高压变频调速和内反馈串级调速的比较 - 图文

高压变频调速和内反馈串级调速的比较

国家电力公司西安热工研究院 徐 甫 荣

摘 要： 本文介绍了高压变频调速和内反馈串级调速的工作原理和主要特点，同时客观地比较

了高压变频调速和内反馈串级调速的主要优缺点，供用户在选择节能方案时参考。

关键词：高压变频器 多电平技术 多重化技术 内反馈串级调速电机

1. 前 言

由电机学原理可知，交流电动机的同步转速n0与电源频率f1、磁极对数P之间的关系式为：

n0? S? 异步电动机的转差率S的定义式为： 则可得异步电动机的转速表达式为：

60f1 (r/min) Pn?n0n?1?n0n0

n?n0(1?S)? 可见，要调节异步电动机的转速，可以通过下述三个途径实现： ① 改变定子绕组的磁极对数P（变极调速）；

② 改变供电电源的频率f1（变频调速）； ③ 改变异步电动机的转差率S调速。

改变定子绕组磁极对数调速的方法称为变极调速；改变电源频率调速的方法称为变频调速，都是高效调速方法。而改变异步电动机转差率的调速方法则称为能耗转差调速（串级调速除外），它是一种低效的调速方法，因为调速过程中产生的转差功率都变成热量消耗掉了，绕线式电机转子串电阻调速就属于这种调速方式。 改变电动机定子的极对数，可使异步电动机的同步转速n0?异步电动机的转速n。大中型异步电动机采用变极调速时，一般采用双速电动机。变

60f1改变，从而改变 P60f1(1?S) P极调速通常只用于鼠笼式异步电动机，而不用于绕线式异步电动机。这是因为鼠笼型电动机转子的极对数是随着定子的极对数而变的，所以变极调速时只要改变定子绕组的极对数就行了，而绕线式电动机变极时必须同时改变定子绕组和转子绕组的极对数，这就使得变极时复杂多了。

用于风机水泵调速节能的双速电机一般不采用4／2、8／4等倍极比的双速电机，而采用6／4、8／6、10／8极的双速电机，这与风机水泵的调速范围一般不需要很大

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有关。另外，对于非倍极比的双速电动机在极数比较小时（如8／6、10／8／12／10极等），由不同的绕组接线方式，分别近似为平方转矩型、恒转矩型和恒功率型三种特性的双速电机。由于叶片式泵与风机在管路静扬程或静压为零的情况下，近似为平方转矩负载，所以应选用平方转矩型特性的双速电机，以便在高速及低速运行时都有较高的效率与功率因数，具有更为显著的节能效果。

双速电机的优点是调速效率高，可靠性高，投资省。其缺点是有级调速，不能在整个调速范围内保证高效运行，有时还要配合节流调节手段调节流量，增加了部分节流损耗。双速电动机在变速时电力必须瞬间中断，对电动机及电网都有冲击作用；高压电动机若需经常进行变速切换时，其切换装置的安全可靠性尚需进一步完善和提高。

2. 变频调速

由前所述可知，通过改变电动机供电电源频率的方法而达到调节电动机转速的调速方式称为变频调速。变频调速用的变频器是通过采用可关断的功率器件如：GTO、GTR、IGBT、IGCT等，再加上控制、驱动、保护电路组成的。

由于发电厂风机水泵的电动机功率都很大，一般采用3KV、6KV供电，所以必须采用高压变频器进行调速运行。 目前高压变频器在世界上不象低压变频器一样具有成熟的一致性的拓扑结构，而是限于采用目前有限电压耐量的功率器件，又要面对高压使用条件的情况下，国内外各变频器生产厂商八仙过海，各有高招，因此主电路拓扑结构不尽一致，但都较成功地解决了高耐压、大容量这一难题。如美国罗宾康（ROBICON）公司生产的第三代完美无谐波变频器；罗克韦尔（AB）公司生产的BULLETIN1557和Power Flex7000变频器；瑞典ABB公司生产的ACS1000变频器；德国西门子公司生产的SimovertMv变频器；意大利ANSALDO公司生产的SILCOVERT TH变频器；以及日本的三菱、富士公司生产的完美无谐波变频器和国内的利德华福公司和成都东方日立，成都佳灵公司，合康亿盛公司和山东新风光公司等生产的高压变频器。但归纳起来主要有两种：一是采用低耐压器件的多重化技术，再就是采用高耐压器件的多电平技术。

（1）多重化技术

所谓多重化技术就是每相由几个低压PWM功率单元串联组成，各功率单元由一个多绕组的隔离变压器供电，用高速微处理器实现控制和以光导纤维隔离驱动。多重化技术从根本上解决了一般6脉冲和12脉冲变频器所产生的谐波问题，可实现完美无谐波变频。图1为6KV变频器的主电路拓扑图，每相由5个额定电压为690V的功率单元串联，因此相电压为690V×5=3450V，所对应的线电压为6000V。每个功率单元由输入隔离变压器的15个二次绕组分别供电，15个二次绕组分成5组，每组之间存在一个12°的相位差。图2中以中间△接法为参考（0°），上下方各有两套分别超前（+12°、

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+24°）和滞后（-12°、-24°）的4组绕组。所需相差角度可通过变压器的不同联接组别来实现。

图1 多重化变频器拓扑图 图2 五功率单元串联变频器的电气连接

图1中的每个功率单元都是由低压绝缘栅双极型晶体管（IGBT）构成的三相输入，单相输出的低压PWM电压型逆变器。功率单元电路见图3。每个功率单元输出电压为 1、0、-1三种状态电平，每相5个单元叠加，就可产生11种不同的电平等级，分别为±5、±4、±3、±2、±1和0。图4为一相合成的正波输出电压波形。用这种多重化技术构成的高压变频器，也称为单元串联多电平PWM电压型变频器。采用功率单元串联，而不是用传统的器件串联来实现高压输出，所以不存在器件均压的问题。每个功率单元承受全部的输出电流，但仅承受1/5的输出相电压和1/15的输出功率。变频器由于采用多重化PWM技术，由5对依次相移12°的三角载波对基波电压进行调制。对A相基波调制所得的5个信号，分别控制A1~A5 5个功率单元，经叠加可得图1.15所示的具有11级阶梯电平的相电压波形，它相当于30脉波变频，理论上19次以下的谐波都可以抵消，总的电压和电流失真率可分别低于1.2%和0.8%，堪称完美无谐波（Perfect Harmony）变频器。它的输入功率因数可达0.95以上，不必设置输入滤波器和功率因数补偿装置。变频器同一相的功率单元输出相同的基波电压，串联各单元之间的载波错开一定的相位，每个功率单元的IGBT开关频率若为600HZ，则当5个功

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率单元串联时，等效的输出相电压开关频率为6KHZ。功率单元采用低的开关频率可以降低开关损耗，而高的等效输出开关频率和多电平可以大大改善输出波形。波形的改善除减小输出谐波外，还可以降低噪声、du/dt值和电机的转矩脉动。所以这种变频器对电机无特殊要求，可用于普遍笼型电机，且不必降额使用，对输出电缆长度也无特殊限制。由于功率单元有足够的滤波电容，变频器可承受-30%电源电压下降和5个周期的电源丧失。这种主电路拓扑结构虽然使器件数量增加，但由于IGBT驱动功率很低，且不必采用均压电路、吸收电路和输出滤波器，可使变频器的效率高达96%以上。

图3 功率单元电路 图4 五功率单元串联输出电压波形

（2）多电平技术

我国标准中压电压等级为6KV和10KV，若直接变频，即使用4.5KV~6KV耐压的功率器件，仍需串联使用，使器件数量增加，电路复杂，成本增加，可靠性大为降低。为了避免功率器件的串、并联使用，世界上很多公司致力于开发高耐压、低损耗、高速度的功率器件。如西门子公司研制的HV-IGBT耐压可达4.5KV，ABB公司研制的新型功率器件一集成门极换流晶闸管（IGCT），耐压可达6KV，并在致力于研制耐压9KV的IGCT器件。在研制高耐压器件的同时，对变频器的主电路拓扑的研究也有所突破，多电平技术就是使用有限耐压的功率器件，直接应用于6KV电压的主电路拓扑技术。图5所示是ABB公司ACS1000型12脉冲输入三电平高压变频器的主电路结构图。 整流部分采用12脉冲二极管整流器，逆变部分采用三电平PWM逆变器。由图1.16可以看出，该系列变频器采用传统的电压型变频器结构，通过采用高耐压的IGCT功率器件，使得器件总数减少为12个。随着器件数量的减少，成本降低，电路结构简洁，从而使体积缩小，可靠性更高。

若采用6KV耐压的IGCT，变频器输出电压可达4.16KV，采用5.5KV耐压的IGCT，变频器输出电压可达3500V，将Y型接法的6KV中压电动机改为△接法，刚好适用此电压等级，同时也满足了IGCT电压型变频器对电机的绝缘等级提高一级的要求，因此

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这个方案可能是最经济合理的。若要输出6KV电压，还必须进行器件串联。由于变频器的整流部分是非线性的，产生的高次谐波将对电网造成污染。为此，图1.16所示的ACS1000系列变频器的12脉波整流接线图中，将两组三相桥式整流电路用整流变压器联系起来，其初级绕组接成三角形，其次级绕组则一组接成三角形，另一组接成星形。整流变压器两个次级绕组的线电压相同，但相位则相差30°角，这样5次、7次谐波在变压器的初级将会有180°的相移，因而能够互相抵消，同样的17、19次谐波也会互相抵消。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，并且每个整流桥的二级管耐压可降低一半。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为特征谐波次数)。所以网侧特征谐波只有11、13、23、25次等。如果采用24脉波整流电路，网侧谐波将更进一步被抑制。两种方案均可使输入功率因数在全功率范围内保证在0.95以上，不需要功率因数补偿电容器。

图5 三电平IGCT变频器主电路结构图

图6 三电平PWM变频器输出线电压波形图

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变频器的逆变部分采用传统的三电平方式，所以输出波形中会不可避免地产生比较大的谐波分量，这是三电平逆变方式所固有的。输出线电压波形见图6。因此在变频器的输出侧必须配置输出滤波器才能用于普通的笼型电动机。同样由于谐波的原因，电动机的功率因数和效率都会受到一定的影响，只有在额定工况点才能达到最佳的工作状态，随着转速的降低，功率因数和效率都会相应降低。

（3）两种类型变频器的性能比较

现对多重化变频器（CSML）和三电平(中性点钳位)变频器（NPC）进行性能比较，两种高压变频器各有优缺点，分别体现在以下各方面：

① 器件数量

以6KV输出电压等级的变频器为例，采用NPC方式，逆变器部分需36个耐压为3300V的高压IGBT，或者采用24个耐压为5000V的IGCT。采用CSML方式，需要15个功率单元，共计60个耐压为1700V的低压IGBT。从器件的数量上看，CSML方式要多于NPC方式，但CSML方式采用的是低压IGBT，相对于高压功率器件而言，低压器件的技术更加成熟、可靠，成本也较低。

② 均压问题：

均压问题（包括静态均压和动态均压）是影响高压变频器可靠性的重要因素，采用NPC方式，当输出电压等级较高（如6KV）时，单用12个器件不能满足耐压要求，必须采用器件直接串联，器件直接串联必然带来均压问题，失去三电平结构在均压方面的优势，大大影响系统的可靠性。采用CSML方式，不存在均压问题，唯一存在的问题是当变频器处于快速制动时，电动机处于发电制动状态，机械能转化为动能，导致单元内直流母线电压上升，各单元的直流母线电压上升程度可能存在差异，但这个问题很容易解决，通过检测功率单元直流母线电压，当任何单元的直流母线电压超过某一阈值时，自动延长减速时间，以防止直流母线电压“泵升”，即所谓的过电压失速防止功能，这种技术在低压变频器中被广泛采用，非常成功。

③ 对电网的谐波污染和功率因数

由于CSML方式输入整流电路的脉冲数超过NPC方式，前者在输入谐波方面的优势是明显的，因此在综合功率因数方面也有一定的优势。

④ 输入波形

NPC方式输出相电压是三电平，线电压是五电平。而6KV等级的CSML方式输出相电压为11电平，线电压为21电平。而且，后者的等效开关频率（6KHZ）大大高于前者，所以后者在输出波形质量方面优势也是明显的。

⑤ dv/dt

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NPC方式的输出电压跳变台阶为一半的高压直流母线电压，对于6KV输出变频器而言，为4000V左右，CSML方式输出电压跳变台阶为单元的直流母线电压，不会超过1000V，所以二者在输出dv/dt方面的差距也是明显的。

⑥ 系统效率

就变压器与逆变电路而言，NPC方式和CSML方式的效率非常接近，但考虑到输出波形的质量的差异，若采用普通电机，前者必须设置输出滤波器，后者不必。而滤波器的存在大约会影响效率0.5%左右。若采用特殊变频电机，两种变频器的效率基本接近，但由于输出波形方面的优势，采用CSML方式时，电机运行效率相对较高。但由于IGBT导通压降大，效率较低，而IGCT则损耗较小，因而器件效率较高。

⑦ 四象限运行

NPC方式当输入采用对称的PWM整流电路时，可以实现四象限运行，可用于轧机、卷扬机等设备；而CSML方式则无法实现四象限运行，只能用于风机、水泵类负载。

⑧ 冗余设计

NPC方式的冗余设计很难实现。而CSML方式可以方便地采用功率单元旁路技术和冗余功率单元设计方案，大大地有利于提高系统的可靠性。

⑨ 可维护性

除了可靠性以外，可维护性也是衡量高压变频器优劣的一个重要因素，CSML方式采用模块化设计，更换功率单元时只要拆除3个交流输入端子和两个交流输出端子，以及一个光纤插头，就可抽出整个单元，十分方便。而NPC方式就不那么方便了。

综上所述，三电平电压源型变频器结构简单，且可做成四象限运行的变频器，应用范围较宽。如电压等级较高时，采用器件直接串联，带来均压问题，且存在输出谐波和dv/dt等问题，一般要设置输出滤波器。在电网对谐波失真要求较高时，还要设置输入滤波器。多重化PWM电压源型变频器不存在均压问题，且在输入谐波输出谐波及dv/dt等方面有明显的优势，但只能二象限运行。

从负载类型而言，对于风机、水泵等一般不要求四象限运行的设备，CSML变频器有较大的应用前景；对轧机、卷扬机等要求四象限运行的设备而言，适合采用NPC型变频器。从电压等级来看，在目前的电力电子功率器件的耐压水平下，考虑到器件串联带来的均压问题，6KV以上电压等级（含6KV），宜优先考虑CSML方式。

（4）变频调速系统的主要优缺点： 主要优点是：

① 可实现平滑的无级调速，且调速精度高，转速（频率）分辩率高。

② 调速效率高。变频调速的特点是在频率变化后，电动机仍在该频率的同步转速

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附近运行，基本上保持额定转差率，转差损失不增加。变频调速时的损失，只是在变频装置中产生的变流损失，以及由于高次谐波的影响，使电动机的损耗有所增加，相应效率有所下降。所以变频调速是一种高效调速方式。

③ 调速范围宽，一般可达10∶1（50～5Hz）或20∶1（50～2.5Hz）。并在整个调速范围内均具有较高的调速装置效率ηV。所以变频调速方式适用于调速范围宽，且经常处于低转速状态下运行的负载。

④ 功率因数高，可以降低变压器和输电线路的容量，减少线损，节省投资。 或在同样的电源容量下，可以多装风机或水泵负载。

⑤ 当变频装置故障时可以退出运行，改由电网直接供电（工频旁路）。这对于泵或风机的安全经济运行是很有利的。如万一变频装置发生故障，就退出运行，不影响泵与风机的继续运行；又如在接近额定频率（50Hz）范围工作时，由变频装置调速的经济性并不高，变频装置可退出运行，由电网直接供电，改用节流等常规的调节方式。 ⑥ 变频装置可以兼作软起动设备，通过变频器可将电动机从零速起动连续平滑加速直致全速运行。变频软起动是目前最好的软起动方式，变频器是目前最好的软起动设备。

主要缺点是：

① 目前，变频调速技术在高压大容量传动中推广应用的主要问题有两个：一个是我国发电厂辅机电动机供电电压高（3～10KV），而功率开关器件耐压水平不够，造成电压匹配上的问题；二是高压大功率变频调速装置技术含量高、难度大，因而投入也高，而一般风机水泵节能改造都要求低投入，高回报，从而造成经济效益上的问题。这两个问题是它应用于风机水泵调速节能的主要障碍。

② 因电流型变频器输出电流的波形和电压型变频器输出电压的波形均为非正弦波形而产生的高次谐波，对电动机和供电电源会产生种种不良影响。如使电动机附加损耗增加、温升增高，从而使电动机的效率和功率因数下降，出力受到限制，噪声增大以及对无线电通信干扰增大等。同时，高次谐波会引起电动机转矩产生脉动，其脉动频率为6kf(k=1，2，3?)。当转矩脉动频率较低并接近装置系统的固有频率时，可能产生共振现象。因此，装置系统必须注意避免在共振点附近运行。如采用PWM变频器或采用多重化技术的电流型和电压型变频器，其输出波形大为改善，高次谐波大大减少，所以这个问题可以得到大大的改善。

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3. 绕线式电动机的串级调速

绕线式电动机的串级调速，虽然也是通过改变异步电动机的转差率来达到调速目的的，但它与能耗转差调速不同，关键的差别体现在对转差功率的处理上。能耗转差调速是将调速中产生的转差功率变成热能消耗掉了，而串级调速却是通过电子变流装置和逆变变压器，将转差功率又反馈回电网，因此是一种高效的调速方式。 （1）普通串级调速

从《电机学》得知，为了实现绕线式异步电动机的转速调节；除可通过在转子回路中串电阻的方式外，还可采用在转子回路串电势的方法。这种在转子回路引入附加电势进行调速的方法，称为绕线式异步电动机的串级调速。

串级调速的关键是串入到转子回路的电势Ef的频率必须与转子电势频率f2相等，但f2是随着转速的变化而变化的，即f2是由旋转磁场转速n0和转子转速n决定的，即 f2?(n0?n)p(n0?n)pn0n0?n???f1?Sf1 6060n0n0

式中：p——磁极对数；S——转差率。

但要串入一个永远跟随着转速的变化而变化的电势Ef是相当困难的。解决的办法是先把转子电势整流成直流电势Ed，再在此直流回路中串入一与Ef相当的可调节的直流电势，就可避免随时改变Ef频率的困难了。具体的实现串级调速有下述三种方式：第一种是由一台直流电动机与主绕线式异步电动机组成的串级调速系统，这种系统叫机械串级调速系统或叫克莱墨系统。第二种是由一台直流电动机、一台交流发电机与主绕线式异步电动机组成的串级调速系统，这种系统叫电机式串级调速系统或谢菲尔毕斯系统。第三种是由变频器与绕线式异步电动机组成的串级调速系统，这种系统叫晶闸管（可控硅）串级调速系统或静止谢菲尔毕斯系统。上述第一种及第二种串级调速方式过去早有应用；第三种晶闸管串级调速是一种新的串级调节方式，它在目前应用最广泛，已有取代第一、二种串级调速的趋势。

与转子串电阻方式相比较，转子串电势的串级调速的优越性是可以回收转差损失，仅是在晶闸管等换流元件换流时产生一些不大的换流损失，所以绕线式异步电动机的串级调速是一种高效调速方式。

晶闸管串级调速系统又可分为低（次）同步串级调速系统和超同步串级调速系统两种。当串接到绕线式异步电动机转子上的附加电势Ef与转子电势SE20反向时，电动机的转速只能朝电动机额定转速以下的方向调节，运行转速恒低于电动机的同步转速，称为低（次）同步串级调速。当Ef与SE20既可同向串接，又可反向串接时，电动机的

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运行转速既可高于又可低于电动机的同步转速，称为超同步串级调速，或称为双馈调速。

图7所示为低同步串级调速系统的原理图，其工作原理为：绕线式异步电动机的转差电势E2（SE20）经三相整流桥ZL后整流为直流电势Ed，再经电抗器L滤波后，加到三相逆变桥NB上。由晶闸管组成的三相有源逆变器NB的作用有两个：一是为转子回路由电网提供附加直流电势Eβ，它与外串附加交流电势Ef相当，因是低同步串级调速，所以他的方向与转子直流电势Ed相反。NB的第二个作用是把直流电再逆变为与电网同频率的三相交流电，从而把转差功率PS通过逆变变压器B匹配成电网电压，送回电网。

图7 低同步晶闸管串级调速系统 图8 交－直－交超同步串级调速系统原理图

图8为超同步晶闸管串级调速系统的原理图。它与低同步串级调速系统的主要区别是把由二极管组成的不可控的整流器改为由晶闸管组成的可控的整流器，这样它既可作整流器用，又可以作为逆变器使用。当超同步串级调速系统在低同步范围调速时，可控的整流器作用与不可控的整流器完全相同。但当超同步串级调速系统在超同步范围内调速时，原来的逆变器成为整流器，它通过变压器从电网吸收交流能量，并将其整流为直流电。而原可控的整流器则成为逆变器，它把直流电变为频率与转子频率相同的交流电，由变频器向转子绕组供电。这样，超同步串级调速系统的工作方式已是一种绕线式异步电动机的变频调速方式了，其定子绕组由工频电源供电；而转子绕组则由变频电源供电，通过调节转子变频电源的频率就可以进行转速调节。由上述可以看出，绕线式异步电动机的这种变频调速方式与鼠笼式异步电动机的变频调速方式并不相同，后者仅由定子侧供电，而前者是由定子侧和转子侧双方馈电的。因此，超同步串级调速系统又称为双馈感应电动机或简称双馈电动机。

低同步晶闸管串级调速系统常称为晶闸管串级调速系统；超同步晶闸管串级调速系统常称为双馈调速系统。

（低同步）晶闸管串级调速系统中的逆变器称为有源逆变器，它的作用是把直流电逆变成与电网同频率的交流电馈送到电网中去。这就是说，有源逆变器的交流侧与

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