大功率变频调速系统的电压等级如何选择？

    答：大中功率风机和泵类负载采用变频调速可节约大量电能，大中功率风机和泵类负载功率范围为200～2000kW。我国现有的交流电动机以200kW为一个界限，200kW以下电动机的额定电压为380V，200kW以上电动机的额定电压有3kV、6kV和10kV三个等级。供电部门从提高电网输送能力和减小线损的角度出发，希望提高电网的输送电压。目前，我国电网的3kV电压等级已取消，6kV电压等级正在淘汰中，大力推行10kV电压等级，部分地区的供电电压等级已提高至20kV。而电气拖动系统设计的原则是简化配置，对于200kW以上的电动机通常都直接采用10kV电压等级，而对于变频拖动系统的设计若选用10kV“直接”变频，从以下几个方面看都是不合理的。    (1) 10kV电动机从生产制造角度看并不困难，但随着电压等级的升高，必须提高电动机的绝缘等级，因此电动机重量和价格也增加。以YJS系列4极560kW电动机为例：380V重3.6吨，价格为11万；6kV重3.9吨，价格为15万；10kV重4.4吨，价格为20万。    (2)受电力电子器件电压及电动机允许的du/dt限制，10kV变频器必须多电平、多器件串联，从而造成结构复杂，价格昂贵，可靠性差。对于10kV变频器若使用1700V的IGBT器件，需10只串联，三相共120支器件（每相4个串联组）。若使用3300V的器件，也需5只串联，三相共60支器件，数量巨大。另一方面，由于电动机的运行电流小，IGBT器件的电流能力得不到充分利用。仍以560kW为例，10kV电动机电流仅为40A左右，而1700V的IGBT电流已达2400A，3300V器件电流达1600A，由此构成的变频器主电路极不合理。    以200kW电动机为中低压分界是考虑电动机直接启动，10kV/3 80V电力变压器容量为2000kVA，短路阻抗为6%左右，电动机直接启动（启动电流5～7倍额定电流）时380V母线压降限制在5%左右。若再加大变压器，短路电流太大，低压开关难以承受。而电力拖动系统采用变频器调速后，启动电流被限制在额定值以内，对变压器的380V母线电压冲击也应随之变化。    低压电动机的容量主要应由变频器的并联器件的耐压和容量而定，例如低压变频器采用1200V或1700V的IGBT器件，额定电流小于1800～2400A时，并联数不大于2。    800～1200kW以下的变频调速宜选用380V或660V电压等级，因为380V或660V电压等级的变频器的线路简单、技术成熟、可靠性高、du/dt小、价格便宜。仍以560kW电动机为例，630kW、660V的低压变频器约50万元，而同容量2300V的中压变频器约90万元。由于电动机、变压器的价格远低于变频器，因此即使更换电动机、变压器也是合理的。    中压变频采用的器件种类及电压等级很多，相应的线路方案也不同。基于目前市场上流行的产品，它们是基于1700V的IGBT的分离直流电源多重化（SDM、H桥串联）方案及基于3300V、4500V和6000V的IGBT或IGCT或IEGT三电平方案(THL)。    1000～1500kW以上的电动机调速可以采用中压变频，国外的中压变频器有多个电压等级：1.1kV、2.3kV、3kV、4.2kV、6kV，它们主要由电力电子器件的电压等级所确定。在三电平方案和分离直流电源多重化（SDM、H桥串联）方案中器件不串联情况下，器件电压与变频器电压间的关系如表3-4所示。    表3-4    在不串联情况下，器件电压与变频器电压间的关系
    目前，变频器开关器件的最高电压为6000V，在不串联情况下变频器最高电压4.2kV。6kV变频器必须串联从而导致变频器线路复杂、器件多、可靠性受影响。国外很少做6kV变频器，10kV基本不做。从原理上说，SDM通过H桥单元串联，变频器输出电压不受器件电压限制，可以做到较高的电压等级，但提高电压的代价是器件大量增加，可靠性降低。对于同样输出功率的变频器，使用较高电压较多单元串联所花的代价大于用较低电压、较少数量、电流较大单元的代价，即在器件电流允许条件下应选用尽可能低的电压等级。    目前，IGBT器件是制造各种变频调速装置的主要电力电子器件，其主要原因是因为IGBT器件具有很高的开关频率、在保证器件工作时不发生擎住效应的情况下，其du/dt、di/dt允许达到数千伏（安）／微秒数量级，而且具有驱动保护电路简单易用，并具有较高的工作电压和较大的工作电流等优点。但是，IGBT器件工作时的导通饱和压降达到3～4V，因此功率损耗较大、器件温升较高，这些缺点也是不容忽视的，因此也限制了IGBT器件的应用。此外，由于器件制造工艺的原因，目前IGBT器件的最高工作电压只能达到4kV左右，工作电流最大可达2000A。常见的IGBT器件的工作电压大约为2～3kV、电流为数百安培，因此IGBT器件的使用也受到一定的限制。    根据电力电子器件的发展，预计几年后变频设备上最有使用前途的电力电子开关器件为门极换相晶闸管IGCT、MOS控制晶闸管MCT，其中具有非常优异的参数性能的MOS控制晶闸管MCT最具发展潜力。IGCT器件兼具可控硅的优点及IGBT器件的优点，在10kHz以下高压大功率产品上具有非常好的应用前景，是研制设计高压大功率变频器企业应该密切关注的。MOS控制晶闸管MCT器件在形成工业化的产品后将会成为今后变频设备的主流开关器件，其原因是这种器件具有如下优点：    (1) MCT是电压控制型器件，而SCR是电流控制器件，因此这种器件的控制将会比其他器件简单。    (2)对于给定的正向压降，MCT具有最大的电流密度。一般情况下，其电流密度为，GTR的10倍、达林顿管的30倍、功率MOSFET的100倍、普通晶闸管的500倍。    (3)电压、电流容量大，在击穿电压3000V峰值电流1000A时，其最大关断电流密度为6000A/cm²。    (4)通态压降小，其饱和压降仅为IGBT的1/3，约为1.1V。    (5)具有极高的di/dt (20000A/Us)及du/dt (20000V/μs)。    (6)开关速度快，开关损耗小，开通时间为200ns，可在2μs时间内关断1000V的电压。    (7)允许的工作温度高，可达200℃以上。    (8)对于恒定的电容值，MCT无米勒效应，因此可极大地简化门极驱动设计，增加门极驱动的可靠性。    (9)即使关断失效，MCT也不会损坏。    许多应用场合都要求旁路功能，即在变频器故障时将电动机旁路，直接接入电网恒速运行。对于不同的变频器旁路方法也不同，如果电动机电压和电网电压一致，旁路不成问题。为了降低变频器造价，电动机电压低于电网电压后，如何旁路是所要解决的问题。  如果采用低压变频，变频器输入交流电压与额定输出电压一样，电动机可以绕过变频器直接接低压380V或660V电源。如果采用THL中压变频，可以把输入变压器的两副边串联起来向电动机供电。输入变压器的两组副边线电压各等于1.5 Um/²（Um为电动机额定输入电压），并互差300°，把它们串起来后电压为1.5 Um×cos150°=1.01Um，正好供电动机恒速工作。    如果采用SDM变频器，输入变频器副边太多，无法通过改变接线来旁路变频器，只能旁路出故障的单元，经触点将故障单元输出短路。单元中的IGBT被封锁，在此类变频器设计时已考虑了旁路单元的情况。如果一定要旁路变频器，只能另加一台备用降压变压器，这对于在一个电网上接有多套变频器时是合理的。    设计旁路电路时需校验电动机直接启动时的启动转矩。例如，变压器短路阻抗为6%，容，量为1.1倍变频器容量，电动机启动电流为7倍，则电动机启动电压为0.72 Vm，启动转矩为0.52倍额定启动转矩，且应大于负载转矩。若启动转矩不够，只能加大变压器容量或选用小短路阻抗的变压器。