周琦越
罗克韦尔自动化控制集成（哈尔滨）有限公司
黑龙江省哈尔滨市 150081
摘要：中压变频器没有形成类似低压变频器那样统一的拓扑结构，国外制造商提供的中压变频器均有其各自的技术特点和适用范围。根据国内交流兆瓦级变频驱动系统在工程中的应用情况，结合制造商提供的先进技术方案，对变频器的结构和技术参数进行比较分析，以图示说明重要概念和技术指标，对不同形式的中压变频器适用情况进行总结，有利于这一先进节能技术的推广和运用。
关键词：中压变频器；多电平；输入功率因数；输出谐波；脉宽调制；
前言
降低火电厂送风机、引风机，给水泵、灰浆泵等主要辅机设备的电耗是降低厂用电率，达到节能的重要措施之一。随着电力系统商业化运营的进展，提高自动化水平，降低火电厂发电成术，已成为迫切需要解决的问题。
一、交流变频技术概述
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，并在电气传动调速领域挑战直流调速系统，因此在电气传动领域得以广泛的应用。随着新的电力电子器件的不断创新，新的技术层出不穷使得其得以广泛的推广应用。中压大功率调速领域采用交流变频调速系统已是中压电气传动调速领域的发展趋势。这就因为中压大功率(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，人们提出了多种形式和多种拓扑结构，比较实用并以产品化的中压变频器，按其主接线可分为中一低一中方式及中一中方式。中压变频技术的迅速发展是建立在电力电子技术的刨新和电力电子器件及材料的开发及制造工艺水平提高基础之上的，尤其是在高压大容量GTO、IGBT、IGCT器件的开发成功，促进了中压大功率变频技术得以迅速发展，以使得中压变频技术日益完善。
二、中压变频调速原理及其工程实现
1.中压变频调速原理及其特点
中压变频器与低压变频调速原理是相同的，根据公式n=60f(1-s)/p.式中f为电源频率;s为电动机转差率;p为电动机极对数，当p和s确定后,电动机转速与电源频率成正比，所以改变电源频率即可改变转速n，从而实现变频调速。中压变频调速的特点在于对变频器件采取了特殊处理措施:中压通常指1~10?kV间的交流电压。故常见的3kV，6kV和10kV电机为中压电动机。为对中压电气设备达到中压变频的目的，通常采用3种方法:直接使用高压器件，这种方法线路结构简单，但高压器件生产工艺较复杂，成本也较高；采用低压器件进行叠加，组成等效高压器件，这种方法在工艺上较易实现，但其缺点是驱动困难，不易保证每个器件同步导通和截止，故叠加器件个数不宜过多；采用波形迭加法，利用低压波形分段合成高压波形，这种方法优点是波形好,谐波分量极小,无需特殊处理就可得到优良的低谐波指标，且对器件耐压无特殊要求，缺点是使变压器结构变得复杂。
（1）交一交变频技术
交一交变频技术是早期中压变频的主要形式，因它的工作原理决定了它只能工作在低频率，仅适应于低转速大容量的场合。因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(SCR)就能很好满足要求，所以此种中压变频技术比较成熟，在国内开发研制也最多．目前交一交变频器在国内仍有一定的市场。
三相桥式直接变频电路的每一相相当于两套反并联的可逆整流线路，由于反并联可逆整流器是线性功率放大器，所以在低频时，只要控制好正弦规律变化，就可以得到近似正弦的输出波形，由于直接变频电路实质上就是可逆整流线路，因此在直流可逆拖动中采用的有环流、无环充等技术都可以采用。直接变频由于利用电网电压来换流，因此不能在任意时间进行，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。直接变频在其主接线中需要大量的晶闸管，故其结构复杂维护工作量较大，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。因交一交变额的谐波成分大、功率因数低及调速范围不宽等原因，在其发展中面临着新技术的挑战，在中压大功率交流中压变频领域有被淘汰的趋势。
（2）交一直一交方式
在中压变频领域交一直一交方式有多种拓扑结构，如中一低一中，其实质上还是低压变频，只不过是从电网和电动机两侧是高压，因其存在着中间低压环节，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，但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，中一低一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，从其结构上有着广阔的发展前景，直接中压方式随着电力电子技术的发展和器件的开发研制。
随着电气传动技术尤其是变频调速技术的发展。大容量传动系统的中压(国内主要是指3kV、6kV、10kV电压等级)变频调速技术也得到广泛应用。目前，大容量传动系统的中压变频按高压组成方式可分为直接高压型和高-低-高型；按有无中间直流环节可分为交-交变频器和交-直-交变频器。在交-直-交变频器中,按中间直流环节的不问,可分为电压源型和电流源型。目前，广泛被接受并得到迅速发展的是直接高压交-直-交型变频器，其中又以单元串联多电平PWM电压源型变频器最为典型.单元串联多电平PWM电压源型变频器采用若干个低压PWM变频功率单元串联的方式实现直接高压输出。
电网电压经二次侧多重化的隔离变压器降压后给功率单元供电，功率单元为三相输入，将相邻功率单元单相输出的交-直-交PWM电压源型逆变器串接起来,形成Y连结结构.即可实现变压器变频的高压直接输出,供给电动机，以达到降低输入谐波电流的目的。输入变压器采用副边为15绕组输出的多取化设计。由于采用二极管整流的电压源型结构。电动机所需要的无功功率可由滤波电容提供.所以输入功率因数较高，基本上可保持在0.95以上.不必另外增设功率用数补偿装置.逆变器输出采用多电平移相式PWM技术.输出电压非常接近正弦波，每个电平台阶只有单元直流母线电压大小,电压变化率dv/dt很小，使电动机绝缘不会受到影响，由于采用多电平移相式PWM,等效输出开关频率很高。且输出电平数增加，大大改善了输出波形，降低了输出谐波和由谐波引起的电动机发热、噪声和转矩脉动.所以这种变频器对电动机没有额外要求.可用于各种类型的普通3kV、6kV、10kV电动机,也可用于系统改造中的旧电动机，且不必降容使用，功率单元来用目前低压变频器中广泛使用的低压IGHT功率模块,技术成熟,性能可靠。
结束语
中压变频器越来越趋向于高可靠性、低成本、高输入功率因数、高效率、低输入输出谐波、低共模电压、低dv／dt的目标；中压变频调速技术已多家电厂各种机组的引风机、给水泵、灰浆泵等辅机设备改造中得到广泛应用，并取得了良好的运行效果和极为显著的经济效益。这表明，将中压变频调速控制技术应用到火电主要辅机设备的设计和改造中不仅对节能降耗，提高自动控制水平具有重要学术意义，而且具有很好的实用价值和广阔的推广应用前景。
参考文献：
[1]韩安荣．通用变频器及其运用[M]．北京：机械工业出版社，2000，366-348．
[2]李志民，张遇杰．同步电动机调速系统[M]．北京：机械工业出版社，1996，98—137．