徐甫榮：男，江蘇無(wú)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(zhuān)業(yè)。退休前任國(guó)家電力公司熱工研究院自動(dòng)化所總工程師，享受?chē)?guó)家特殊津。主要從事火電廠熱工自動(dòng)化和交直流電機(jī)調(diào)速拖動(dòng)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(yáng)公司、深圳市科陸變頻器高級(jí)技術(shù)顧問(wèn)。專(zhuān)著“高壓變頻器調(diào)速技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐”一書(shū)。08-09年，擔(dān)任國(guó)家多個(gè)高壓大功率變頻器調(diào)速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)招標(biāo)文件的制定和評(píng)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(jià)格走勢(shì)
    CD：這幾年高壓變頻價(jià)格上的走勢(shì)是？目前高壓變頻器的平均價(jià)格大約維持在多少萬(wàn)元/KW？這種趨勢(shì)主要原因是？未來(lái)幾年這一走勢(shì)將持續(xù)么？

    徐：高壓變頻器的價(jià)格走勢(shì)就像其它電子類(lèi)產(chǎn)品一樣，肯定是越來(lái)越低；特別是最近這幾年，由于生產(chǎn)企業(yè)越來(lái)越多，所以價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈，目前國(guó)內(nèi)高壓變頻器的平均價(jià)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(shí)，其價(jià)格高達(dá)3000元/kW！除了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的因素外，技術(shù)的進(jìn)步，器件的降價(jià)等也是導(dǎo)致高壓變頻器價(jià)格下降的重要原因。估計(jì)這種趨勢(shì)還將繼續(xù)一段時(shí)間，要到高壓變頻器行業(yè)實(shí)現(xiàn)了兼并重組，將大部分企業(yè)淘汰出局以后，市場(chǎng)價(jià)格才有望穩(wěn)定。

2服務(wù)趨勢(shì)
    CD：目前大部分用戶產(chǎn)品訂單是否還是通過(guò)招標(biāo)方式進(jìn)行？除技術(shù)價(jià)格外，影響行業(yè)用戶購(gòu)買(mǎi)決策因素還有哪些？國(guó)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(jià)格因素之外，國(guó)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(gòu)買(mǎi)力下降。

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

3產(chǎn)品和技術(shù)趨勢(shì)
    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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，利潤(rùn)越來(lái)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(huì)轉(zhuǎn)向開(kāi)發(fā)高性能高壓變頻器產(chǎn)品，但是在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，國(guó)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(shì)。各自有何優(yōu)劣勢(shì)？

    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(duì)高壓使用條件的情況下，國(guó)內(nèi)外各變頻器生產(chǎn)廠商八仙過(guò)海，各有高招，歸納起來(lái)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(gè)低壓PWM功率單元串聯(lián)組成，各功率單元由一個(gè)多繞組的隔離變壓器供電，用高速微處理器實(shí)現(xiàn)控制和以光導(dǎo)纖維隔離驅(qū)動(dòng)。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(wèn)題，可實(shí)現(xiàn)完美無(wú)諧波變頻。圖1為6KV變頻器的主電路拓?fù)鋱D，每相由5個(gè)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(duì)應(yīng)的線電壓為6000V。每個(gè)功率單元由輸入隔離變壓器的15個(gè)二次繞組分別供電，15個(gè)二次繞組分成5組，每組之間存在一個(gè)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(guò)變壓器的不同聯(lián)接組別來(lái)實(shí)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(gè)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(jiàn)圖3。每個(gè)功率單元輸出電壓為1、0、-1三種狀態(tài)電平，每相5個(gè)單元疊加，就可產(chǎn)生11種不同的電平等級(jí)，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(lái)實(shí)現(xiàn)高壓輸出，所以不存在器件均壓的問(wèn)題。每個(gè)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(duì)依次相移12°的三角載波對(duì)基波電壓進(jìn)行調(diào)制。對(duì)A相基波調(diào)制所得的5個(gè)信號(hào)，分別控制A1~A55個(gè)功率單元，經(jīng)疊加可具有11級(jí)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(wú)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(cuò)開(kāi)一定的相位，每個(gè)功率單元的IGBT開(kāi)關(guān)頻率若為600HZ，則當(dāng)5個(gè)功率單元串聯(lián)時(shí)，等效的輸出相電壓開(kāi)關(guān)頻率為6KHZ。功率單元采用低的開(kāi)關(guān)頻率可以降低開(kāi)關(guān)損耗，而高的等效輸出開(kāi)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(dòng)。所以這種變頻器對(duì)電機(jī)無(wú)特殊要求，可用于普遍籠型電機(jī)，且不必降額使用，對(duì)輸出電纜長(zhǎng)度也無(wú)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(gè)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(dòng)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(guó)標(biāo)準(zhǔn)中壓電壓等級(jí)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(kāi)發(fā)高耐壓、低損耗、高速度的功率器件。如西門(mén)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(mén)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(shí)，對(duì)變頻器的主電路拓?fù)涞难芯恳灿兴黄疲嚯娖郊夹g(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(guò)采用高耐壓的IGCT功率器件，使得器件總數(shù)減少為12個(gè)。隨著器件數(shù)量的減少，成本降低，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(dòng)機(jī)改為△接法，剛好適用此電壓等級(jí)，同時(shí)也滿足了IGCT電壓型變頻器對(duì)電機(jī)的絕緣等級(jí)提高一級(jí)的要求，因此這個(gè)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(duì)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(lái)，其初級(jí)繞組接成三角形，其次級(jí)繞組則一組接成三角形，另一組接成星形。整流變壓器兩個(gè)次級(jí)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(jí)將會(huì)有180°的相移，因而能夠互相抵消，同樣的17、19次諧波也會(huì)互相抵消。這樣經(jīng)過(guò)2個(gè)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(gè)波頭更平滑，并且每個(gè)整流橋的二級(jí)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(huì)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(dòng)機(jī)。同樣由于諧波的原因，電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)和效率都會(huì)受到一定的影響，只有在額定工況點(diǎn)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(huì)相應(yīng)降低。

3兩種類(lèi)型變頻器的性能比較
    現(xiàn)對(duì)多重化變頻器（CSML）和三電平（中性點(diǎn)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(diǎn)，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(jí)的變頻器為例，采用NPC方式，逆變器部分需36個(gè)耐壓為3300V的高壓IGBT，或者采用24個(gè)耐壓為5000V的IGCT。采用CSML方式，需要15個(gè)功率單元，共計(jì)60個(gè)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(duì)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?jiǎn)栴}
    均壓?jiǎn)栴}（包括靜態(tài)均壓和動(dòng)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(jí)較高（如6KV）時(shí)，單用12個(gè)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(lái)均壓?jiǎn)栴}，失去三電平結(jié)構(gòu)在均壓方面的優(yōu)勢(shì)，大大影響系統(tǒng)的可靠性。采用CSML方式，不存在均壓?jiǎn)栴}，唯一存在的問(wèn)題是當(dāng)變頻器處于快速制動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為動(dòng)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(gè)問(wèn)題很容易解決，通過(guò)檢測(cè)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(guò)某一閾值時(shí)，自動(dòng)延長(zhǎng)減速時(shí)間，以防止直流母線電壓“泵升”，即所謂的過(guò)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(duì)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(guò)NPC方式，前者在輸入諧波方面的優(yōu)勢(shì)是明顯的，因此在綜合功率因數(shù)方面也有一定的優(yōu)勢(shì)。

    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(jí)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(kāi)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(shì)也是明顯的。

    ⑤dv/dt
    NPC方式的輸出電壓跳變臺(tái)階為一半的高壓直流母線電壓，對(duì)于6KV輸出變頻器而言，為4000V左右，CSML方式輸出電壓跳變臺(tái)階為單元的直流母線電壓，不會(huì)超過(guò)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(huì)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(shì)，采用CSML方式時(shí)，電機(jī)運(yùn)行效率相對(duì)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(yùn)行
    NPC方式當(dāng)輸入采用對(duì)稱的PWM整流電路時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行，可用于軋機(jī)、卷?yè)P(yáng)機(jī)等設(shè)備；而CSML方式則無(wú)法實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行，只能用于風(fēng)機(jī)、水泵類(lèi)負(fù)載。

    ⑧冗余設(shè)計(jì)
    NPC方式的冗余設(shè)計(jì)很難實(shí)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(jì)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(gè)重要因素，CSML方式采用模塊化設(shè)計(jì)，更換功率單元時(shí)只要拆除3個(gè)交流輸入端子和兩個(gè)交流輸出端子，以及一個(gè)光纖插頭，就可抽出整個(gè)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(jiǎn)單，且可做成四象限運(yùn)行的變頻器，應(yīng)用范圍較寬。如電壓等級(jí)較高時(shí)，采用器件直接串聯(lián)，帶來(lái)均壓?jiǎn)栴}，且存在輸出諧波和dv/dt等問(wèn)題，一般要設(shè)置輸出濾波器。在電網(wǎng)對(duì)諧波失真要求較高時(shí)，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?jiǎn)栴}，且在輸入諧波輸出諧波及dv/dt等方面有明顯的優(yōu)勢(shì)，但只能二象限運(yùn)行。

    從負(fù)載類(lèi)型而言，對(duì)于風(fēng)機(jī)、水泵等一般不要求四象限運(yùn)行的設(shè)備，CSML變頻器有較大的應(yīng)用前景；對(duì)軋機(jī)、卷?yè)P(yáng)機(jī)等要求四象限運(yùn)行的設(shè)備而言，適合采用NPC型變頻器。從電壓等級(jí)來(lái)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(lái)的均壓?jiǎn)栴}，6KV以上電壓等級(jí)（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(dòng)機(jī)的參數(shù)有關(guān)，使得現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試比較困難，因此使用場(chǎng)合受到限制。

    目前我國(guó)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(chǎng)合，才使用三電平變頻器和電流源型高壓變頻器。