高压大功率变频器的研制及应用

1、引言

山东风光电子有限公司是在多年研制中低压变频器的基础上，综合了国内外高压大功率变频器的多种方案的优缺点，采用最优方案研制成功的，并于2002年12月通过了省级科技成果及产品鉴定，成为国内生产高压大功率变频器的为数较少的几个企业之一。

2、国内现生产的高压大功率变频器的方案及优缺点

目前，国内生产的高压大功率变频器中，以2种方案占主流：一种是功率单元串联形成高压的多重化技术；另一种是采用高压模块的三电平结构。而其他的采用高-低-高方案的，由于输出升压变压器技术难度高，成本高，占地面积大，都已基本被淘汰。因此采用高-高方案是高压大功率变频器的主要发展方向。

而高-高方案又分为多重化技术（简称CSML）和三电平（简称NPC）方案，目前有的厂家生产的高压大功率变频器是采用的三电平方案，而大多数厂家则是采用低压模块、多单元串联的多重化技术。这2种方案比较，各有优缺点，主要表现在：

（1） 器件采用CSML方式，器件数量较多，但都是低压器件，不但价格低，而且易购置，更换方便。低压器件的技术也较成熟。而NPC方案，采用器件少，但成本高，且购置困难，维修不方便。

（2） 均压问题（包括静态均压和动态均压）

均压是影响高压变频器的重要因素。采用NPC方式，当输出电压较高时（如6kV），单用单个器件不能满足耐压要求，必须采用器件直接串联，这必然带来均压问题，失去三电平结构在均压方面的优势，系统的可靠性也将受到影响。而采用CSML方案则不存在均压问题。唯一存在的是当变频器处于快速制动时，电动机处于发电制动状态，导致单元内直流母线电压上升，各单元的直流母线电压上升程度可能存在差异，通过检测功率单元直流母线电压，当任何单元的直流母线电压超过某一阈值时，自动延长减速时间，以防止直流母线电压上升，即所谓的过压失速防止功能。这种技术在低压变频器中被广泛采用，非常成功。

（3） 对电网的谐波污染和功率因数由于CSML方式输入整流电路的脉波数超过NPC方式，前者在输入谐波方面的优势很明显，因此在综合功率因数方面也有一定的优势

（5） dv/dt NPC方式的输出电压跳变台阶为高压直流母线电压的一半，对于6kV输出变频器而言，为4kV左右。CSML方式输出电压跳变台阶为单元的直流母线电压，不会超过1kV，所以前者比后者的差距也是很明显的。

（6） 系统效率就变压器与逆变电路而言，NPC方式与CSML方式效率非常接近。但由于输出波形质量差异，若采用普通电机，前者必须设置输出滤波器，后者不必。而滤波器的存在大约会影响效率的0.5%左右。

（7） 四象限运行NPC方式当输入采用对称的PWM整流电路时，可以实现四象限运行，可用于轧机、卷扬机等设备；而CSML方式则无法实现四象限运行。只能用于风机、水泵类负载。

（8） 冗余设计NPC方式的冗余设计很难实现，而CSML方式可以方便的采用功率单元旁路技术和冗余功率单元设计方案，大大的有利于提高系统的可靠性。

（9） 可维护性除了可靠性之外，可维护性也是衡量高压大功率变频器的优劣的一个重要因素，CSML方式采用模块化设计，更换功率单元时只要拆除3个交流输入端子和2个交流输出端子，以及1个光纤插头，就可以抽出整个单元，十分方便。而NPC方式就不那么方便了。

总之，三电平电压形变频器结构简单，且可作成四象限运行的变频器，应用范围宽。如电压等级较高时，采用器件直接串联，带来均压问题，且存在输出谐波和dv/dt等问题，一般要设置输出滤波器，在电网对谐波失真要求较高时，还要设置输入滤波器。而多重化PWM电压型变频器不存在均压问题，且在输入谐波及dv/dt等方面有明显优势。对于普通的风机、水泵类一般不要求四象限运行的场合，CSML变频器有较广阔的应用前景。这类变频器又被国内外设计者称之为完美无谐波变频器。

我公司的设计人员经过多方探讨，综合各种方案的优缺点，最后选定了完美无谐波变频器的CSML方案作为我们的最佳选择，这就是我们向市场推出的JD-BP37和JD-BP38系列的高压大功率变频器。

3、变频器的性能特点

（1） 变频器采用多功率单元串联方案，输出波形失真小，可配接普通交流电机，无须输出滤波器。

（2） 输入侧采用多重化移相整流技术，电流谐波小，功率因数高。

（3） 控制器与功率单元之间的通信用多路并行光纤实现，提高了抗干扰性及可靠性。

（4） 控制器中采用一套独立于高压源的电源供电系统，有利于整机调试和操作人员的培训。

（5） 采用全中文的Windows彩色液晶显示触摸界面。

（6） 主电路模块化设计，安装、调试、维护方便。

（7） 完整的故障监测和报警保护功能。

（8） 可选择现场控制、远程控制。

（9） 内置PID调节器，可开环或闭环运行。

（10） 可根据需要打印输出运行报表。