H桥级联型多电平高压变频器的原理与应

H桥级联型多电平高压变频器的原理与应用喻国强、李爱武（湖南中科电气股份有限公司 岳阳 ）摘要：本文综述了高压变频器的国内外研究现状和应用现状， 比较了几种典型的高压变频器的拓扑结构及其优缺点，分析了H桥级联型多电平高压变频器在凤宝钢铁转炉除尘风机中应用，通过计算分析以及实际运行的效果，证明了高压变频器在电机系统节能中的重要作用。关键词：高压变频器 拓扑结构 变频调速节能1.引言我国的冶金、化工、电力、水处理等行业中使用的风机、水泵占全国用电总量的比例如表1-1所示。装备名称全国装备台数 （万台）估计装备功率 （万KW）估计耗电量 （亿KW.h）占全国用比例 （%）风 机30006000110021水 泵700300055010压缩机50020004007.28表1-1 全国风机、水泵、压缩机耗电量这些风机、泵类等高压、大容量设备，基本都是采用高压电动机且为不可调速的恒速马达，其消耗的能源占电动机总能耗的70%以上。纵观这些机械的使用情况，它们大多不是长年工作在额定电压，而是经常只有50%-70%甚至更低的输出量。而且这类机械很多使用恒转速交流传动，以挡板、阀门或空放回流的方法进行调节，而挡板开度通常只能达到45%-70%左右，约有30%-50%的能量白白损耗掉，风机、水泵的功率越大，损失越严重。目前电机系统节能工程被定位国家发改委启动的十大重点节能工程之一。对电机系统的节能来说，不管从调速、起动和制动性能上来说，采用变频技术是最为理想的节能途径，尤其在某些特定工艺下，高电压、大功率的电机采用高压变频器节能效果尤为明显。利用高压变频调速系统平滑地调节这些电动机的转速，并根据输出量的要求改变输出功率，可以节约大量电能和改善控制性能，使机组安全稳定地运行。12.几种高压变频器的主回路拓扑结构及节能优势变频器是运动控制系统中的功率变换器。目前，我国高压变频器呈现三大趋势：（1）功率单元串联多电平技术依然是市场的主流。（2）向大功率方向发展。（3）随着高压变频技术的成熟，将大幅拓展工艺控制对于变频调速的需求。高压变频器不像低压变频器那样具有成熟的一致性的主电路拓扑结构，而是限于功率器件的电压耐量和高压使用条件的矛盾，国内外各变频器生产厂商，采用不同的功率器件和不同的主电路结构，以适应各种拖动设备的要求，因而在各项性能指标和适用范围上各有差异，其实现主要有两种方式： 采用升、降压变压器的“高-低-高”式变频器，亦称间接高压变频器。 无输出变压器的“高-高”式变频器，亦称直接变频器。带有输出变压器的变频器已被逐步淘汰，直接高压输出的变频器是今后的发展方向。高压变频器的主电路都采用交-直-交结构，使用输入变压器。多重化整流部分有可控(可以实现四象限运行)和不可控之分；为了满足IEEE-519规定的谐波要求(THD5)，至少要采用18脉冲整流，否则要增加滤波器；采用PWM 整流效果最好，但最昂贵。交-直-交高压变频器又分为电流源型和电压源型结构，分别如图1和图2所示，是变频器的基本结构，优点是控制简单，缺点是对单管的耐压要求高。 图1：交-直-交电流源（CSI）变频器结构 图2：交-直-交电压源（VSI）变频器结构除基本结构外，高压逆变器的多重化拓扑结构主要有：二极管箝位的多电平结构、电容箝位的多电平结构和多电平串联的H桥结构，其一个桥的逆变器拓扑结构如图3所示。图4所示为12脉冲整流二极管箝位的三电平结构；2图5所示为18脉冲整流的四电平结构。多重化逆变器的三电平、四电平结构应用较多，也有七电平、九电平的变频器产品问世。但超过七电平的变频器结构由于其电路组成和控制都太复杂，只能是理论探讨，没有实用价值。 图3：高压逆变器多电平结构（一个桥臂） 图4：交-直-交12脉冲整流三电平变频器结构图5 交-直-交18脉冲整流四电平变频器电流源型高压变频器是AB公司的典型产品，使用SGCT作为主开关器件；电压源型变频器主要有三电平(或多电平)结构和H桥结构。三电平电压源型结构如图4所示，主开关器件使用HIGBT、IGCT 和IEGT，这种结构主要使用在Siemens和ABB公司中等容量的产品，其结构的优点是可以使用小容量的管子输出高电压，电路结构和控制简单；缺点是要使用输出滤波器，并且需要针对我国不同于欧洲的电压等级而专门定做6kV的高压变频器。多电平高压变频器如悬浮电容的四电平结构是ALSTOM 公司的典型产品。清华大学研制的高压变频器使用两个IGCT (4.5kV630A)串联的三电平结构，直接输出交流6kV1400kw ，且变频器性价比在用户可以承受的范围内。图6所示为多电平串联的H桥逆变器结构，这种结构要求特殊设计的输入变压器，其优点是可以使用低压IGBT、输出波形完美无谐波，不用输出滤波器；缺点是可靠性略差。3多电平串联的H桥逆变器罗宾康公司的产品，适合做各个级别容量的产品。图6 多电平串联H桥变频器结构无论何类型的高压变频器在特定的工艺要求下，其节能的优势都是很明显的。在以往的大功率电机的节能调速，一般采用下列几种方式：星/角接启动器、自耦降压启动、配套电容补赏器，提高功率因数终端电压、配套电磁调速器（适合于无级调速），减少启动时机械冲击等。以上几种节能调速，节能效果均不明显，并且调速范围窄，转速不稳定、电机的效率低，损耗大、经常出现故障，不能满足连续生产的需要、调节精度低，响应慢等。高压变频器以节能为目的典型应用是风机调速、泵类调速，为了保证生产的可靠性，各种生产机械在设计配用动力驱动时，都留有一定的富余量。当电机不能在满负荷下运行时，除达到动力驱动要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成电能的浪费。风机、泵类等设备传统的调速方法是通过调节入口或出口的挡板、阀门开度来调节给风量和给水量，其输入功率大，且大量的能源消耗在挡板、阀门的截流过程中。当使用变频调速时，如果流量要求减小，通过降低泵或风机的转速即可满足要求。3.案例剖析现已2007年凤宝钢铁转炉除尘风机采用的湖南中科电气技术有限公司生产的CSHF多电平H颖级联型高压变频器为例，从工艺特点、变频器结构、节能原理以及节能效果进行详细的分析介绍。3.1转炉厂除尘工艺特点凤宝钢铁转炉除尘高压电机采用6KV供电，三台电机采用二用一备方式，电机型号分别为：1#机JK500-2,500KW;2#机YYK450-2,630KW;备用机JK500-2,500KW，现全部采用液力偶合器进行调速，1#电机正常运行电流为42A，2#电机正常运行电流为44A,功率因素为0.86。根据转炉除尘工艺要求只有50%的时间会出现较多的粉尘需要高速运转，其余时间可低速运转在20HZ以下,因此如果采用变频技术将风机速度按工艺要求运行将可以有效降低除尘系统的能耗。图7为转炉炼铁出铁场工艺周期。图7：转炉炼铁出铁场工艺周期图7中：A到B、E到F为转炉冶炼时间；B到C、F到G为升速时间，可以调节；C到D、G到H为转炉出铁时间；D到E、H到I为减速时间，可以调节。3.2 改造方案根据以上工艺要求，又因为除尘风机所配电机为高压电机，不允许频繁启停。风机长期采用工频运行，现在采用液力耦合器调速，由以往经验可知，液力耦合器存在以下主要缺点：（1）调速范围有限，为5095%，转速不稳定，高速段减小了设备的出力能力，低速段影响节能效益的发挥;（2）调速越低时效率越低，低速时发热厉害;（3）调速精度低，线性度差，响应慢，不大适应自动控制要求;（4）电机虽然可以不带载启动，但仍然有5倍左右的冲击电流，影响电网稳定;（5）必须串入电机和机械的连接轴中，不适合于设备改造;液力耦合器故障时，没有工频旁路系统，负载机械将无法运转，必须停机检修;（6）漏油严重，对环境污染大;可靠性差，维修难度大，严重浪费人力及影响生产。经过以上的分析，既要满足工艺要求，又要达到调速节能的目的，采用高压变频器对电机进行拖动控制最为理想。方案定为一拖一方案。变频器选用专业制造高压变频的湖南中科电气技术有限公司生产的6Kv高压变频器。3.3 湖南中科电气6Kv高压变频器系统结构和原理湖南中科电气6Kv高压变频器为交直交电压源型变频器，采用直接“高-高”变换形式，为单元串联多电平拓扑结构，主体结构由多组功率模块串联而成，从而由各组低压叠加而产生需要的高压输出，它对电网谐波污染小，输入电流谐波畸变小于4%，电网输入电压谐波畸变小于2%，直接满足IEEE519-1992的谐波抑制标准，输入功率因数高，不必采用输入谐波滤波器和功率因数补偿装置;输出波形质量好，输出电流谐波畸变小于2%，不存在谐波引起的电机附加发热和转矩脉动、噪音、输出、共模电压等问题，不必加输出滤波器，就可以使用普通的异步电机。变频调速系统由变压器柜、功率柜及控制柜组成。高压变频调速系统示意图如图8。图8：高压变频调速系统示意图下面分述高压变频调速系统几大主要构成部分及其特点：3.3.1变压器柜输入移相变压器的作用是将输入的高压工频电变换成为多组彼此间相互绝缘、电位独立的低压工频电输出，并分别送到各个变频单元中，各变频单元将输入的各组低压交流电分别经整流滤波变换成直流电然后再逆变成单相交流电。4为了确保整个高压变频调速系统的稳定性，不会因为变压器的故障而受到影响，控制系统为变压器提供了相应的测量和保护项目：（1）变压器配封闭强 迫风冷系统，特点：风量大、能耗小、噪声低、外形美观、安装简便、运行可靠，通过该系统，操作人员可随时了解变压器运行温度，还可以设定控制器温度转折点，超温报警，超温跳闸等。（2）温度保护采用三路巡检温度控制器，可以输出温度轻度过温和严重过热保护。具有就地和远方超温报警功能。变压器温度控制原理示意图如图9： 图9：变压器温度控制原理示意图（3）变压器柜内装设了电压、电流检测器件，中科电气的高压变频调速系统把相关电压检测融入到了功率柜的功率单元中，极大限度的减少了日常维护的工作量和缩小了整个设备的体积。变压器输入侧电压、电流检测原理图如图10：图10：变压器输入侧电压、电流检测原理图3.3.2功率柜功率柜是高压变频调速系统中非常重要的执行部件，下面分别从结构、功能原理、保护等方面具体阐述功率柜的基本特点：（1）采用功率单元模块化的设计理念，每一个功率单元可以从机架上非常方便的抽出，移动和更换，所有功率单元是完全一致的，如果某一单元由于故障而不能正常工作，可以在允许设备退出的时间用备用单元将其替换，更换一个单元的时间只需5分钟，无须专用工具。（2）采用成熟的逆变技术，功率柜中每个功率单元分别由输入变压器的一组副边供电，功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘，二次绕组采用延边三角形接法，实现多重化，以达到降低输入谐波电流的目的。每个功率单元直接使用大功率功率器件，器件不必串联，不存在器件串联引起的均压问题，结构上完全一致，可以互换，系统为基本的单相逆变电路，整流侧为二极管三相全桥，IGBT逆变桥的控制方式为PWM控制，并有自动单元旁路功能。功率单元原理图如图11。 图11：功率单元原理图（3）采用单元旁路功能：当某个功率模块发生故障时自动旁路运行，变频装置不停机，故障单元退出运行后，变频器降额运行，维持生产要求，大大提高了系统安全可靠性。（4）采用单元串联多电平技术，通过每个单元的U、V输出端子相互串接而成星型接法给电机供电，对每个单元的PWM波形进行重组，得到非常好的PWM波形，小，可减少对电缆和电机的绝缘损坏，无须输出滤波器就可以输出电缆长度很长，电机不需要降额使用，可直接用于旧设备的改造；单元输出的PWM波形如图12。同时，电机的谐波损耗大大减少，消除了由此引起的机械振动，减小了轴承和叶轮的机械力。高压变频调速系统输出的相电压PWM波形图如图13。 图12：单元输出的PWM波形 图13：相电压PWM波形图3.3.3控制柜控制柜是整个高压变频调速系统的核心，变频调速系统的所有功能都基于先进的控制理念才得以实现，控制器精心设计的算法可以保证电机达到最优的运行性能。人机界面提供友好的全中文监控和操作界面，同时可以实现远程监控和网络化控制。控制器还包括一台内置的PLC，用于柜体内开关信号的逻辑处理，以及与现场各种操作信号和状态信号(支持DCS硬连接/RS485/Modbus/以太网等)的协调，并且可以根据用户的需要扩展控制开关量，增强了系统的灵活性。控制器结构采用标准箱体结构，各控制单元板采用FPGA、CPLD等大规模集成电路和表面焊接技术，系统具有极高的可靠性。控制器与功率单元之间采用光纤通讯技术，低压部分和高压部分完全可靠隔离，系统具有极高的安全性，同时具有很好的抗电磁干扰性能。采用温度检测模块可以随时监控高压变频器各个部位温度。变频器控制系统各部件间的相互连接关系图如图14。图14：变频器控制系统各部件间的相互连接关系图控制柜内部元件采用导轨安装，柜内元器件的布置充分考虑了散热要求、相互之间的间隔距离、整齐美观以及方便检修等因素；所有布线都充分考虑电磁兼容的要求，信号线与电源线分开布置，保证安全的运行，并于通过电子工业安全与电磁兼容检测中心的权威认证，各项抗干扰度试验均满足相关标准的要求。3.4变频调速节能原理3.4.1变频调速的方法交流异步电动机的输出转速由下式确定： 式中：-电动机输出转速; -输入电源频率; -电动机转差率; -电动机极对数。由公式可知，变频调速就是通过改变输入到交流电机的电源频率，从而达到调节交流电动机的输出转速的目的。变频调速系统是从电网直接接收工频50Hz的交流电，经过交-直-交变频方式，将输入的工频交流电变换成为频率和幅值都可调节的交流电直接输出到交流电动机，实现交流电动机的变速运行。3.4.2变频调速的节能原理除尘风机作为一种基本的风机类负载的工作特性如图15所示。图15：除尘风机的工作特性曲线为负载按转速工作时的特性曲线，曲线为负载按转速工作时的特性曲线，为管网的阻力曲线。在第一种负载工况下，负载工作在A点，流量为，压力为。如果负载仍然按速度定速运行，用挡板将流量调节为时，压力将上升到，负载工作点移到B点。由于挡板的截流作用，管网阻力曲线由变为。在A、B两点，负载功率分别为，虽然，实际减小的功率有限。如果不采用挡板调节，这时管网阻力特性保持曲线不变，改用调节负载速度来减小流量，负载改按速度运行，工作特性为曲线，负载工作在C点，流量仍然为，但压力为。相比B、C两点，负载减少的轴功率为：在风道阻力特性不变的情况下，离心式风机的风量、压力、轴功率和转速之间满足如下关系（相似定理）：，,。所以有：就是说，通过调速方式改变风机风量，风量下降一半时，在不考虑到效率的情况下，风机轴功率将下降87.5%。这也是为什么变频调速在风机应用上节能十分显著的原因。另外，工频50Hz电网直接启动，对电网和机械冲击较大，声响很大，风机类负载的平方转矩特性与异步电动机起动时的机械特性曲线部分相似，可以计。而且变频软起动损耗很小，每年的起动节能也是很可观的。当采用变频调速时，50Hz满载时功率因数为接近1,工作电流比电机额定电流值要低许多,这是由于变频装置的内滤波电容产生的改善功率因数的作用,可以为电网节约容量20%左右。3.5节能效果分析我们知道，根据风机近似性原理：风机负载与转速有关，流量与转速成正比； 风压与转速的平方成正比；轴功率与转速的立方成正比。当转速降低时，其实际功率按转速的立方降低。（1）改造前及高速运转时1#电机改造前电功率：P1=1.732*6KV*42A*0.86=375KW2#电机改造前电功率：P2=1.732*6KV*44A*0.86=393KW（2）改造后低速运转时1#电机P3=375*(20/50)3=24KW2#电机P4=393*(20/50)3=25KW（3）若每年按300天工作日计算，改造前年耗电量为：（P1+P2）*24*300=度改造前年电费为：度*0.5元/度=276.48万元改造后年耗电量为：(375+24)/2+(393+25)/2*24*300=度改造后年电费为：度*0.5元/度=147.06万元节电率达46.8%。3.6应用高压变频调速系统产生的其他效果（1）维护量减少采用变频调速后，无论哪种工艺条件，随时可以通过调整转速使系统在接近额定状态下工作，通常情况下，变频调速系