高压变频器基础知识-comocoo

1、高压变频器基础知识一、高压变频器的定义通常把驱动1KV以上交流电动机的中、大容量变频器称为高压变频器。按照国际惯例和我国国家标准，电压在10KV以上的称为高压，10KV以下称为中压。但由于大家习惯上把额定电压为3KV和6KV和10KV的电动机称为“高压电机”所以驱动这个电压等级的变频器统称为高压变频器。二、高压变频器的分类1、 分类方法a、按高压组成方式分为：直接高压型和高低高型b、按有无直流环节分为：交交和交直交c、按直流环节滤波元件的性质分为：电流源型和电压源型 交交变频器 电流源型变频器 高压变频器 交直交变频器 电压源型变频器 矩阵变频器 2、 直接高压型变频器特点：功率器件在电网和电

2、动机之间直接构成变频器，由于功率器件耐压问题难于解决，目前国际通用做法是采用器件串联的办法来提高电压等级，其缺点是需要解决器件均压和缓冲难题，技术复杂，难度大。但这种变频器由于没有升降压变压器，故其效率较高低高方式的高，而且结构比较紧凑。3、 高低高型变频器特点：采用变压器实现输入降压和输出升压方式，实质还是低压变频器。 由于有输入输出变压器且中间低压环节电流大、效率低、可靠性差、体积大，所以已经基本被淘汰。4、 交交型变频器原理：由两组反并联的晶闸管变流电路构成，和直流电动机可逆调速用的四象限变流电路完全相同。两组变流器按一定的频率交替工作，负载就得到该频率的交流电。随着输出频率的增高，输出

3、电压一周期所含电网电压段数减少，波形畸变严重。电压波形畸变及其导致的电流波形畸变和转矩脉动是限制输出频率提高的主要因素。特点：受电网频率和变流电路脉波数的限制，输出频率较低。由于受到输出 最高频率限制，只能用于一些低速、大容量的特殊场合。5、 矩阵式变频器特点：是一种新型交交直接变频器，由九个直接接于三相输入和输出之间的开关阵组成。矩阵变换器没有中间直流环节，谐波含量比较小，无需能量回馈单元可实现再生能量回馈，其功率电路简单、紧凑，并可输出频率、幅值及相位可控的正弦负载电压；矩阵变换器的功率因数约为1，可在四象限工作。矩阵变换器最大输出电压能力低，器件承受电压高也是此类变换器一个很大缺点。6、

4、 电流源型变频器分为两种a、 负载换流式晶闸管变频器（LCI）b、 采用自关断元件（GTO、SGCT）变频器7、 电压源型变频器分为三种a、 功率元件串联二电平直接高压变频器b、 采用HVIGBT、IGCT的多电平电压源变频器c、 采用LVIGBT的单元串联多重化电压源变频器三、电流源型变频器与电压源型变频器的区别 高压变频器类型电流源型电压源型电路构成特 点优点：1、 采用大电感作为中间直流滤波环节，通过电流PWM控制改善电流波形2、 可四象限运行和能量回馈缺点：1、 输入侧的功率因数低2、 电抗器体积大、发热量大，效率低，转矩脉动大3、 由于输出为二电平，导致谐波和du/dt较大，对电机的

5、绝缘要求较高4、 对电动机特性要求较高，调试比较困难优点：1、 采用大电容作为中间直流滤波环节，通过三电平控制解决串联器件引起的动态均压问题和高次谐波问题2、 采用低压IGBT功率元件，谐波含量低，电压、电流波形好，对电机影响小3、 功率因数和效率较高缺点：不能四象限运行，主要用于风机、泵等负载（对于需要四象限运行的场合可采用双PWM结构的三点平电压源型变频器）代表品牌美国罗克韦尔（AB）公司1、 ABB公司的ACS10002、 美国罗宾康（ROBICON）公司3、 安川（YASKAWA）公司4、 德国SIMENS公司的SIMOVERT MV系列5、法国阿尔斯通公司的ALSPA CDM6000

6、系列四、高压变频器品牌及其特点1、 美国罗克韦尔（AB）公司的Power FlexTM7000高压变频器特点：a、是采用SGCT功率元件串联解决耐压的电流源型变频器 b、可四象限运行，进入我国火电节能改造最早的高压变频产品。但由于输入、输出谐波大，污染严重，共模电压高对电机绝缘有影响，应用受到限制。2、 美国罗宾康（ROBICON）公司特点：a、采用低压IGBT功率元件的电压源型变频器 b、号称完美无谐波变频器3、 安川（YASKAWA）电机特点：a、采用低压IGBT功率元件的电压源型变频器 b、无矢量控制实现超群的响应特性c、电流、电压失真小，几乎不含高次谐波，无需添加滤波器 d、变频器效率

7、达98，高功率因数95%以上，节能效果明显4、 欧洲ABB公司特点：a、采用IGCT器件的三电平电压源型变频器 b、最高电压只有4.16KV，若用在6KV高压电动机上，要进行星三角改接，不利于工频旁路切换，所以在我国使用受到很大限制。在三电平控制中采用IGCT比采用IGBT功率元件少，但采用IGCT需要非常复杂的辅助关断电路，致使总元件数量大于采用IGBT功率元件的数量。5、 德国SIMENS公司特点：a、采用高压IGBT器件的三电平电压源型变频器 b、高低高方式，采用高压IGBT将2.3KV的输出电压通过一个“集成升压滤波器”升压到6KV，并兼有滤波功能。6、 法国阿尔斯通公司特点：a、采用

8、IGBT器件飞跨电容的四电平电压源型变频器 b、可四象限运行，谐波含量和dv/dt小，输出波形好。 c、冶金、矿山用量较多，电厂用量少。7、 其他进口品牌东芝三菱、日立公司、三垦公司8、 国产品牌 利德华福、东方日立、中山明阳龙源、哈尔滨九州、成都佳灵、 山东新风光、上海科达、广州智光、湖北三环等9、国内投入运行的高压变频统计（截至到07年4月）序号厂家数量（套）1罗宾康4502西门子3003AB2004ABB1605利德华福6506东方日立4807中山明阳龙源1808哈尔滨九州1209成都佳灵8010山东新风光6011上海科达5012广州智光4013湖北三环1614其他约200五、功率开关器

9、件介绍 PWM整流器的基础是电力电子器件，其与普通整流器和相控整流器的不同之处是采用了全控型器件。目前在PWM整流器中得到广泛应用的电力电子器件主要有如下几种。 1、门极可关断晶闸管(GTO) GTO是最早的大功率可关断器件，是目前阻断电压最高和通态电流最大的全控型器件，已达6kV/6kA的制造水平。它由门极控制导通和关断，具有通过电流大、通态电压低、导通损耗小，dv/dt耐量高等优点，在大功率的场合应用较多。但是，GTO的缺点也很明显，诸如其驱动电路复杂并且驱动功率大，导致关断时间长，限制了器件的开关频率；关断过程中的集肤效应容易导致局部过热，严重情况下使器件失效；为了限制dv/dt，需要复

10、杂的缓冲电路，这些都限制了GTO在各个领域的应用，现在GTO主要应用在中、大功率场合。 2、电力晶体管（GTR） 电力晶体管又称为巨型晶体管，是一种耐高压、大电流的双极型晶体管，该器件与GTO一样都是电流控制型器件，因而所需驱动功率较大，但其开关频率要高于GTO，因而自20世纪80年代以来，主要应用于中小功率的变频器或UPS电源等场合。目前其地位大多被绝缘栅双极晶体管(IGBT)和功率场效应管（PowerMOSFET）所取代。 3、功率场效应管（PowerMOSFET） 功率场效应管是用栅极电压来控制漏极电流的，属于电压控制型器件，因此，它的第一个显著特点是驱动电路简单，需要的驱动功率小；第二

11、个显著特点是开关速度快，工作频率高。另外，Power MOSFET的热稳定性优于GTR。但是Power MOSFET电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的场合。 4、绝缘栅双极晶体管(IGBT) IGBT是后起之秀，集MOSFET和GTR的优点于一身，既具有MOSFET的输入阻抗高、开关速度快的优点，又具有GTR耐压高、流过电流大的优点，是目前中等功率电力电子装置中的主流器件。目前的制造水平已经达到3.3kV/1.2kA。栅极为电压驱动，所需驱动功率小，开关损耗小、工作频率高，不需缓冲电路，适用于较高频率的场合。其主要缺点是高压IGBT内阻大，通态电压高，导致导通损耗大；在应用于高（中）压领域时，通常须多个串联。 5、集成门极换流晶闸管(IGCT)和对称门极换流晶闸管(SGCT) IGCT（Integrated Gate Commutated Thyristor）是在GTO的基础上发展起来的新型复合器件，兼有MOSFET和GTO两者的优点，又克服了两者的不足之处，是一种较为理想的MW级的高（中）压开关器件。与MOSFET相比，IGCT通态电压更低，承受电压更高，通过电流更大；与GTO相比，通态电压和开关损耗进一步降低，同时使触发电流和通态时所需的门极电流大大减小，有效地提高了系统的开关