，通过适当调整三个相电压间的相位关系，仍维持三相输出线电压平衡，并减小电压降低程度15。CHB变频器的旁途经程波形示于图12，无电流时间约250ms，这期间电动机靠机械惯量维持自由运行，转速约降10，旁途经程完毕后恢复。图12CHB的旁途经程波形为实现单元冗余及旁路，西门子公司也在其M2C变频器的每个功率单元两端都并联一个旁路开关(图
7、13a)，并为此开发专用快速旁路接触器(图13b)。这接触器在变频器运行经过中一直处于待激活状态，它的动作时间约625ms，整个旁路操纵时间1ms。由于操纵时间非常短，旁路操纵期间电流稳定，没变化，因此也无转矩和转速下降(无缝旁路操纵)，见图14。a)变频器b)旁路接触器图13有旁路开关的M2C变频器及其旁路接触器图14旁路操纵期间的变频器输出电压和电流波形应指出，单元旁路技术不仅用于有功率单元冗余时，也可用于无功率单元有冗余时。假设无冗余，即使只有一个单元故障及被旁路，变频器最大输出电压也要下降，采用中点偏移控制能减小电压降低程度。3L-NPC和5L-HNPC不是由多个较小功率的单元通过串联
8、或者并联构成的变频器，很难实现冗余。假设想实现3L-NPC变频器的k+1冗余需增加12个4.5kV高压IGBT和二极管，假设想实现k+2冗余需增加24个4.5kV高压IGBT和二极管，代价宏大且操纵费事。固然己经有一些代价较小的容错运行方案，但都因控制复杂及输出电压下降多而未实用。5L-HNPC变频器的冗余更难实现，未在市场出现。3L-NPC和5L-HNPC变频器使用4.5kV高压器件，数目少，级联型M2C和CHB变频器使用1.7kV低压器件，数目多。通常器件数目越少的变频器越可靠，但从器件本身来讲，低压器件比高压器件技术更成熟，使用量大、经历多、可靠，终究那种变频器更可靠？为比拟油气领域常用
9、变频器的可靠性和理解冗余效果，参考文献16给出M2C、CHB、3L-NPC和5L-HNPC四种6.6kV中压变频器的平均故障间隔时间MTBF(meantimebetweenfailures)定量分析结果。平均故障间隔时间MTBF=1/l式中l是总故障率，它即是109小时中所有部件的总故障次数。在计算故障率时计及电网侧变压器、电网侧整流器、电机侧逆变器、冷却单元及变频器控制系统等，电机沒考虑。为使计算结果更直观，该文献在介绍比拟果时采用相对MTBF，以无冗余3L-NPC变频器的MTBF值为100，其它变频器与之相比拟。比拟结果如下：1)无冗余之四种变频器的相对平均故障间隔时间MTBF示于图15，彼此相差不大，都较可靠。图15无冗余变频器的相对MTBF2)有k+1和k+2冗余的级联型M2C及CHB变频器的MTBF大幅进步，效果显着，可靠性远超3L-NPC和5L-HNPC变频器。3L-NPC变频器的冗余代价高，且效果不明显，k+2反而不如k+1，这是由于实现冗余的复杂性所致。5L-HNPC变频器不合适冗余。图16无冗余及有冗余(k+1和k+2)变频器的相对MTBF3)假如控制系统也有冗余，MTBF可增加1620。