徐甫榮：通用高壓仍占主導(dǎo)（專家篇）

徐甫榮：男，江蘇無錫人。1946年生，1970年畢業(yè)于西南交通大學(xué)電機(jī)工程系發(fā)電廠電力網(wǎng)及電力系統(tǒng)專業(yè)。退休前任國家電力公司熱工研究院自動化所總工程師，享受國家特殊津。主要從事火電廠熱工自動化和交直流電機(jī)調(diào)速拖動及電機(jī)節(jié)能技術(shù)的研究工作。退休后，曾任深圳市微能科技公司、廣大中山明陽公司、深圳市科陸變頻器高級技術(shù)顧問。專著“高壓變頻器調(diào)速技術(shù)應(yīng)用實踐”一書。08-09年，擔(dān)任國家多個高壓大功率變頻器調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)招標(biāo)文件的制定和評標(biāo)工作。2012年11月至今任北京四維技能技術(shù)有限公司總工程師。

1價格走勢
    CD：這幾年高壓變頻價格上的走勢是？目前高壓變頻器的平均價格大約維持在多少萬元/KW？這種趨勢主要原因是？未來幾年這一走勢將持續(xù)么？

    徐：高壓變頻器的價格走勢就像其它電子類產(chǎn)品一樣，肯定是越來越低；特別是最近這幾年，由于生產(chǎn)企業(yè)越來越多，所以價格競爭越來越激烈，目前國內(nèi)高壓變頻器的平均價格大約在300元/kW左右，而在上世紀(jì)90年代，高壓變頻器剛剛進(jìn)入工業(yè)領(lǐng)域時，其價格高達(dá)3000元/kW！除了市場競爭的因素外，技術(shù)的進(jìn)步，器件的降價等也是導(dǎo)致高壓變頻器價格下降的重要原因。估計這種趨勢還將繼續(xù)一段時間，要到高壓變頻器行業(yè)實現(xiàn)了兼并重組，將大部分企業(yè)淘汰出局以后，市場價格才有望穩(wěn)定。

2服務(wù)趨勢
    CD：目前大部分用戶產(chǎn)品訂單是否還是通過招標(biāo)方式進(jìn)行？除技術(shù)價格外，影響行業(yè)用戶購買決策因素還有哪些？國內(nèi)外廠商在服務(wù)上有著怎樣的區(qū)別？

    徐：是的。除了技術(shù)和價格因素之外，國家的產(chǎn)業(yè)調(diào)整政策也起到了決定性的作用，很多企業(yè)限產(chǎn)停產(chǎn)，造成企業(yè)購買力下降。

    售后技術(shù)服務(wù)一直是國內(nèi)廠商的強(qiáng)項，也是爭取訂單的主要法寶，主要體現(xiàn)在響應(yīng)的及時性，還有可延長的質(zhì)保期等。

3產(chǎn)品和技術(shù)趨勢
    CD：您如何看待2014通用高壓變頻器和高性能高壓變頻器兩大系列產(chǎn)品的發(fā)展。

    徐：由于通用高壓變頻器市場競爭激烈，利潤越來越薄，導(dǎo)致大部分高壓變頻器企業(yè)都快要撐不住了，所以為了企業(yè)的發(fā)展，都會轉(zhuǎn)向開發(fā)高性能高壓變頻器產(chǎn)品，但是在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)，國內(nèi)的高壓變頻器廠家還是以通用高壓變頻器為主。

    CD：您如何看待多重化變頻器、三電平及電流源型高壓變頻目前的發(fā)展趨勢。各自有何優(yōu)劣勢？

    徐：目前高壓變頻器在世界上不象低壓變頻器一樣具有成熟的一致性的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而是限于采用目前有限電壓耐量的功率器件，又要面對高壓使用條件的情況下，國內(nèi)外各變頻器生產(chǎn)廠商八仙過海，各有高招，歸納起來主要有兩種技術(shù)：一是采用低耐壓器件的多重化技術(shù)，再就是采用高耐壓器件的多電平技術(shù)。

1多重化技術(shù)
    多重化技術(shù)就是每相由幾個低壓PWM功率單元串聯(lián)組成，各功率單元由一個多繞組的隔離變壓器供電，用高速微處理器實現(xiàn)控制和以光導(dǎo)纖維隔離驅(qū)動。多重化技術(shù)從根本上解決了一般6脈沖和12脈沖變頻器所產(chǎn)生的諧波問題，可實現(xiàn)完美無諧波變頻。圖1為6KV變頻器的主電路拓?fù)鋱D，每相由5個額定電壓為690V的功率單元串聯(lián)，因此相電壓為690V×5=3450V，所對應(yīng)的線電壓為6000V。每個功率單元由輸入隔離變壓器的15個二次繞組分別供電，15個二次繞組分成5組，每組之間存在一個12°的相位差。圖2中以中間△接法為參考（0°），上下方各有兩套分別超前（+12°、+24°）和滯后（-12°、-24°）的4組繞組。所需相差角度可通過變壓器的不同聯(lián)接組別來實現(xiàn)。

圖16KV變頻器的主電路拓?fù)鋱D

圖2輸入移相變壓器的連接方式

    圖1中的每個功率單元都是由低壓絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）構(gòu)成的三相輸入，單相輸出的低壓PWM電壓型逆變器。功率單元電路見圖3。每個功率單元輸出電壓為1、0、-1三種狀態(tài)電平，每相5個單元疊加，就可產(chǎn)生11種不同的電平等級，分別為±5、±4、±3、±2、±1和0。圖4為一相合成的正波輸出電壓波形。用這種多重化技術(shù)構(gòu)成的高壓變頻器，也稱為單元串聯(lián)多電平PWM電壓型變頻器。采用功率單元串聯(lián)，而不是用傳統(tǒng)的器件串聯(lián)來實現(xiàn)高壓輸出，所以不存在器件均壓的問題。每個功率單元承受全部的輸出電流，但僅承受1/5的輸出相電壓和1/15的輸出功率。變頻器由于采用多重化PWM技術(shù)，由5對依次相移12°的三角載波對基波電壓進(jìn)行調(diào)制。對A相基波調(diào)制所得的5個信號，分別控制A1~A55個功率單元，經(jīng)疊加可具有11級階梯電平的相電壓波形，它相當(dāng)于30脈波變頻，理論上19次以下的諧波都可以抵消，總的電壓和電流失真率可分別低于1.2%和0.8%，堪稱完美無諧波（PerfectHarmony）變頻器。它的輸入功率因數(shù)可達(dá)0.95以上，不必設(shè)置輸入濾波器和功率因數(shù)補(bǔ)償裝置。變頻器同一相的功率單元輸出相同的基波電壓，串聯(lián)各單元之間的載波錯開一定的相位，每個功率單元的IGBT開關(guān)頻率若為600HZ，則當(dāng)5個功率單元串聯(lián)時，等效的輸出相電壓開關(guān)頻率為6KHZ。功率單元采用低的開關(guān)頻率可以降低開關(guān)損耗，而高的等效輸出開關(guān)頻率和多電平可以大大改善輸出波形。波形的改善除減小輸出諧波外，還可以降低噪聲、du/dt值和電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動。所以這種變頻器對電機(jī)無特殊要求，可用于普遍籠型電機(jī)，且不必降額使用，對輸出電纜長度也無特殊限制。由于功率單元有足夠的濾波電容，變頻器可承受-30%電源電壓下降和5個周期的電源喪失。這種主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)雖然使器件數(shù)量增加，但由于IGBT驅(qū)動功率很低，且不必采用均壓電路、吸收電路和輸出濾波器，可使變頻器的效率高達(dá)96%以上。

圖3功率單元電路

圖4五功率單元串聯(lián)輸出電壓波形

2多電平技術(shù)
    我國標(biāo)準(zhǔn)中壓電壓等級為6KV和10KV，若直接變頻，即使用4.5KV~6KV耐壓的功率器件，仍需串聯(lián)使用，使器件數(shù)量增加，電路復(fù)雜，成本增加，可靠性大為降低。為了避免功率器件的串、并聯(lián)使用，世界上很多公司致力于開發(fā)高耐壓、低損耗、高速度的功率器件。如西門子公司研制的HV-IGBT耐壓可達(dá)4.5KV，ABB公司研制的新型功率器件一集成門極換流晶閘管（IGCT），耐壓可達(dá)6KV，并在致力于研制耐壓9KV的IGCT器件。在研制高耐壓器件的同時，對變頻器的主電路拓?fù)涞难芯恳灿兴黄?，多電平技術(shù)就是使用有限耐壓的功率器件，直接應(yīng)用于6KV電壓的主電路拓?fù)浼夹g(shù)。圖5是ABB公司ACS1000型12脈沖輸入三電平高壓變頻器的主電路結(jié)構(gòu)圖。

圖5三電平IGCT變頻器主電路結(jié)構(gòu)圖

圖6三電平PWM變頻器輸出線電壓波形圖

    整流部分采用12脈沖二極管整流器，逆變部分采用三電平PWM逆變器。由圖5可以看出，該系列變頻器采用傳統(tǒng)的電壓型變頻器結(jié)構(gòu)，通過采用高耐壓的IGCT功率器件，使得器件總數(shù)減少為12個。隨著器件數(shù)量的減少，成本降低，電路結(jié)構(gòu)簡潔，從而使體積縮小，可靠性更高。

    若采用6KV耐壓的IGCT，變頻器輸出電壓可達(dá)4.16KV，采用5.5KV耐壓的IGCT，變頻器輸出電壓可達(dá)3500V，將Y型接法的6KV中壓電動機(jī)改為△接法，剛好適用此電壓等級，同時也滿足了IGCT電壓型變頻器對電機(jī)的絕緣等級提高一級的要求，因此這個方案可能是最經(jīng)濟(jì)合理的。若要輸出6KV電壓，還必須進(jìn)行器件串聯(lián)。由于變頻器的整流部分是非線性的，產(chǎn)生的高次諧波將對電網(wǎng)造成污染。為此，ACS1000系列變頻器的12脈波整流接線圖中，將兩組三相橋式整流電路用整流變壓器聯(lián)系起來，其初級繞組接成三角形，其次級繞組則一組接成三角形，另一組接成星形。整流變壓器兩個次級繞組的線電壓相同，但相位則相差30°角，這樣5次、7次諧波在變壓器的初級將會有180°的相移，因而能夠互相抵消，同樣的17、19次諧波也會互相抵消。這樣經(jīng)過2個整流橋的串聯(lián)疊加后，即可得到12波頭的整流輸出波形，比6個波頭更平滑，并且每個整流橋的二級管耐壓可降低一半。采用12相整流電路減少了特征諧波含量，由于N=KP±1（P為整流相數(shù)、K為自然數(shù)、N為特征諧波次數(shù)）。所以網(wǎng)側(cè)特征諧波只有11、13、23、25次等。如果采用24脈波整流電路，網(wǎng)側(cè)諧波將更進(jìn)一步被抑制。兩種方案均可使輸入功率因數(shù)在全功率范圍內(nèi)保證在0.95以上，不需要功率因數(shù)補(bǔ)償電容器。

    變頻器的逆變部分采用傳統(tǒng)的三電平方式，所以輸出波形中會不可避免地產(chǎn)生比較大的諧波分量，這是三電平逆變方式所固有的。因此在變頻器的輸出側(cè)必須配置輸出濾波器才能用于普通的籠型電動機(jī)。同樣由于諧波的原因，電動機(jī)的功率因數(shù)和效率都會受到一定的影響，只有在額定工況點才能達(dá)到最佳的工作狀態(tài)，隨著轉(zhuǎn)速的降低，功率因數(shù)和效率都會相應(yīng)降低。

3兩種類型變頻器的性能比較
    現(xiàn)對多重化變頻器（CSML）和三電平（中性點鉗位）變頻器（NPC）進(jìn)行性能比較，兩種高壓變頻器各有優(yōu)缺點，分別體現(xiàn)在以下各方面：

    ①器件數(shù)量
    以6KV輸出電壓等級的變頻器為例，采用NPC方式，逆變器部分需36個耐壓為3300V的高壓IGBT，或者采用24個耐壓為5000V的IGCT。采用CSML方式，需要15個功率單元，共計60個耐壓為1700V的低壓IGBT。從器件的數(shù)量上看，CSML方式要多于NPC方式，但CSML方式采用的是低壓IGBT，相對于高壓功率器件而言，低壓器件的技術(shù)更加成熟、可靠，成本也較低。

    ②均壓問題
    均壓問題（包括靜態(tài)均壓和動態(tài)均壓）是影響高壓變頻器可靠性的重要因素，采用NPC方式，當(dāng)輸出電壓等級較高（如6KV）時，單用12個器件不能滿足耐壓要求，必須采用器件直接串聯(lián)，器件直接串聯(lián)必然帶來均壓問題，失去三電平結(jié)構(gòu)在均壓方面的優(yōu)勢，大大影響系統(tǒng)的可靠性。采用CSML方式，不存在均壓問題，唯一存在的問題是當(dāng)變頻器處于快速制動時，電動機(jī)處于發(fā)電制動狀態(tài)，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為動能，導(dǎo)致單元內(nèi)直流母線電壓上升，各單元的直流母線電壓上升程度可能存在差異，但這個問題很容易解決，通過檢測功率單元直流母線電壓，當(dāng)任何單元的直流母線電壓超過某一閾值時，自動延長減速時間，以防止直流母線電壓“泵升”，即所謂的過電壓失速防止功能，這種技術(shù)在低壓變頻器中被廣泛采用，非常成功。

    ③對電網(wǎng)的諧波污染和功率因數(shù)
    由于CSML方式輸入整流電路的脈沖數(shù)超過NPC方式，前者在輸入諧波方面的優(yōu)勢是明顯的，因此在綜合功率因數(shù)方面也有一定的優(yōu)勢。

    ④輸入波形
    NPC方式輸出相電壓是三電平，線電壓是五電平。而6KV等級的CSML方式輸出相電壓為11電平，線電壓為21電平。而且，后者的等效開關(guān)頻率（6KHZ）大大高于前者，所以后者在輸出波形質(zhì)量方面優(yōu)勢也是明顯的。

    ⑤dv/dt
    NPC方式的輸出電壓跳變臺階為一半的高壓直流母線電壓，對于6KV輸出變頻器而言，為4000V左右，CSML方式輸出電壓跳變臺階為單元的直流母線電壓，不會超過1000V，所以二者在輸出dv/dt方面的差距也是明顯的。

    ⑥系統(tǒng)效率
就變壓器與逆變電路而言，NPC方式和CSML方式的效率非常接近，但考慮到輸出波形的質(zhì)量的差異，若采用普通電機(jī)，前者必須設(shè)置輸出濾波器，后者不必。而濾波器的存在大約會影響效率0.5%左右。若采用特殊變頻電機(jī)，兩種變頻器的效率基本接近，但由于輸出波形方面的優(yōu)勢，采用CSML方式時，電機(jī)運行效率相對較高。但由于IGBT導(dǎo)通壓降大，效率較低，而IGCT則損耗較小，因而器件效率較高。

    ⑦四象限運行
    NPC方式當(dāng)輸入采用對稱的PWM整流電路時，可以實現(xiàn)四象限運行，可用于軋機(jī)、卷揚機(jī)等設(shè)備；而CSML方式則無法實現(xiàn)四象限運行，只能用于風(fēng)機(jī)、水泵類負(fù)載。

    ⑧冗余設(shè)計
    NPC方式的冗余設(shè)計很難實現(xiàn)。而CSML方式可以方便地采用功率單元旁路技術(shù)和冗余功率單元設(shè)計方案，大大地有利于提高系統(tǒng)的可靠性。

    ⑨可維護(hù)性
    除了可靠性以外，可維護(hù)性也是衡量高壓變頻器優(yōu)劣的一個重要因素，CSML方式采用模塊化設(shè)計，更換功率單元時只要拆除3個交流輸入端子和兩個交流輸出端子，以及一個光纖插頭，就可抽出整個單元，十分方便。而NPC方式就不那么方便了。

    綜上所述，三電平電壓源型變頻器結(jié)構(gòu)簡單，且可做成四象限運行的變頻器，應(yīng)用范圍較寬。如電壓等級較高時，采用器件直接串聯(lián)，帶來均壓問題，且存在輸出諧波和dv/dt等問題，一般要設(shè)置輸出濾波器。在電網(wǎng)對諧波失真要求較高時，還要設(shè)置輸入濾波器。多重化PWM電壓源型變頻器不存在均壓問題，且在輸入諧波輸出諧波及dv/dt等方面有明顯的優(yōu)勢，但只能二象限運行。

    從負(fù)載類型而言，對于風(fēng)機(jī)、水泵等一般不要求四象限運行的設(shè)備，CSML變頻器有較大的應(yīng)用前景；對軋機(jī)、卷揚機(jī)等要求四象限運行的設(shè)備而言，適合采用NPC型變頻器。從電壓等級來看，在目前的電力電子功率器件的耐壓水平下，考慮到器件串聯(lián)帶來的均壓問題，6KV以上電壓等級（含6KV），宜優(yōu)先考慮CSML方式。

    4電流源型高壓變頻技術(shù)
至于電流源型高壓變頻器，由于變頻器的控制方式與電動機(jī)的參數(shù)有關(guān)，使得現(xiàn)場調(diào)試比較困難，因此使用場合受到限制。

    目前我國的高壓變頻器主要用于風(fēng)機(jī)水泵和壓縮機(jī)節(jié)能目的，以單元串聯(lián)多電平型為主，只有在高性能使用場合，才使用三電平變頻器和電流源型高壓變頻器。