高压变频

高压变频调速技术状况

1、 引言

我国高压交流电动机的标准电压等级为3kV、6kV、10kV，进入20世纪90年代，为便于变频调速装置适应功率变换器件的电压等级，开始生产1650V的非标电压的交流电动机，应该说这是一种权宜之计。高压变频器解决了高压交流电动机的调速的难题。高压变频器以高压大容量电力电子器件为基础，微电子控制技术为核心。进入20世纪90年代高压大功率场控型自关断电力电子器件的登场以及单片机为核心的微电子数字控制技术性能的提高，推动了高压变频调速技术的发展，开始应用到中高压领域的电动机驱动，并以良好的调速性能和高效节能效果赢得了人们的认可，正在得到广泛应用。目前高压变频器的主要类型有高－低－高式变频器，高－低式交－交变频器，高－低式多级串联型变频器，高－高式直接变频器，高－高式多电平变频器。对交－交式高压变频器中的功率变换器件采用普通晶闸管TH，光控晶闸管LATT，门极可关断晶闸管GTO，将来会采用场控晶闸管MCT。对其他类型变频器中的功率变换器件采用IGBT，MCT，GTO，集成发射式门极晶闸管IEGT，集成门极强驱动晶闸管IGCT，SGCT等，控制方式采用PWM控制，控制系统采用数字信号处理器加FPGA控制;继电保护采用PLC系统，高低电位隔离大部分采用光纤传输，也有采用电磁隔离的，人机界面采用PMU等液晶触摸操作盘。国外SIEMENS，ROBICON，AB，ABB，东芝等著名电气公司生产的HV变频器占据了我国高压变频器的主要市场，随后冶金自动化研究设计院，利德华福等少数单位也相继自主开发高压变频器，以价格优势也占了一席之地。

2、HV变频器的类型及特点

根据驱动对象及用户要求，合理选择相应的高压变频器。

2.1 高－低－高式变频调速系统

随着低压变频器技术的成熟和性能的提高，人们很快找到了解决中高压交流电动机变频调速的难题，将供电电压50Hz，6kV或10kV通过10(6)kV/380V降压变压器经低压变频器变频，再用380V/10(6)kV升压变压器升压后驱动电动机，即所谓的高－低－高式变频调速系统，如图1所示，由此解决了高压的麻烦，风险小，可靠，一次投资相对低廉，使用方便，但增加了两台变压器的损耗，效率低，适用于中小容量高压交流电动机的变频调速。

图1 高－低－高式变频调速系统

2.2 交－交高压变频器调速系统

交－交式变频器为直接变频调速，功率变换器件可采用普通晶闸管，靠电源自然换流，无需换流电路，具有过负荷能力大，效率高，输出电压和电流为正弦波，技术成熟可靠，容易实现大容量化，只适用于低速大容量传动，已被广泛用于提升机，粗轧机和连轧机。冶金自动化研究设计院已为各类用户提供了近六十套大容量交－交变频装置。系统的典型结构如图2所示。

图2 交－交式变频装置典型结构图

10(6、3)kV工频电源经输入变压器降压到1650V经交－交式变频器变频输出驱动电动机，输出变压器可采用一台三相12绕组或三台三相6绕组变压器、3个功率变换柜、控制柜、PLC柜构成。

主回路功率变换器件目前主要采用普通高压大容量晶闸管，未来交－交式变频器将应用高压大容量场控型自关断器件MCT，IGCT及光控晶闸管LATT，多级串联构成交－交式变频器，采用晶闸管和MCT或IGCT构成混合型交－交变频器，以实现功率因数接近1，低谐波，高效率，低损耗。

2.3 高－低式多级串联型变频器

采用多级低压变频单元串联构成高压变频器，输入变压器为多绕组变压器，功率单元为独立的IGBT H桥智能模块，进行多个串联;通过输入变压器各二次绕组相位差，实现系统的多重化。通过波形连续叠加法，对6kV系统，输入变压器二次的18个独立绕组对应18个功率单元独立工作，进行PWM控制，实现堆压成6kV输出，使输出波形正弦化，实现系统的无谐波化。

系统的原理如图3所示，功率单元原理如图4所示，功率变换器件目前主要有高压IGBT，SGBT，GTO，IGCT，将来会应用MCT，静电感应晶闸管SITH等新型功率器件。

2.4 高－高式直接变频器

高－高式直接变频器是采用高压功率器件直接串联或二极管箝位组成中性点箝位电路，构成多电平电压型高压变频器，功率器件主要有IGBT，IGCT，IEGT，GTO等，将来会采用MCT，SITH等高压功率器件。因为没有输入输出变压器，因此具有高效，低损耗，体积小等特点，是高压变频器的发展方向，三电平变频器主回路结构如图5所示。

图3 6kV多级串联型MV变频器原理图

图4 H桥功率单元原理图

图5 三电平主回路原理结构图

3 用于MV变频器的电力电子器件

3.1 MV变频器对电力电子器件的要求

高压变频器对电力电子器件的要求如下:

(1) 高压大容量化，减少系统的串并联数，提高可靠性和简化系统结构;

(2) 易控制，驱动电路简单可靠;

(3) 集功率变换、驱动、保护、控制一体化;

(4) 既导热又电绝缘、高耐压封装;

(5) 低饱和压降，低开关损耗;

(6) 宽范围反向偏压安全动作区(RBSOA)和短路动作安全区(SCSOA);

(7) 并联容易;

(8) 高开关频率;

(9) 动态性能优良。

3.2 用于高压变频器的主要电力电子器件性能

用于高压变频器的主要电力电子器件性能如表1所示。

4 国内外主要高压变频器品牌

进入20世纪90年代中期，国外ROBICON、AB、ABB、SIEMENS、东芝等几大电气公司的高压变频器，打进了中国市场，占据了大部分份额，也带动了国内高压变频器的发展，如冶金自动化研究设计院，利德华福等自主开发的高压变频器以价格优势跟国外的产品抗衡，已被广大用户所认可，国内外主要高压变频器性能如表2所示，国内外高压变频器的主要技术性能大同小异，国内高压变频器与国外品牌高压变频器的差距在于制造工艺和可靠性，抗干扰方面存在一定差距，有待进一步完善，提高在市场上的竞争力。

5 结束语

高压变频调速驱动是集电力电子、微电子、电力拖动、高压技术、高低压隔离和信号传输一体的高难技术，它的高压大容量化，实用化，省维护，高效,显著的节能效果等高性能技术指标，正在得到越来越广泛的应用，其市场前景十分广阔，目前国内外的系列化高压变频调速系统，能满足各种工艺要求，同时各公司可为各用户提出最优化技术方案，供

各类用户使用。

中压变频技术动态与市场展望

1、引言

交流变频调速技术发展至今已有30多年的历史。由低压变频器构成的交流调速系统,因其技术上的不断创新,使系统在性能上不断地完善,并在电气传动领域挑战直流调速系统，已得到了广泛的应用。现在，中压变频技术在发达国家已经成熟，随着新的电力电子器件的不断出现，新的变换技术层出不穷，使得其得到更加广泛的推广应用。中压大功率调速领域采用交流变频调速已是其发展的趋势。这是因为中压大功率（315kW以上）的交流调速系统无论是在性能上，还是在价格上都优于直流系统。中压变频技术泛指3kV、6kV、10kV三个电压等级领域的变频技术。为实现对中压大功率交流电动机的变频调速，人们提出了多种拓扑结构，比较实用并已产品化的中压变频器，按其主接线可分为交—交变频和交—直—交变频两大类。而交—直—交变频又可分为中—低—中方式、中—低方式及中—中方式。按中间直流滤波环节的不同，在交—直—交变频领域中又可分为电流源型、三电平PWM电压源型（也称NeturalPointClamped中点嵌位）、单元串联多电平PWM电压源型。中压变频技术的迅速发展是建立在电力电子技术的创新、电力电子器件及材料的开发及器件制造工艺水平提高基础之上的，尤其是高压大容量GTO、IGBT、IGCT器件的成功开发，使中压大功率变频技术得以迅速发展，性能日益完善。

2、中压变频技术

2.1交—交变频

交—交变频是早期中压变频的主要形式，其工作原理决定了它只能工作在低频率（20Hz以下），适应于低转速大容量的电动机负载。因其主电路开关器件处于自然关断状态，不存在强迫换流问题，所以第一代电力电子器件——晶闸管就能完全满足它的要求。由于其技术成熟，在国内开发研制也最多，目前在国内仍有一定的市场。 三相桥式交—交变频电路的每一相为反并联的可逆整流线路，只要控制信号按正弦规律变化，就可以得到近似正弦的输出波形。由于交—交变频电路实质上就是可逆整流线路，因此在直流可逆传动中的有环流、无环流等控制技术都可以采用。交—交变频利用电网电压来换流，因此它的输出电压是由电网电压若干段“拼凑”起来的，一般最高输出频率只能是电网频率的1/3以下。

交—交变频在其主接线中需要大量的晶闸管，故结构复杂，维护工作量较大，并因采用移相控制方式，功率因数较低，一般仅有0.6～0.7，而且谐波成分大，故需要无功补偿和滤波装置，使得总的造价提高。因交—交变频采用的技术比较落后，谐波成分大、功率因数低及调速范围不宽等自身的原因，在其发展中面临着新技术的挑战，在中压大功率交流变频领域有被淘汰的趋势。

2.2交—直—交变频

在中压变频领域交—直—交变频有多种拓扑结构，如中—低—中方式，其实质上还是低压变频，只不过是从电网和电动机两端来看是高压。因其存在着中间低压环节，故有着电流大、结构复杂、效率低、可靠性差等缺点。该方式是中压变频技术发展中的一种由低压变频向中压变频过渡的方式。由于其发展较早，技术也比较成熟，所以目前仍有广泛的应用，德国西门子、英国西枝来克公司的中压变频以此种技术为主。随着中压变频技术的发展，特别是新的大功率可关断器件的研制成功，中—低—中方式由于其自身的缺点，在今后的发展中有被逐步淘汰的趋势。而直接中压变频方式，因没有中间的低压环节，结构

上有着广阔的发展前景。

以IGCT为主电路器件的ACS1000型中—中变频器的主电路如图1所示。

图1 ACS1000型变频器主电路图

从图中可以看到IGCT既不串联也不并联，并用两只IGCT代替传统的快速熔断器，其开断速度为传统快熔的1000倍，其逆变器也是三电平电路。由于采用IGCT，使该种结构的变频器的性能得以大幅度提高，IGCT在目前中压直接变频领域是最具有创新性和广阔发展前景的电力电子器件。

交—直—交变频中的中—中方式，虽然具有损耗小、无降压与升压变压器等特点，但由于其产生大量的高次谐波，在应用中受到一定的限制。单元串联多电平形式，由于它在谐波、效率和功率因数等方面的优势，在不要求四象限运行时有着较广泛的应用前景。而三电平控制由于具有以下特点，将成为今后变频技术发展的主要趋势。

1）采用三电平拓扑能有效地解决电力电子器件耐压不高的问题,由于每一个开关器件承受的关断电压仅为直流侧电压的一半,因此它适用于高电压大功率。

2）三电平拓扑单个桥能输出三种电平(＋Ud/2、－Ud/2、0)，线（相）电压有更多的阶梯来模拟正弦波，使得输出波形失真度减少，因此谐波大为减少。

3）多级电压阶梯波减少了du/dt,使对电机绕组绝缘冲击减小。

4）三电平PWM方法把第一组谐波分布带移至2倍开关频率的频带区,利用电机绕组电感能较好地抑制高次谐波对电机的影响。

5）三电平拓扑能产生3×3×3=27种空间电压矢量,较二电平大大增加,矢量的增多带来谐波消除算法的自由度,可得到很好的输出波形。

3、中压变频技术动态

3.1多单元串联中压变频技术

国际上具有研制生产新型大功率中压变频装置能力的均是各大知名电气公司，诸如美国AB公司、罗槟康（ROBICON）公司和日本东芝公司等，并有抢占我国中压变频器市场的趋势。

近年来，国内外一些公司都在研制新型“无电网污染”的高压变频器。据报道，这类变频装置具有高功率因数、高效率、无谐波污染、无需专用电机等优点，在技术上以达到国际先进水平，其三相系统主电路结构如图2所示。三相高压电经移相变压器，由其副边每相的5个二次线圈将电压分别移相12°供给5个功率单元，各功率单元电路如图3所示。为常规交—直—交电压型逆变器，输入侧为三相全桥二极管整流，中间为电容滤波环节，输出侧为IGBT单相全控形式。即在A.B两点之间得到PWM波形,5个功率单元相叠加即

可输出高电压正弦波给交流感应电动机。例如每个功率单元承受电压为690V，5个单元串联后相电压为3450V，对应线电压为6000V。该装置在系统设计上采用了多项先进技术。

图3大功率逆变器单元主电路结构图

图2三相系统主电路结构图

1）逆变器直流侧通过曲折变压器移相实现30脉波整流,理论上29次以下的谐波电流

都可以消除,使装置的谐波抑制能力大大加强，使电网侧电压与电流之间几乎无相移，因此功率因数可以接近于1。

2）采用IGBT作为主电路的开关器件,可以提高开关频率,以减小电流和转距的脉动。

3）全数字化光纤控制技术的应用,控制柔性和可靠性大大提高。

4）多级PWM输出波形生成技术,单元逆变桥输出PWM波形以及5级移相叠加后得到的变频器输出电压呈现电平台阶梯形逐级错开的理想状态，实现了高质量的功率输出，大大减少了输出电压的du/dt对电机绕组的冲击，在这种PWM控制方法下，器件开关频率是电机绕组的等效开关频率的10倍，以较小的器件开关损耗实现了较高的电机运行性能。

5）功率单元标准模块化,IGBT驱动电路智能化,并在功率单元电路设计中应用了功率母线技术。系统有着完善的检测及保护功能，并具有与PC机现场总线的标准接口，采用键盘操作和大屏幕液晶汉显界面。

3.2主流器件

中压变频技术主电路拓扑结构是随着电力电子器件的发展而不断发展的，早期产品应用的晶闸管器件已处于逐步被淘汰的趋势。GTO具有高电压、大电流的发展潜力，但驱动（关断）电路复杂，影响可靠性，J3结特性很软，耐压很低的P—N结，若GTO未处于导通状态就连续对G—K所在的J3结施加强的负门极脉冲是很危险的，因此在应用中GTO状态识别和逻辑保护是十分重要的。而采用内部MOS结构关断的GTO，因工艺复杂，目前未能实现大功率化。为实现可关断MOS结构的GTO，已开发研制出把MOS结构置于

GTO外面来协助关断的IGCT。IGCT适用于大电流（1000A以上）、低频率（1000Hz以下）的应用，由于其从研制生产到应用的一系列技术受到专利的保护，在推广应用和器件竞争中未能完全取代GTO。IGBT作为第三代电力电子器件，因其工作电压较低，在多电平级联式变频装置中有其广阔的发展前景。其作为主电路器件的中压变频装置具有改善输出电流波形，减少谐波对电网的污染及减少系统和电动机的电应力。IEGT是最为崭新的电力电子器件，其吸取了IGBT和GTO两者的优点，称为“注入增强栅晶体管”，它是在沟槽型IGBT基础上，把部分沟道同P区相联使发射极区注入增强，使得IEGT具有高电压大电流和高的工作频率，使其更适合于高电压大功率、高频率的变频装置。

目前，应用在中压大功率变频领域的电力电子器件，已形成GTO、IGCT、IGBT、IEGT相互竞争不断创新的局面，在大功率（1000kW），低频率（1000Hz）的传动领域，如电力牵引机车领域GTO、IGCT有着独特的优势，而在高载波频率、高斩波频率下IGBT、IEGT有着广阔的发展前景，在现阶段中压大功率变频领域将由这四种电力电子器件构成其主流器件。

3.3主流结构

目前就中压大功率变频器的主流结构为中—中方式及其派生的形式。

1）电压源型中—中变频器：电压源型中—中变频器由整流器和逆变器两部分组成，在逆变器的直流侧并有大电容，用来缓冲无功功率，当要求输出电压高于普通PWM电压源型变频器时，可采用三电平PWM方式，以避免器件串联的动态均压问题，同时降低输出谐波和du/dt。三电平PWM方式整流电路采用二极管，逆变部分功率器件采用GTO、IGBT或IGCT。每个桥臂虽由4个功率器件串联，但是不存在同时导通和关断以及由此引起的动态均压问题。由于输出相电压电平数增加到了3个，每个电平的幅值下降，且提高

了谐波消除算法的自由度，可使输出波形比二电平PWM变频器有了较大的提高，输出du/dt也有所减少。若输入也采用对称的PWM结构，可以做到系统功率因数可调，输入谐波也很低，且可四象限运行。为减少输出谐波和转距脉动，希望有较高的开关频率，但会导致变频器损耗增加，效率下降。三电平变频器输出若不设滤波器，一般需要特殊电动机，若使用普通电动机应降额应用。

2）电流源型中—中变频器：电流源型变频器的最大优点是电能可以回馈到电网，其结构决定由其构成的交流调速系统可实现四象限运行。由于输入侧采用桥式晶闸管整流电路，输入电流的谐波较高，功率因数低，且随着系统转速的下降而降低，另外，电流源型变频器还会产生较大的共模电压，若不采用隔离变压器，其共模电压会影响电动机的绝缘。装置的输出电流谐波也较高，会引起电动机的额外发热和转矩脉动，从而影响系统的动态指标。由于驱动功率、均压电路等固定损耗较大，系统效率会随着负载的降低而下降。采用GTO作为逆变部分功率器件，可以通过PWM开关模式来实现消除谐波电流，但系统受到GTO开关频率上限的限制，一般控制在几百Hz左右，若整流电路采用GTO作电流PWM控制，可以得到较低的输入电流谐波和较高的输出功率因数，但会使系统结构复杂和成本增加。

电流源型的发展稍晚于电压源型，在主电路方面电流源型与电压源型比较有三大差别。

①逆变器的直流侧采用大电感L作为滤波元件，即直流电路具有较大的阻抗，由于L的作用，三相整流桥交流侧的输入电流为120°方波电流，同样三相逆变桥交流侧输出电流为120°方波的电流。由于L的作用，能有效地抑制故障电流的上升率实现较理想的保护特性。

②没有与逆变桥反向并联的反馈二极管桥，这里整流桥和逆变桥的电流方向始终不变，

传动系统能量的再生可以通过整流桥和逆变桥的直流电压同时反向，将能量返送交流电网，因此可快速实现四象限运行，适用于频繁加减速和频繁启动的负载场合。

③逆变桥依靠逆变桥内的电容器和负载电感的谐振来换流，简化了主电路。

3．4功率单元串联及多电平方式

在中—中变频器的主电路结构中，若采用若干个低压PWM变频功率单元串联的方式实现直接高压，单元串联的数量决定输出电压的等级，不存在着器件的均压问题。逆变器部分采用多电平移相式PWM技术，同一相的功率单元输出相同的基波电压，但串联各单元的5对载波（每对含正反向信号）之间互相错开36°，实现多电平PWM，每个功率单元的IGBT开关频率为600Hz，若每相5个功率单元串联时，等效的输出相电压开关频率为6kHz，可以降低开关的损耗，提高变频器效率，此种结构的变频器可适用于任何普通的高压电动机，且不必降额使用。虽然采用这种主电路拓扑结构会使器件的数量增加，但由于驱动功率下降，开关频率较低且不必采用均压电路，使系统在效率方面仍有较大的优势，一般可达97％。由于采用模块化结构，所有功率单元可以互换，维修也比较方便。但由于采用二极管整流电路，所以能量不能回馈电网，不能实现四象限运行，其应用领域受到一定的限制。

35功率母线技术

在电力电子技术及应用装置向高频化发展的今天，系统中特别是连接线的寄生参数产生巨大的电应力，已成为威胁电力电子装置可靠性的重要因素。从直流储能电容至逆变器的器件之间的直流母线上的寄生电感在通常的硬开关逆变器中，由于瞬时切换时的过电压，会使器件过热，甚至有时使逆变器失控并超过器件的额定安全工作区而损坏，限制了开关

工作频率的提高。功率母线按其结构可分为以下几种：

1）电缆绞线电缆绞线是最常用的传统功率母线，价廉、简易，但在IGBT逆变器中，由于电缆线的自感大，与园截面导线相比，扁平母线的自感只有园导线的1/3～1/2，而所占的体积只有它的1/10～1/2。

2）印刷电路板印刷电路板母线主要用于小电流逆变器，但当母线直流电流达到150A时，要求电路板的复铜层很厚，造价太高，另外用来连接多层导线板的穿孔不但占据较大的空间，而且会影响整机的可靠性。

3）裸铜板母线（平面并行母线）这是一种工业上广泛应用的IGBT模块馈电系统的传统母线形式，其缺点是在于并行母线的互感较大。

4）支架式母线如果将正直流母线铜板放置在负直流母线板的上方，中间用一层薄绝缘材料隔开的方法来制作母线，由于磁场的相互抵消，可以最大限度地降低互感，但其工艺复杂，不宜规模化生产。

由于上述几种功率母线都存在着不同的缺点，因此制约大功率变频器体积的小型化的进程，为此开发研制出迭层功率母线。

5）迭层功率母线基于电磁场理论，把连线做成扁平截面，在同样截面下做得越薄越宽，它的寄生电感越小，相邻导线内流过相反的电流，其磁场抵消，也可使寄生电感减小，这就促使萌生迭层功率母线的思路。所谓迭层功率母线是以又薄又宽的铜排形式迭放在一起，各层之间用很薄的高绝缘强度的材料热压成一体，整个母线极之间的距离均匀一致，以减少互感，各层铜排都在所需要的端子位置处同其他层可靠绝缘地引出，使所具有不同电位

的端子表露在同一平面上，以便于把主电路中的所有器件与之相连。这种整体的迭层功率母线结构，可承受数百kg的切应力，其导电极之间可承受数kV的电压。使用迭层功率母线将IGBT和整流管等模块、散热器、电容器及栅极驱动电路组合在一起，迭层功率母线与器件之间的连接是用不同的端子和插接件等来完成的，以使相连接时的接触表面与母线之间的接触电阻非常小，也使得寄生电感成数量级地减小，从而使Ldi/dt的过电压应力降至最低，保证电力电子装置工作在最佳状态。

4 市场分析

我国发电量的50％～60％用于交流电动机,而容量在315kW以上的（其额定电压一般为3～10kV),电动机占电动机总装机容量的40％～50％。由于我国中压变频技术仍没有形成产业化，落后于国外发达国家，因此这部分电动机在负载工况变化时，缺少经济可靠的调速手段，每天都在浪费着大量的电能，因此国内潜在着巨大的中压大功率变频器市场。世界上各大知名的电气公司，如西门子、ABB、AB、AEG、东芝等，都在这一领域展开激烈的竞争，投入大量的人力、物力和财力，开发研制高性能的产品，以抢占我国中压大功率变频器的市场。国家计委预计在今后十五年内，我国变频器总需求的投资额在500亿元以上，而其中60％～70％是中压大功率变频器。

我国的高压变频器市场有其特殊性，其使用环境、用户特点与国外差别较大，归纳起来有以下几点:

1）行业性很强，主要集中在冶金、电力、供水、石油、化工、煤炭等行业。在工业用电中石油、煤炭等能源行业耗电占22.34％;化工占14.73％;冶金占14.18％;机械建材占10.96％;供水占10.53％。

2）上述行业中大都为国有控股企业，定购产品涉及动力、计划、技术改造等部门，购买决策周期长。

3）一次性投资购买设备金额较大，若能采用卖方信贷、租赁、节能效益还款等方式促销，会使用户更快接收。

4）各类负载工况差异大，使用经验相对少。

5）目前全国各行业中，只有少数企业的高压电机使用了调速方式，市场空白点多。

6）政府行为和市场的不确定性。高压变频器属投资类设备，主要用于节能和改善生产工艺。用户是否购买此类设备与政府的政策导向关系很大。如政府推广力度较大，市场启动会快一些，反之则慢。另一方面市场还受国际、国内经济大环境的影响及国内用户(某些行业)整体经济效益好坏的影响。因此，在未来市场发展过程中仍存在着一些不确定的因素。

7）海外跨国公司知名品牌产品大举进入我国市场的可能性较大，各方应有所准备。

5结语

我们如果不能在这场竞争中研制开发出自己的创新产品，并形成产业化生产规模，并加大推广应用力度，那么我们将把国内几百亿元的中压大功率变频器市场让给国外各大电气公司，其结果是由国外各大电气公司垄断我国中压大功率变频器技术及市场，那时我国在这一领域的技术和产品将是“万国型”。因此研制国产中压大功率变频器，就必须走产学研联合创新之路，才能形成产业化的规模。而要从技术创新走向产业成功的路，并没有一个固定模式和规律让我们去遵循，而是需要在市场经济的竞争中穿插、协调，把人的智

慧、技术、和社会的资金及产品在市场上的推广应用的网络有机地结合，形成技术创新、推广应用、网络服务，以此推动国产中压大功率变频器走向市场，并占领市场形成全新的规模化的朝阳产业。

中国中压变频器制造企业现状浅析

本文简要叙述了电力电子行业的特点，以及进入中压变频器制造行业的条件，并提出了几点建议。

1、市场现状

根据中国经济发展的情况来看，目前制约中国经济发展的四大热点问题是油、电、煤、运。而煤-运-电，这又是一条互相制约、协调发展的经济链。因此在未来几年内，节能、节电、环保工作将会提到政府的工作日程上来，更重要的是将会提到企业集团的工作日程上来。对于火电、冶金、石油化工等行业来说，节电也是节煤、也是环保，同时又是降低成本的有效途径之一。因此节能的大潮将会逐渐到来，同时也会给中、高压变频器制造业(包括进口、国产)提供一个市场机遇，因此许多企业在调研、研制、试生产中压变频调速器。

2、中国企业的特点

在中国这块土地上，改革开放二十多年来，形成了这样一种趋势：

无论哪个行业，只要认为是市场前景好，短期内利润丰厚。大家的眼光不约而同的集中到这个行业上来，大家一起上。曾经最明显的是中国彩电、冰箱、VCD行业。

现在的冶金、电解铝、电厂是新的最典型的行业，国企上、私企上，其结果是，在很

短时间内产量将远远大于需求。根据经济学的观念，产量大于需求的20~30%对企业竞争和发展是有好处的，产量大于需求的100~200%对于行业来说无疑是一场灾难。

3、电力电子行业的特点

中国的功率半导体器件还仅仅停留在功率二极管、可控硅、GTO的技术上，近年来没有大的发展。而目前被广泛应用的电力电子器件MOSFET、IGBT、IGCT等完全依赖进口。

由于没有国产的先进电力电子器件，因此严重钳制了中国电力电子行业的发展，90%以上的市场被进口产品所占领。电力电子行业有如下特点。

(1) 在电力电子行业中，功率越小、电压越低，生产的厂家越多；功率越大、电压越高，生产的厂家越少。

目前低压变频器的厂家众多，如西门子、ABB、施耐德、丹弗斯、东芝、日立、富士、AB、三菱等。

而目前中压变频器做的比较好的只有美国的AB、罗宾康，日本的东芝，欧洲的西门子等。

(2) 技术含量高

电力电子是一个多学科交叉的新型学科，它包含了电力、电子、控制三大电气工程技术。随着技术的发展又与现代控制理论、材料科学、电机工程、微电子技术等许多领域密切相关。

(3) 开发成本高

电力电子产品，特别是大功率的产品，开发中需要大量的高精设备和仪器。另外由于功率半导体器件(IGBT)内部微观现象不能用常规手段观测，因此在应用过程中突然损坏的现象经常发生，只有不断的摸索逐步掌握其规律才能很好的应用，而这些经验的积累是需要大量资金投入的。目前有些国产中压变频器在使用过程中还常有IGBT爆炸的现象发生。

4、进入中压变频器制造行业必须具备的条件

(1) 思想上的准备

电力电子产品开发周期长、资金投入大，是需要打硬仗、打持久战的。如果只是想在当前节能浪潮中赢利、获得高额回报，那最好是做产品的销售代理。如果是想把中压变频器作为一项事业来做，那需要仔细的调研，并且做好前三年只有投入没有回报的思想准备，否则最好不要进军这个行业。

(2) 人才的准备，特别是高技术实用人才的准备

在电力电子行业科研人员的实际经验的积累要比任何方面都重要，如果认为有几个硕士生、博士生就会很快的把产品开发出来，做的完善可靠，那世界上就不会只有一个西门子、一个东芝、一个GE、一个AB了，因此工艺、系统、技术的经验的积累是非常重要的。

5、给已在电力电子行业中的企业的建议

(1) 心态要摆正，不要急于求成

在质量方面应该是脚踏实地去做中压变频器的实业，就是实实在在的做事业，哪一点未做到，最后在用户使用时都会反映出来。在这一点上，日本东芝是新产品在工厂运行1~2年后，才能向外销售。产品在工厂实验时出了问题，这是完善的需要，不断的改进使产品日臻完美。而一旦产品作为商品销售出去后出现故障，则是产品质量的问题。对于故障，业内人士在寻找原因，而用户则反映故障率高或干脆说产品不好用，以至到对国产中压变频器的否定。

因此建议中压变频器的制造商心态要摆正，不要急于求成。在条件不允许的情况下还一味的去拿订单的做法，其结果是即影响了企业自身的信誉，又使帮你的“朋友”处于被动的局面，同时又影响到我们的行业。

(2) 建立行业协会

在价格方面我建议学一学欧佩克组织，我们应该有自己的行业协会，应该把专业细化，分工越细质量才会有提高，成本才会下降。在企业自身内部没有建设好、成本没有降下来的情况下，只是一味的降低产品价格，这样做对行业和客户来说都是不负责的。

我们对客户承诺保质期限是5年还是10年，首先要保证我们的企业生命要有10年、20年甚至100年。

企业间的竞争是多方面的，技术上、质量上、服务上、价格上，而我们不能把竞争仅仅局限在价格上。我们要给行业留点余地、给售后服务留点成本，我们的产品距免维护有一定的距离。

总之，中压变频器市场前景好，但路并非好走。要有思想准备，中国市场谁也不能包

打天下。这就要我们有行业上的互相协助、分工细化、关心行业、关心未来。

行业发展，企业获利，民族受益，这是我们共同的目标。

高压变频器及其在电厂中的应用

20世纪90年代，交流变频调速技术及装置在我国有了突飞猛进的发展，由于变频调速在频率范围、动态响应、低频转矩、转差补偿、功率因数、工作效率等方面是以往的交流调速方式无法比拟的，因此在众多行业有了广泛的应用，并且在节约能源、改善工艺、提高生产效率等方面发挥了巨大作用，取得了巨大经济效益。但是，变频调速技术在电力系统尤其在火力发电厂中的应用还非常有限。随着电力行业改革的不断深化，厂网分开、竞价上网等政策的不断实施，降低厂用电率，降低发电成本提高电价的竞争力，成为各火力发电厂追求的目标，也为交流变频调速技术的推广应用提供了广阔的空间。当前，阻碍变频调速技术在高压大容量传动中推广应用的主要难题有两个：一是我国火力发电厂中大功率电动机供电电压高(3～10 kV)，而变频器开关器件的耐压水平较低，造成电压匹配上的难题；二是高压大容量变频调速技术技术含量高、难度大、成本也高，但一般风机水泵等节能用调速装置都要求低投入高回报，从而造成经济效益上的难题。这两个世界性难题阻碍了高压大容量变频调速技术的推广应用，因此如何解决高压供电和用高技术生产出低成本的变频器是当前世界各国相关行业的竞争热点。

1 高压变频器的发展概况

目前美国罗宾康(ROBICON)公司、AB公司，瑞典ABB公司及德国西门子等公司的高压变频器产品采用不同措施较成功地解决了高耐压、大容量这一难题。各公司采用的技术不尽相同，但归纳起来主要有两种：一是采用多重化技术，再就是采用新开发的高耐压功

率器件。现以比较有代表性的两种产品加以介绍。

1.1 多重化技术的应用

以美国罗宾康公司的HARMONY系列变频器为代表，包括我国北京先行和凯奇两家公司的产品均采用了多重化技术。所谓多重化技术就是每相由几个低压PWM功率单元串接组成，各功率单元由一个多绕组的隔离变压器供电，以高速微处理机和光导纤维实现控制和通信。该技术从根本上解决了一般6脉冲和12脉冲变频器产生的谐波问题，可实现完美无谐波变频。其基本原理如下：

图1 多重化变频器拓扑图

图1为6 kV高压大容量变频器的拓扑图，它是由多个低压功率单元串联而成，由低压PWM变频单元叠加达到高压输出的目的。图2为变频器的结构原理图，各个功率单元由输入隔离变压器的二次隔离线圈分别供电，每个功率单元额定电压为690 V，每相5个单元串联，因此相电压为3.45 kV，所对应的线电压为6 kV(当每相4个功率单元，每个单元额定电压为480V，输出线电压为3.3 kV)。给功率单元供电的二次线圈在绕制时互相存

在一个12°(电角度)的相位差，实现输入多重化，因此可形成相当于30脉冲的整流由于多重化可消除各单元产生的大多数谐波，对电网的污染可降到很低，并且谐波无功造成的功率因数降低减到最小，在整个负荷范围内网侧功率因数均可保持在0.95以上，不需要配备改善功率因数的电容器。

图2 多重化变频器结构图

图3为低压功率单元的结构原理图，它是由低压IGBT构成的三相输入单相输出的脉宽调制型(PWM)变频器，电压输出0～690 V可调和频率0～120 Hz可调。其输出电压为三电平即1，0，－1，每相5个单元叠加就可产生11种不同的电压等级(±5，±4，±3，

±2，±1，0)。因此线电压即可形成23脉冲的电压波形，谐波极大减少。变频器输出电压非常接近正弦波形，大大降低了du／dt脉动对电动机绕组的冲击，减少了电动机的谐波损耗，电机可不降低额定容量使用，同时对电缆的绝缘也无特殊要求。

图3 功率单元结构原理图

表1 多重化变频器与三电平变频器输出谐波含有率对比表 %

表1所列数据为采用多重化技术和一般三电平技术变频器的输出谐波比较，可见采用多重化技术的变频器19次以下的谐波几乎完全消除，所以不需任何输出滤波器，从本质上就能提供正弦波电压输出，而且即使在低速时也能保持很好的输出正弦波形，不需配置输出滤波器，因此消除了因谐波造成的电机振动、噪音和温升等问题。由于谐波大为减少，由谐波引起的电动机功率因数和效率的损失也大为减少，所以变频部分效率高达98%以上，包括输入隔离变压器在内的整个变频系统的效率也高达96%以上。该类型变频器适合于高—高方式，由于采用低压功率器件，所以工作可靠，并且谐波含量极低，对电网影响

小，适合于功率在1 MW以上的电厂辅机应用。其缺点是造价昂贵，占用空间大，安装较困难，不过罗宾康公司已经研制出新一代的小型变频器，这一矛盾有望解决。

1.2 高耐压开关器件的应用

变频器中常用的开关器件多为IGBT、GTR、GTO等，由于制造水平及原材料的原因，使这些器件的耐压很难达到直接应用于6 kV的电压，因此许多国家的企业开始研制开发新材料及新的高耐压器件。最近几年来ABB公司与三菱公司合作开发的IGCT(ETO)，西门子研制的HV—IGBT等耐压可达4.5 kV。西门子、ABB公司、GE公司和Cegelec公司等分别采用专门研制的高耐压开关器件并以传统的交流变频器结构研制开发了自己的高压变频器。现以有代表性的西门子公司产品SIMOVERT MV系列为例进行简要介绍SIMOVERT MV系列变频器采用传统的交—直—交变频器结构，整流部分采用12脉冲或24脉冲二极管整流器，逆变部分采用三电平PWM逆变器。图4为SIMOVERT MV系列变频器的原理结构图。由图4可以看出，该系列变频器采用传统的电压型变频器结构，通过采用耐压较高的HV—IGBT模块，使得串联器件数减少为12个，随着元件数量的减少，成本降低，方案变得简洁，从而使柜体尺寸更小，可靠性更高。

图4 SIMOVERT MV系列变频器的原理结构图

由于变频器的整流部分是非线性的，会产生高次谐波，此高次谐波将使电网的电压和

电流波形发生畸变，对电网造成污染。图4所示的SIMOVERT MV系列变频器的12脉冲整流原理接线图中，三相桥式整流相当于六相整流，现将两组三相桥式整流电路用整流变压器联系起来，其初级绕组结成三角形，次级绕组一组结成三角形，一组结成星形，得到DycDdo的连接组别，整流变压器次级2个绕组的线电压相同，但2个绕组的线电压相位相差30°，这样5次、7次谐波在变压器的初级将会有180°的相移，因而能够相互抵消，同样17、19次也相互抵消。这样经过2个整流桥的串联叠加后，即可得到12波头的整流输出波形，比6个波头更平滑，并且每桥的整流二极管耐压降低一半。采用12相整流电路减少了特征谐波含量，由于N＝KP±1(P为整流相数，K为自然数，N为特征谐波的次数)，所以网侧特征谐波只有11、13、23、25等。同理采用24脉冲整流电路网侧谐波被更进一步抑制。两种选择方案均可使输入功率因数在整个功率范围内保证在0.95以上，不需功率因数补偿电容器。SIMOVERT MV系列变频器的逆变部分采用传统的三电平方式，所以不可避免地会产生比较大的谐波分量，这是三电平逆变方式所固有的。因此SIMOVERT MV系列变频器的输出侧需要配置输出滤波器才能用于通用的电动机，否则必须配用西门子的专用电动机。同样由于谐波的影响，电动机的功率因数和工作效率都会受到一定的影响，只有在额定运行点处才能达到最佳的工作状态，随着转速的降低，工作效率和功率因数都会相应降低。这是该类型高压变频器的缺点所在，因而限制了其应用。

另外，SIMOVERT MV系列变频器的一个特色是可以提供有源前端(AFE)，AFE也采用三电平技术，因而可以实现电动机的4象限传动方案，即可以进行双向电动和能量反馈制动运行。如图5所示为有源前端的整流器，由于 AFE反并联了12个反馈二极管，因此可提供直流环节富余能量回馈电网的通路。有源前端的引入为该系列变频器在交流传动的应用提供了较大的空间。

图5 有源前端(AFE)原理图

两种类型的高压变频器各有优缺点，多重化变频器能够提供无谐波的变频，在对谐波要求比较严格的电力系统有着比较大的应用前景，但其缺点目前来说是比较明显的，即变频器体积大，安装不便，造价高，这成为影响其推广使用的一大难题。采用高耐压开关器件的变频器体积小，可靠性相对较高，但不可否认的是其比较严重的谐波污染及对电动机的特殊要求，若考虑输出滤波器的因素，其造价也不低。所以在应用过程中应根据实际需求选用性能价格比较高的变频器。

2 变频器在6 kV供电系统中的使用方式

由于整套系统的要求各不相同，各地所用电动机的额定电压、额定功率也就不同，所以选用的变频器和整个系统的组成方式也各不相同。为了很好地满足系统的需求，应该根据实际情况选用性能价格比较好的变频器和系统组成方式。对于6 kV供电系统，变频器的应用有如下几种方式。

2.1 高—高方式

用额定电压为6 kV的高压PWM电压型变频器直接驱动电机，实现变频调速。此种方式整体效率高，当电厂辅机电机容量在1 MW时应用较合适。当电机容量较小时(小于

700 kW)，相当于“大马拉小车”，再采用6 kV高压变频器，价格就显得比较高了。

2.2 高—低—高方式

用输入变压器将6 kV高压降为600 V(或460V)，用低压电流源型变频器实现变频调速，再用输出变压器升压至6 kV，以控制电机调速。此种方式较适合中等或中等偏下功率电机的应用(100～1500 kW)，所以价格比较合理，调速平稳、使用可靠，缺点是增加输出升压变压器，系统效率略微降低，且占地面积大。适合的变频器选择范围比较宽。

2.3 高—中—中方式

如果将6 kV的高压电机改装成3 kV电机，就可使用3 kV的变频器，提高系统效率，降低投资费用，而性能与直接控制方式相同。采用多重化技术的变频器或高耐压开关器件的变频器均可，选择面相对较宽。

2.4 高—低—低方式

当电机的功率在500 kW以下时，最好的方法是选用新的低压电机(如国产380 V电机)取代原有高压电机。经输入降压变压器降压后，用低压变频器直接控制调速。此方案性能良好，变频器即使加上新电机的成套费用，比其他方式还要低，而且不含高压器件，维修使用方便，变频器选择范围很大。

3 变频调速技术在火力发电厂中的应用前景

3.1 火电厂中的节能应用

目前，在中国电源结构中，火电占74%(发电量占80%)，水电占25%(发电量占19%)，核电仅占1%左右，因此火电机组及其辅机设备的节能工作是非常重要的。火力发电厂中的各种动力设备中，风机水泵类负载占绝大部分。由于各电厂调峰力度的加大，这些设备的负荷变化范围很大，所以必须实时调节风机水泵的流量。目前调节流量的方法多为节流阀调节，由于这种调节方法仅仅是改变了通道的通流阻抗，而驱动源的输出功率并没有改变，所以浪费了大量能源。尤其现在电力行业改革不断深化，厂网分开、竞价上网政策的开展实施，降低厂用电率、降低发电成本提高出厂电价的竞争力，就成为各个电厂的当务之急。采用变频调速技术对这些辅机设备进行改造是非常适合的，而且节能非常明显。例如大庆华能新华发电厂1997、1998年分别在4、5号灰浆泵400 kW电动机和5号炉2台1 250 kW电动机上采用变频器，至今运行良好，每台变频器年节约资金在35万元以上。

3.2 火电厂中的软起动应用

直接起动的交流电机因起动电流大(通常为5～7倍的额定电流)，在很短的起动过程中，笼型绕组或阻尼绕组将承受很高的热应力和机械应力，致使笼条(或导条)和端环在很高的应力作用下疲劳断裂。直接起动时的大电流还会在绕组端部产生很大电磁力，使绕组端部变形和振动，造成定子绕组绝缘的机械损伤和磨损，而导致定子绕组绝缘击穿。起动时的大电流还会造成铁心振动，使铁心松弛，引起电动机的发热。在火力发电厂中，高压大容量交流异步电动机应用非常广泛，由于直接起动所造成的电动机烧毁和转子断条事故，屡屡发生，给主机设备的安全经济运行带来很大的威胁，因此大容量异步电动机采用软起动方式，对于延长电动机使用寿命，减少对电网的冲击，保证正常生产是非常必要的。由于电动机在变频起动过程中可实现高起动转矩并且平滑无冲击，所以采用变频器作为软起动装置是非常合适的。

3.3 变频器在电厂控制中的应用

交流变频调速技术在最近几年有了很大的发展，特别是矢量控制技术的应用，使得交流电力拖动逐步具备了宽的调速范围、高的调速精度、快的动态响应以及在四象限做可逆运行等良好的技术性能，在调速性能方面已可与直流拖动相媲美。因此在电厂中，不仅在节能和软起动方面需要变频器，许多需要精确控制流量、压力及液位的场所都可以采用变频器。例如，石家庄热电厂13号锅炉给粉机由滑差调速改为变频调速后，煤粉的供给更加均匀，锅炉的燃烧更加稳定。

4 综述

目前高压变频器虽然在技术和价格上还存在许多难题，但是随着电力电子技术和变频调速技术的不断发展，相信高压变频技术及变频装置都将会有很大的发展，这一技术的推广应用将为火力发电厂在节能降耗、提高经济效益、提高上网电价的竞争力方面发挥巨大的作用。