中压变频器选型分析

　　摘要：LNG接收站中有大量的6KV供电设备，采用中压变频器对6KV用电设备进行调速节能改造是趋势，本文就高压变频器选用进行了分析，为将来LNG接收站的变频器选用做了指导。
　　关键词：中压变频器、节能、调速、LNG接收站、电压型、电流型
　　引言：LNG接收站中有大量的6KV供电的泵类设备，功率从200KW—1600KW。泵的耗电量中还有很大的节能潜力，其潜力挖掘的焦点是提高运行效率。可以预计，大功率交流电机变频调速新技术的发展和应用是我国节能的主导方向之一，也是LNG行业不断努力的目标。采用中压变频器不但可以大大减小中压电机起动电流，从而消除对电网的冲击，而且可以根据生产工艺的需要调节物料的供应量，大大提高控制精度和生产产量。更重要的是可实现运行节能，将运行成本降到最低。
　　1．变频器介绍
　　变频器的分类方法有多种，按照主电路工作方式分类，可以分为电压型变频器和电流型变频器；按照开关方式分类，可以分为PAM控制变频器、PWM控制变频器和高载频PWM控制变频器；按照工作原理分类，可以分为V/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等；按照用途分类，可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。变频器的分类方法有多种，按照主电路工作方式分类，可以分为电压型变频器和电流型变频器；按照开关方式分类，可以分为PAM控制变频器、PWM控制变频器和高载频PWM控制变频器；按照工作原理分类，可以分为V/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等；按照用途分类，可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。
　　中压变频器的种类繁多，其分类方法也多种多样。按着中间环节有无直流部分，可分为交交变频器和交直交变频器；按着直流部分的性质，可分为电流型和电压型变频器；按着有无中间低压回路，可分为高高变频器和高低高变频器；按着输出电平数，可分为两电平、三电平、五电平及多电平变频器；按着电压等级和用途，可分为通用变频器和中压变频器；按着嵌位方式，可分为二极管嵌位型和电容嵌位型变频器等等。
　　2.中压变频器选型分析
　　我们知道，中压变频器与低压变频器的基本原理都是面积等效原理，即：冲量（窄脉冲面积）相等而形状不同的窄脉冲，加在具有惯性的同一环节上，其效果基本相同。这里所说的“效果基本相同”，是指环节的输出响应波形基本相同。将一系列电压脉冲的宽度按正弦规律进行调制，加在电机绕组端，回路中电流波形为正弦波。
　　如图1，a）、b）、c）所示的三个形状不同的窄脉冲：a）为矩形脉冲，b）为三角脉冲，c）为正弦脉冲，它们的面积（即冲量）都相等，将它们加在具有惯性的同一环节上时，其输出响应基本相同。
　　2.1中压变频器的输入
　　一般情况下，低压变频器出于成本考虑，输入侧会采用6脉冲整流，加上利用电容储能稳压，所以输入侧一定会向电网注入很大的谐波电流。IEC标准要求单台变频器回路总的谐波电流畸变率不大于48%，及THDI≤48%。所以低压变频器输入侧一般都会加线路电抗器。如果需要将谐波抑制到更小，可选配价格昂贵的10%无源滤波器，配合直流电抗器，可将THDI值减小到5%以下。
　　中压变频器首先考虑的是将对电网的谐波污染降到最小，同时兼顾成本，所以输入侧采用了36脉冲整流，理论上无35次以下谐波电流产生。这样输入侧总的谐波电流畸变率THDI远小于1%，使得输入侧对电网几乎无谐波污染。
　　表1给出了中压变频器的各次谐波电流分量。
　　谐波电流次数 5 7 11 13 17 19 23 25
　　IEEE-519(1992)[%] 4.00 4.00 2.00 2.00 1.50 1.50 0.60 0.60
　　实测值[%] 0.58 1.00 0.20 0.32 0.75 0.54 0.06 0.24
　　图2a是电压型中压变频器输入侧原理，采用了36脉冲整流。图2b是实测的输入侧电流和电压波形。我们可以清楚看到，电流波形（橘黄色）是完美的正弦波，无任何畸变。
　　以上我们讨论了电压型中压
　　变频器输入侧对电网的谐波污染。结论是整流波数越多，向电网注入的谐波电流就越小，对电网的污染就越小。36脉冲整流远远优于24脉冲、18脉冲、12脉冲整流。
　　2.2中压变频器的输出
　　中压变频器输出电压的基本元素仍是矩形脉冲，但是与低压变频器已经有了巨大的区别。原因在于，低压变频器输出一般只有两个电平，不可能逼近正弦波。我们学微积分知道，用的线段越多，就越能拟合一条曲线。当用的线段无限多时，就可以得到与任意指定的曲线相同的曲线。施耐德电气中压变频器输出电压是叠加的多电平电压，可以非常逼近一个正弦波。电平数量越多，输出电压就约接近正弦波。当输出电压为9电平时，输出电压外延有矩形脉冲，但整体形状是已经高度正弦化了（见图5b）。当输出为17电平时，输出电压波形就已经完全正弦化了（见图6a）。
　　为什么中压变频器要采用多电平输出技术呢，这是因为中压变频器的逆变管IGBT的耐压值一般只有3.3KV，高电压时需要串联分压。IGBT耐压值较低的劣势，反而成就了中压变频器，使得其输出电压可以高度逼近正弦波，甚至完全正弦化。
　　这类中压变频器的输出电压为3电平，仅仅比低压变频器多了一个电平，所以其输出仍然会有很大dv/dt，从而产生过电压，需采用低通滤波器补偿，但仍容易损坏电机绝缘。由于IGCT的开关频率低，所以其输出电流有很大的谐波分量，增加了能耗，同时增加电机的脉动转矩和发热，降低了电机效率，容易将电机烧毁。这类中压变频器还有一个最大的弊端，就是只能输出3KV，不能直接输出6KV或10KV，如果需要输出6KV或10KV，需配输入降压变频器和输出升压变压器。很明显，这种中压变频器的技术含量较低，造价较低，体积庞大。
　　3.适合LNG接收站的6KV用电设备用的中压变频器
　　综上分析LNG接收站应选用单元三电平技术的中压变频器。采用了这种技术的6KV中压变频器，其输出电压的电平数量高达17个，其输出电压波形高度正弦化，远远优于其它型式的中压变频器。
　　下面，我们就对这种技术做详细说明。
　　前已述及，逆变管IGBT的耐压值一般只有3.3KV，所以如果要输出6KV或10KV，需要串联4组或5组IGBT分压。
　　如图3所示，中压变频器采用了4组功率单元串联，每个功率单元可以输出三电平：
　　第一电平：1-2-3-4导通
　　第二电平：2-3-4导通
　　第三电平：0电平（全关）
　　第二电平=第一电平/2
　　这样，不同相之间的功率单元就可以输出5个电平，见图4。
　　第一电平：1-2-3-4-5-6-7-8导通
　　第二电平：1-2-3-5-6-7-8导通
　　第三电平：1-2-3-5-6-7导通
　　第四电平：2-3-5-6-7导通
　　第五电平：全关（零电平）
　　施耐德电气3KV中压变频器是两组单元串联，可以输出9个电平（零电平公用，2×4+1=9）。
　　6KV中压变频器采用了4组功率单元，可输出4×4+1=17电平。
　　10KV中压变频器采用了5组功率单元，可输出5×4+1=21电平。
　　3KV中压变频器输出电压、电流实测波形见13b，可以看到电压波形的外延有矩形脉冲，这些脉冲的阶梯数量正好是9。
　　前已述及，输出电平数量越多，与正弦曲线的拟合度就越好。由于6KV中压变频器输出为17电平，10KV中压变频器为21电平，所以其输出电压波形已经无限逼近正弦波了。
　　图6a是示波器实测的中压变频器的输出电压波形，图6b是示波器实测的中压变频器输出回路电流波形。我们可以看到，无论是电压波形，还是电流波形，都已经是完全的正弦波了。
　　4.结语
　　通过以上分析适合LNG接收站用的中压变频器要求：输入侧采用36脉冲整流，对中压电网几乎无谐波电流污染；输入侧功率因数可达0.96；含移相变压器在内，总有效率高达97%；逆变管采用IGBT，输出侧采用单元3电平技术，使得输出电压为17电平，从而使得输出电压波形为正弦波，从根本上消除了dv/dt，从而消除了过电压，输出距离不再受电机电缆长度的限制；输出电流是标准正弦波，无谐波分量。
　　参考文献
　　1文斌，浅析电压型和电流型高压变频器《电力电子技术》2009年11期
　　2刘世雄，高压变频器“一拖二”方案在锅炉引风机上的应用《电工技术》2011年02期

《中压变频器选型分析》

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