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中压变频技术方案分析
xiao_xiao1 发表于 2009/3/3 13:00:27 730 查看 0 回复 [上一主题] [下一主题]
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A-B从1990年研制成功并开始投入商业运行的变频器主要采用CSI-PWM技术，即电流源逆变-脉宽调制型变频器，采用电流开关器件，无需升降压变压器即可以直接输出6KV电压，分强制风冷和水冷型，功率从300到18000马力，至今已经应用于多个行业上千台应用记录。是最有影响力，最为广泛接受的中压变频技术。
美国罗宾康公司采用大量低压电压型开关器件，配合特殊设计的多脉冲多次级抽头输出隔离整流变压器，同样能够实现输出端直接6千伏输出，由于是大量低压元件串接，故被称之为多极化电压性解决方案。
西门子公司和ABB公司分别采用中压 IGBT和IGCT器件，是典型的电压型变频器。器件耐压等级为4160/3300V，直接输出电压最高达3300V。所以国内也有将此种方案称为高中方案，对应的将6KV-6KV（如A-B方案）称为高高方案。
中压变频器的发展和广泛应用是最近十数年的事情，相比之下低压变频器的应用却已经有超过二十年的时间。在中压变频器大面积推广应用之前，也出现了 另外一种方案。即采用升降压变压器的“高-低-高”式变频器，亦称间接中压变频器。 “高-低-高”式高压变频器，即间接高压变频器装置由输入、输出变压器及低压变频器组成。输入变压器为降压变压器，它将高压电源电压降至变频器所允许的范围，经低压变频器后，再经输出变压器升压，供给高压电动机。由于这种系统技术难度相对小，投资相对低，所以在国内一度应用较为活跃。但是此方案由于两次电压变换增加了损耗，影响了节能效果，并且占地面积大，还产生大量的高次谐波，有较明显的缺陷，在技术上有明显的过渡性。所以一般认为适用于功率小于200kw的中压电动机。
相比之下，“高-高”式高压变频器，即直接高压变频调速系统，一般由输入侧隔离变压器和多个功率单元串联组成，由于省掉了输出变压器，因而减少了损耗，提高了功率，减少了占地面积，另外随着开发、制造、应用和维护的日臻成熟，高高式中压变频器的产品日趋标准化，成本不断下降，所以今天已经成为中压变频应用的首选方案。
总之，不同于低压变频产品厂商众多，技术雷同的情况，中压产品主要供应厂商的解决方案各不相同。其中核心差别在于所选用的器件类型不同。相应地系统配备（变压器、电抗器、滤波装置等）都会有所差别，系统的可靠性、效率、谐波抑制效果（电力电子设备对电网端的影响）和马达的友好性（电力电子设备到马达的输出端电流和电压波形情况对马达的影响）、热损值、故障模式都会有所差别。不同的结构设计又会使得散热效果、环境要求、应用友好性和系统可维护性存在诸多差别。
从商业应用的角度考虑，制造商产品研发、销售、应用和支持的经验、在本地的业绩、经验以及支持能力也是考察的重要因素.
1) 中压变频高低高解决方案
对于功率相对较低的中压负载，采用降压变压器将电网电压降低，经由低压变频器，再经过升压变频器控制中压电机。
? 优点：
b) 同样不需要更换电机或者改变电机的接线方法，电缆变动不大。
? 缺点：
c) 系统采用升压-降压两个变压器，不仅使得系统占地面积大，结构复杂，可靠性降低（变压器 是中压变频系统中较为薄弱的环节，更使得系统运行效率大大下降（约8-10%），影响节能效果，系统总体拥有成本升高。
d) 升压变压器必须能够承受变频器频率输出范围的大幅变动，设计和制造水平要求较高，一般需要进口，为日后的技术支持和产品维护带来一定的困难。另外一般的变压器设计阶段就已经确定了最佳运行频率，应用于变频输出升压可能会引起系统整体性能的下降。
e) 高低高方案中的低压变频器均为电压源型，本身输出波形就不是很理想，高次谐波经由升压变压器放大后对（老）电机发热、噪声等都会带来不利的影响，缩短电机的使用寿命。尤其需要特别指出的是，对于改造应用，许多用户现有的电机都是B级绝缘的老式电机，如果发热和温升问题不能够很好的解决，将为系统的性能、寿命、可靠性方面埋下隐患。
b) 由于中压器件的采用，提高了变频器功率和电压的应用范围，相对于高低高方案，应用于较大功率的场合成为可能；
c) 输入端一般采用12脉冲整流方式，输入端谐波成分得到一定控制。
? 缺点：
a) 目前中压变频器电压型器件仍属于发展中的产品，受器件研究和制造水平的限制，目前尚没有直接适应6KV电机的变频方案，对于改造项目，要么要求用户在具体应用时改变电机的接法（星-三角型接法互 换），要么在变频器的输出端集成升压变压器；对于新上项目，也需要用户配套特殊类型的电机，可能会造成系统互换方面的困难。
b) 改变电机的接线方法，势必造成电机物理特性的改变，电机需要重新测试，另外重新改变电机接线方法，在很多情况下会导致电机失去互换性，而实际的现状是，多数拥有多台泵或者风机的用户都会考虑在必要的情况下投入备用泵或者风机系统，如果单台电机改变接法则备用电机将无法直接投入应用；
c) 如果采取输出端集成升压变压器方式，则无疑在一定程度上又重新回到了高低高方案的老路上，不得不慎重考虑可靠性、效率等问题；
d) 此类方案标准输入端整流一般采用 12 脉冲，而要满足国际上关于电网 谐波控制的基本要求（IEEE-5.19,1992）最低也要18脉冲整流变压器。有的厂商采取提高整流变压器阻抗的方法来解决这个问题（高达12%-14%），这样就影响了系统的效率；因此，对于三电平技术方案，要想彻底消除谐波隐患，其电路结构决定必须采用24脉冲整流。
e) 虽然高中方案较之高低高方案有了很大的进步，但是由于电压型器件只能单方向导通，所以每一个基本单元必须使用成对反并联的管子，而且采用中性点引出，这样并不能做到器件数量的最低化，系统可靠性受到影响；
f) 由于电压型器件开关频率很高，输出波形中含有较多的高频分量，这样的电源输出质量对于电机尤其是老式的电机损伤较为明显，也容易埋下事故隐患。高中方案为了解决这一问题通常会在输出端加装较大的LC滤波回路，系统的效率变会受到影响。
总之，高中方案较之高低高方案是技术上的一个重大的进步，投资介于高低高和高高方案之间，但是相对来说，受到器件发展水平的限制，还不是成熟的解决方案，尤其是当用户电机为老式电机式，需要承担一定的风险。
3) 多重化电压型方案（低压变频器串接叠加）
所谓多重化电压型解决方案，就是每相采用多个低压IGBT低压变频器（630伏）串接叠加，达到高电压输出到电机的目的。隔离变压器的设计与其他方案不同，变压器的次级引出多个抽头，每个抽头引出630伏电压向低压IGBT器件提供馈电。
? 优点：
a) 由于直接可以输出6千伏电压，较之高低高或者某些高中方案省掉了升压变压器，系统效率有所提高。
b) 变压器次级绕组抽头的增加提高了隔离变压器脉冲数，系统进线侧消谐作用增强，对进线电源谐波污染小，所以有些厂商提出的“完美无谐波”解决方案就是这样的道理。
? 缺点：
a) 该方案的最大缺点是系统特别复杂，牺牲了系统的可靠性和效率。典型地，其功率元件的总数量是CSI-PWM电流型解决方案的12倍，大量与之配套的电子熔丝、电容器数量众多，给系统的可靠性、可维护性带来较大的影响。
b) 由于隔离变压器制造工艺复杂，其次级绕组抽头的接线端子数量典型地是CSI-PWM电流型解决方案的9倍，所以一般厂商将变压器与变频器集成制造，一般同样需要进口，而变压器一般是中压变频系统较为薄弱的环节，万一出现故障，用户将很难在短时间内恢复，对生产影响较大。
c) 由于变频器柜内器件数量十分庞大，系统热耗散加剧，对冷却系统和空调要求较高，强制的风冷措施使得变频器系统能耗增加，效率降低。
d) “完美无谐波”以牺牲系统可靠性和效率为代价，在满足IEEE-519进线端谐波污染问题上，并非最简单的实现形式。而且同所有电压源型解决方案一样，“完美无谐波”是指进线端谐波抑制，出线端（针对电机的电压电流输出波形）并不是十分理想，必须要加相应的滤波回路，对老的电机（如B级绝缘）的适应性和灵活性就不如电流源型解决方案。另外，这种方案无法实现停车时的能量回馈制动。
e) 许多多重化电压型中压变频厂商的产品并非免维护设计，如有些产品中使用的大量的电容器（超过200个），每隔3-4年就修要更换一次，运行中可维护性相对较差。
f) 受IGBT类器件的设计原理限制，功率器件故障模式和中压IGBT一样会产生爆裂电弧，较为危险，严重情况下可能造成变频严重损毁以至被烧毁，需要加以考虑。
g) 从上述论述中可知，多重化电压型中压变频解决方案系统总体运行效率要低一些，运行成本支出不可忽视。
总之，多重化电压型中压变频解决方案比较高低高或者高中方案来讲，直接可以输出6千伏电压，免去了升压变压器或者改电机接法之苦，但最大的问题在于牺牲了系统的可靠性，系统运行效率降低，运行和维护成本比较高。
4) 高高中压变频方案(CSI-PWM)
简言之，所谓的高高方案就是直接从6千伏进线，经由中压变频器，直接输出6千伏到电机，无需升压/降压过程的变频方案。
? 优点：
a) 中压器件的应用，使得系统更为简单，器件成熟，由于去掉了至少一个变压器，无熔断保护电路使得系统更加可靠，现有系统不需要做任何改动；
b) 中压变频诸多专门针对中压应用的考虑使得控制水平大大提高；
c) 由于减少了变压器这样的无功元件，系统总体运行效率大大高于高低高方案（8-10%），运行成本相当低；
d) 对电网和电机的污染被控制在最低的水平，一方面满足了谐波控制的国际标准，最为重要的是，对电机的输出波形相当理想，对于绝缘等级较低的改造应用非常合适（本例恰恰是这种情形。限于电流型变频器）；
e) 再生制动能力，更好的节能效果；
f) 不同于一般低压变频器 V/Hz控制方式，直接矢量控制技术使得调速水平完美实现。
? 缺点：
a) 高高方案相对高低高方案，初始投资相对较高。但是一方面，各家中压变频厂商现在都在不断提高制造工艺和制造水平，努力使得产品尽可能标准化，成本大大降低，作为系统产品，现在其价格已经趋于合理。以A-B为例，经过厂商的不断努力，其产品的成本控制取得良好的效果，现有产品较之去年成本下降了20%左右。
b) 更为重要的是，传统上我们只看到采购的初始成本（采购价格），而很难估计到系统的运行和维护成本。以高低高为例，首先系统的运行效率的低下使得每年用户相对要多支出的费用非常可观。其次，这类系统结构的复杂，增加了土木建筑和安装成本。如果用户现有的电机为旧的B级绝缘，不可避免的系统发热势必对电机寿命造成伤害。另外，高高方案免维护设计大大减少了停机的可能，其可靠性、易于维护等特性更是高低高方案所不能比拟。
结论
从技术经济分析角度考虑，几种方案的差异非常明显，高低高方案明显的过渡性特点使得其优势在超过200千瓦的应用中优势就逐渐丧失。高中方案的不成熟性使得必须对系统做出改动，附带也会产生一系列的问题，因此也需要慎重考虑。多重化电压型解决方案以牺牲系统可靠性和效率为代价，也不是十分可取。综合上述的分析，从综合拥有成本角度考虑，运用高高方案显然优于高低高、高中或者多重化电压型方案。