关键词：IGBT、串联技术、高压变频器、冲渣泵、应用

电动机是工业生产中主要的耗电设备，高压大功率电动机要耗费更多电力，需要大力发展高压大功率变频调速技术，提高它们的节能潜力。近年来，器件串联或单元串联技术为企业高效、合理地利用电能提供了技术条件。

以单元串联多重化电压源型高压变频器为例，变频器本身由变压器柜、功率柜、控制柜三部分组成。三相高压电经高压开关柜进入，经输入降压、移相给功率单元柜内的功率单元供电。功率单元分为三组，一组为一相，每相的功率单元的输出首尾相串。主控制柜中的控制单元通过光纤时对功率柜中的每一功率单元进行整流、逆变控制与检测。根据实际需要，通过操作界面进行频率的给定，控制单元把控制信息发送到功率单元进行相应得整流、逆变调整，输出满足负荷需求的电压等级。

　　1.几种常用高压变频器主电路

　　1.1单元串联多重化电压源型高压变频器

　　所谓多重化，就是每相由几个低压功率单元串联组成，各功率单元由一个多绕组的移相隔离变压器供电，用高速微处理器实现控制和以光导纤维隔离驱动。它可以弥补功率器件IGBT耐压能力不足的问题，但存在以下缺点。

　　（1） 使用的功率单元及功率器件数量多，6kV系统要使用150只功率器件(90只二极管，60只IGBT)，装置的体积太大，重量大，安装位置和基建投资成问题。

　　（2）需要的高压电缆多，系统内阻增大，接线多，故障点相应增多。

　　（3）一个单元损坏时，单元可旁路，但此时输出中心点电压平衡度不受控制，会造成电压、电流不平衡，谐波增大，导致电动机损坏。

　　（4）输出电压波形在额定负载时尚好，低于25Hz以下时全畸变。

　　（5）移相变压器6kV 三相6绕组×3(10 kV时需12绕组×3)为延边三角形接法，在三相电压不平衡(实际上三相电压是不可能绝对平衡的)时，会产生的内部环流，将引起内阻增加和电流损耗，变压器铜损增大。加上变压器固有的铁心损耗，变压器效率会降低，影响整个高压变频器效率。这种情况，越低于额定负荷运行越显著。

　　1.2 中性点钳位三电平PWM变频器

　　该系列变频器采用传统的电压型变频器结构。中性点钳位三电平PWM变频器的逆变部 分采用传统三电平方式，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。因此，在变频器输出侧必须配置输出LC滤波器，才能用于普通的笼型电动机。由于谐波的原因，电动机的功率因数和效率，甚至寿命都会受到影响，只有在额定工况点才能达到最佳的工作状态，但随着转速的下降，功率因数和效率都会降低。

1.3多电平+多重化高压变频器

多电平+多重化高压变频器不仅增加了系统的复杂性，而且降低了多重化冗余性能好和三电平结构简单的优点。此类变频器实际上并不可取。

　　此类型变频器的性能价格优势不大，与其同时采用多电平和多重化两种技术，还不如采用高压IGBT的多重化变频器或三电平变频器。

　　1.4电流源型高压变频器

　　功率器件直接串联的电流源型高压变频器是在线路中串联大电感，再将SCR(或GTO、 SGCT等)开关速度较慢的功率器件直接串联进去。

　　这种方式虽然使用功率器件少、易于控制电流，但没有真正解决高压功率器件的串联问题。因为即使功率器件出现故障，由于大电感的限流作用，di/dt受到限制，对电网产生污染，功率因数低。电流源型高压变频器对电网电压及电动机负载的变化敏感，无法做成通用型产品。

2.IGBT直接串联逆变的高压变频器主电路

2.1 主电路

IGBT直接串联逆变的高压变频主电路如图1所示。

图1.IGBT直接串联逆变的高压变频主电路

　　图1中，电网高压直接经高压断路器进入变频器，经过高压二极管全桥整流、直流平波电抗器和电容滤波，再通过逆变器逆变，正弦波滤波器滤波，实现高压变频输出，直接供电给高压电动机。

　　功率器件IGBT直接串联逆变的二电平电压型高压变频器采用变频器已有的成熟技术，应用独特而简单的控制技术成功设计出的一种无输入输出变压器、IGBT直接串联逆变、输出效率达98%的高压调速系统。

　　对需要快速制动的场合，可采用直流放电制动装置，具有直流放电制动装置的变频器主电路如图2所示。

图2.具有直流放电制动装置的变频器主电路

在需要四象限运行、能量回馈，或输入电源侧短路容量较小时，也可采用如图3所示的PWM整流电路，使输入电流正弦波更完美。

图3.PWM整流电路

　　 IGBT直接串联逆变的高压变频器25Hz、30Hz、40Hz、50Hz电压、电流输出波形及谐波图如图4所示。

                                                                          图4  电压、电流输出波形及谐波图　　

2.3 关键新技术介绍

功率器件是采用变频器已有的成熟技术，应用独特而简单的控制技术成功设计出的一种无输入输出变压器、IGBT直接串联逆变、输出效率达98％ 的高压调速系统。

　　考虑到工艺对调速精度要求不是很高，本系统只采用开环控制并在高炉值班室通过开关量信号操作．此信号接人变频器数字控制信号输入端，需冲渣时给调节系统一个“l”的信号，电机高速运行，不需冲渣时将此信号取消，电机低速运行．输出频率的控制与调节由变频器本身自备的调节面板根据现场实际需要任意整定。

　　3．2 变频器的主要特点

　　（1）使用了IGBT串联直接高压二电平方式，利用公司自行研制的1／3象限压拉动态均压、钳压技术攻克了当今世界IGBT串联使用时开关微秒级同步的难题。

　　（2）正因为采用了高性能的HV—IGBT模块，整个设备的体积非常小，跟国内外其它同规格的变频器比较其体积减少2／3～1／2。

　　（3）因设置了直流平波电抗器、功率因素提升电抗器、输出滤波器，优化了PWM 波形，具有谐波含量和直流波纹系数较低，功率因素较高，输出电压波形近似正弦波等优点。

　　（4）根据共模电压产生的机理，采取了“堵和疏”的办法将共模电压消灭在变频器内部．有效地解决了共模电压（也叫零序电压）问题，降低了电动机定子绕组的中心点和地之问的电压，从而不需任何绝缘措施可直接使用原有的普通鼠笼式电机。

　　（5）投资少，其费用比同规格的进口设备降低1／3以上。

2.3.1高速功率器件的串联技术

根据查新，世界各国均未生产出IGBT直接串联的高压变频器。原因正如一些权威人士所言:“IGBT是不能串联的。因为开关时间短，微秒级，很难保证所有管子串联同时开关。否则有的早开，所有的电压都来加在晚开的管子上，那么这个1200V的管子加上6000V，只能烧掉，一烧一串，不可能串联。

　　系统改造以前，世界各国均未生产出IGBT直接串联逆变的高压变频器。原因是一些权威人士认为：IGBT是不能串联的。因为开关时间短，微秒级，很难保证所有管子串联同时开关。否则，有的早开，所有的电压都来加在晚开的管子上，那么，这个1 200 V的管子加上6 000 V电压，只能被烧掉，一烧一串，不可能串联。

2.3.2 正弦波技术

　　高压电动机对变频器的输出电压波形有严格的要求。解决变频器输出电压波形可从两方面着手:一是优化 PWM波形，二是研制出特种滤波器。

　　过去一些人认为:三电平的电压波形一定优于二电平，今后就是低压变 频器也应采用三电平。这种说法可能不太全面。三电平的总谐波含量可能低于二电平，但由于三电平的11次、13次谐波含量特别高，处理起来特别困难，而二电平只要波形优化得好，60次以下的谐波皆可大大降低。人们使用三电平是为避免器件串联的困难，不得已而为之。

　　2.3.3 抗共模电压技术

共模电压(也叫零序电压)，指电动机定子绕组的中心点和地之间的电压。

仅解决IGBT的串联，并不能甩掉输入变压器。原因在于共模电压的存在。在低压变频器领域，近年来发现的电机轴承损坏，共模电压就是影响之一，在高压变频器的领域中，共模电压更是必须解决的关键问题之一。共模电压(也叫零序电压)，是指电动机定子绕组的中心点和地之间的电压。

无论是电流源还是电压源变频器都产生共模电压，共模电压会产生干扰。技术人员根据共模电压产生的机理，采取了“堵和疏”的办法将共模电压消灭在变频器内部。  

抗共模电压技术：仅解决IGBT的串联，并不能去掉输入变压器，原因在于共模电压的存在。在低压变频器领域，近年来发现的电动机轴承损坏，共模电压就是影响之一。在高压变频器的领域中，共模电压更是必须解决的关键问题之一。共模电压（也叫做零序电压）是指电动机定子绕组的中心点和地之间的电压。共模电压也是对外产生干扰的原因，特别是长线传输设备。无论是电流源，变温器还是电压源变频器产生共模电压是必然的。一些公司根据共模电压产生的机理，采取了“堵和疏”的办法将共模电压消灭在变频器内部。

以现在变频器中大量使用的IGBT为例，当开关频率为2~20kHz时，di/dt可高 达2kA/ys，如果杂散电感为30nH就能产生60V的干扰电压，当变频器产生的高频共模电压作用在电动机上，由于电动机内部存在高频寄生电容耦合作用，在电动机转轴上会耦合出轴电压，并对此轴承电容进行充电，导致电容电压升高。当电容电压远大于绝缘阀值时，将产生电容放电性电流（轴承电流），最终在轴承上产生凹槽，增大了机械磨损，降低其机械寿命。另一方面，共模电压激励了系统中的杂散电容和寄生耦合电容，产生很大的共模漏电流，通过定子绕组和接地机壳间的静电耦合流入地形成漏电流，这个电流将通过接地导体流回电网中从而产生足够大的共模电磁干扰。为了解决PWM变频系统中存在的共模电压和过电压问题,以二极管钳位型(NPC)三电平变频器为例,首先阐述了变频器共模电压和过电压的产生机理。在此基础上,提出一种新型共模电压和过电压抑制策略,即通过对变频器调制策略的优化抑制共模电压,并在优化后的变频器输出端加入滤波器来抑制过电压,从而达到同时抑制一个变频系统中共模电压和过电压的目的。

 随着PWM载波频率的不断升高，由于高频特性和电压的快速上升，其产生的共模电压对电机驱动系统产生的危害会更加大，如何消除这些影响是当前学术界和工业界的研究热点。因此，了解并研宄变频传动系统电机侧共模电压的测量方法，对消除其对系统的负 面影响有着重要的意义。

　　由于采用了上述三项核心关键技术，使IGBT直接高压变频器的效率达到98%以上。输出电压正弦化、共模电压最小化。适用于任何异步电动机、同步电动机，无需降容使用，几km的长线传输也无问题。对于传输距离 太长时应考虑线路电压补偿。如提高电压或增大导线截面等。

2.3 系统特点

　　所有的功率模块均为智能化设计具有强大的自诊断指导能力，一旦有故障发生时，功率模块将故障信息迅速返回到主控单元中，主控单元及时将主要功率元件IGBT关断，保护主电路；同时在中文人机界面上精确定位显示故障位置、类别。在设计时已将一定功率范围内的单元模块进行了标准化考虑，以此保证了单元模块在结构、功能上的一致性。当模块出现故障时，在得到报警器报警通知后，可在几分钟内更换同等功能的备用模块，减少停机时间。

　　6kV电网电压经过副边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，单相输出的交直流PWM电压源型逆变器结构，相邻功率单元的输出端串联起来，形成Y接结构，实现变压变频的高压直接输出，供给高压电动机。6kV电压等级的高压，每相由六个额定电压为600V的功率单元串联而成，输出相电压最高可达3464V，线电压达6000V左右。改变每相功率单元的串联个数或功率单元的输出电压等级，就可以实现不同电压等级的高压输出。每个功率单元分别由输入变压器的一组副边供电，功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘。二次绕组采用延边三角形接法，实现多重化，以达到降低输入谐波电流的目的。6kV电压等级的变频器，给18个功率单元供电的18个二次绕组每三个一组，分为6个不同的相位组，互差10度电角度，形成36脉冲的整流电路结构，输入电流波形接近正弦波，这种等值裂相供电方式使总的谐波电流失真大为减少，变频器输入的功率因数可达到0．95以上。

　　（1）电压等级为3kV-10kV；

　　（2）系统自带专门设计的高压开关柜，与本身高压变频器高效安全配套，并含变/工频切换装 置和电子式真空断路器;

　　（3）全中文操作界面，基于 Windows操作平台，彩色液晶触摸屏，便于就地监控、设定参数、选择功能和调试;

　　（3）内置PLC可编程控制器，易于改变和扩展控制逻辑关系;

　　（4）高压主电路与低压控制电路采 用光纤传输，安全隔离，使得系统抗干扰能力强;

　　（5）控制电路通讯方式采用全数字化通讯;

　　（6）系统的 整流单元、逆变单元设计，选用组合模块化积木结构，整机占地面积小、重量轻，便于安装、维护;

　　（7）装置可在本机上操作，也可实 现远距离外控，具备完善、方便的操作功能选择;

　　（8）系统具有标准的计算机通讯接口RS232或 RS422、RS485，可方便 的与用户DCS系统或工控系统组态建立整个系统的工作站，进一步提高系统的自动化控制程度，实现整个工控系统的全闭环监控，从而获得更加完善的、可靠自动化运行;

　　（10）具备全面的故障监测、可靠的故障报警保护功能;

　　（11）输入功率因数高，输出电压谐波 含量小，无需功率因数补偿和谐波抑制器;

　　（12）输出电压为标准正弦波形，对电缆和电动机的绝缘无损害，减轻电动机的轴承和叶片 等机械部分震动和磨损，延长电动机的使用寿命，输出至电动机的线缆长度可达20km;

　　（13）采用独特的抗共模电压技术，使系统*模电压 ≤1000V，无需再提高电动机的绝缘等级，无需专用电动机;

　　（14）易于实现能量回馈和四象限运行;并可直接引出直流 进行直流输电;

　　（15）对用户的高压异步电动机无任何特殊要求。不但适用于新旧异步电动机，也适用于同步电动机。

3  IGBT 高压变频器在冲渣泵上的应用

　　3.1 现场情况

　　永峰钢厂是重钢集团公司的一个主要生产厂，负责公司所需铁水和铁块冶炼。高炉冶炼铁水过程中产生大量的熔渣，通常是用大流量的中压水将其降温并 冲散，同时输送到水渣池回收，作为炼铁生产的副产品。高炉生产是不间断的，一般情况下每天出铁15次，在高炉出铁前、后各放一次渣，两次出渣时间约 30min，在此时间内要求水冲渣系统的水泵满负荷工作，其余时间水泵只需保持约30%水流量防止管道堵塞即可。4#-高炉使用ZGB-300型冲渣泵，原系统运行时，起动前管道进出水阀门关闭，起动后阀门开度约90%，机组全速运行，电网电压6300V，电动机运行电流33A，功率因数81.6%，耗电功率294kW。不需冲渣水时通过调节阀门在30%来调节水流量(此时电动机电流25A)，耗电功率214kW，一方面导致大量的节能损失，另一方面频繁操作阀门，致使其使用寿命大大降低，增加了停产更换阀门的时间，为此公司决定对4#高炉冲渣泵进行改造。

　　3.2 改造方案

　　由电动机转速公式n=60f×(1-s)/p可知:只要改变电动机的频率f，就可以实现电动机的转速调节，高电压大功率变频器通过控制IGBT(绝缘栅双极型电力场效应管)的导通和关断，使输出频率连续可调。而且是随着频率的变化，输出电流、电压、功率都将发生变化，即负荷大时转速大， 输出功率大，负荷小时转速小，输出功率也小。

　　由流体力学：：Q′=Q(n′/n) 、H′=H(n′/n)2 、P′=P(n′/n)3 可知: 当泵机低于额定转速时节电为：E=〔1-(n′/n)3〕×P×T(kWh)

　　可见，通过变频改造，冲渣泵流量Q、压力H及轴功率P都将发生较大的改 变，不但节能而且大大提高了设备运行性能。根据冲渣泵的实际特性对其进行了具体改造，冲渣泵在冲渣时工作在49.5Hz，在不冲渣时工作在25Hz，考虑 到工艺对调速精度要求不是很高，本系统只采用开环控制并在高炉值班室操作，需冲渣时给调节系统一个“1”的信号，电动机高速运行，不需冲渣时将此信号取消，电动机低速运行，取得了很好的节能效果。

　　3.3 改造效果

　　根据18个月的运行，经过反复多种测试各运行参数一直正常，变频器质量性能良好，安全可靠，各项指标均达到了设计要求.

　　(1)谐波抑制效果良好。电压谐波含量小于3%，符合 IEEE519-1992和GB/T14549-93标准。

　　(2)各种保护功能完善。过流、过压、欠压、故障保 护等功能可靠，并且考虑了外部电网的防雷击等多环节保护功能。

　　(3)各种指示功能完备。具有输入、输出电流和电压、运行频率、故障显示、运行状态指示等功能。

　　(4)操作简便。同普通的低压变频器的功能操作方式相似，功能设置和调整简单方便。

　　　机组49.5Hz运行和无变频器运行相比可节省功率ΔP1=P50-P49.5=80kW；

　　机组25Hz运行和无变频器运行相比可节省功率ΔP2=214kW-P25=132kW；

　　年节电量:ΔW= (H1ΔP1+H2ΔP2)=365(7.5×80+16.5×132)=1013970kWh；

　　(注:每年按365天 计H1:冲渣时间=15×30/60=7.5小时;H2:不冲渣时间=24-7.5=16.5小时)；

　　经济效益:ΔW电价=1013970×0.56=567823元(莱钢厂工业电价0.56元/kWh)；

　　实现电动机软起动功能，延长了电动机寿命，大大减少了冲渣泵故障发生率；

　　提高了自动化水平，节约了大量工业用水；

　　由上述可知，综合经济效益每年可达60多万元，一年即可全部收回成本。