1前言

電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)與控制理論的結(jié)合，有力地促進(jìn)了交流變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展,。近年來，具有驅(qū)動電路和保護(hù)功能的智能IGBT的應(yīng)用使得變頻器結(jié)構(gòu)更加緊湊且可靠。與其它電力電子器件" title="電力電子器件">電力電子器件相比,，IGBT具有高可靠性,、驅(qū)動簡單、保護(hù)容易,、不用緩沖電路和開關(guān)頻率高等特點(diǎn),，鑒于此，開發(fā)高電壓,、大電流,、頻率高的高壓IGBT并將其應(yīng)用到變頻調(diào)速器中以獲得輸出電壓等級更高的裝置成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。中壓變頻器" title="中壓變頻器">中壓變頻器的研發(fā)與電力電子器件如高壓IGBT,、GTO,、IGCT等器件研制水平和應(yīng)用水平密切相關(guān)，隨著高電壓,、大電流IGBT的面世,，給中壓變頻器注入了新的活力，德國西門子公司采用高壓IGBT(600A～1200A/3300V～6500V),、三電平" title="三電平">三電平技術(shù)開發(fā)的SIMOVERTMV系列中壓變頻器已在國內(nèi)廣泛用于有色,、冶金、電力,、建材,、自來水、石油化工等行業(yè)并得到用戶的認(rèn)可,，本文就第四代IGBT的優(yōu)異性能,，與GTO、IGCT等電力電子器件進(jìn)行了比較,，結(jié)合MV系列中壓變頻器的特點(diǎn)論述了采用三電平技術(shù)獲得優(yōu)良的輸出電壓特性,，采用模塊化技術(shù)以適應(yīng)各種負(fù)載的需求，介紹了三電平有源前端（AFE）技術(shù)提供的四象限傳動方案,，并提供眾多應(yīng)用選型實(shí)例說明中壓變頻器的方案選擇與應(yīng)用效果,。

2中壓變頻器用電力電子器件的比較

電力電子器件的發(fā)展經(jīng)歷了晶閘管(SCR)、可關(guān)斷晶閘管(GTO),、大功率晶體管(GTR),、絕緣柵晶體管(IGBT)等階段，目前,，常壓變頻器基本上采用IGBT組成逆變電路,，中壓變頻器中由于電路結(jié)構(gòu)的不同，交—直—交變頻器中逆變電路基本上由高壓IGBT,、GTO,、IGCT等組成，單元串聯(lián)多電平變頻器和中—低—中變頻器型多采用低壓IGBT構(gòu)成。

20世紀(jì)80年代可關(guān)斷晶閘管GTO的商品化促進(jìn)了交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展,，與SCR相比其屬于自關(guān)斷器件,，由于取消了強(qiáng)迫換流電路，簡化了在交流電力機(jī)車中大量采用的逆變器電路,，目前GTO的容量為6000A/6000V,，在電力機(jī)車調(diào)速中大多采用（3000～4000）A/4500V，中壓變頻器功率范圍多在（300～3500）kW以內(nèi),，屬于較小的功率范圍,。GTO開關(guān)頻率較低，需要結(jié)構(gòu)復(fù)雜的緩沖電路和門極" title="門極">門極觸發(fā)電路,，用門極負(fù)電流脈沖關(guān)斷GTO,，其值接近其陽極電流的1/3，如關(guān)斷3000A/4000V的GTO,，需750A的門極負(fù)脈沖電流,，其門極觸發(fā)電路需要多個MOSFET并聯(lián)的低電感電路，而同樣的高壓IGBT僅需5A的導(dǎo)通和關(guān)斷電流,。GTO的工作頻率低于500Hz，以1500A/4500V的GTO為例,，其開通時間為10μs,，關(guān)斷時間約需20μs。

硬驅(qū)動GTO(IGCT)是關(guān)斷增益為1的GTO,，GTO制造工藝上是由多個小的GTO單元并聯(lián)而成的,，為解決關(guān)斷GTO時非均勻關(guān)斷和陰極電流收縮效應(yīng)，縮短關(guān)斷時間,，利用增加負(fù)門極電流上升率,，在1μs內(nèi)使負(fù)門極電流上升到陽極電流的幅值而使GTO的門極－陰極迅速恢復(fù)阻斷。將GTO外配MOSFET組成的門極驅(qū)動器組合成IGCT,，實(shí)現(xiàn)了場控晶閘管的功能,，IGCT使用過程中要求開通和關(guān)斷過程盡可能短，目前IGCT的最高水平為4000A/6000V,，IGCT關(guān)斷過程中仍需要di/dt緩沖器以防過電壓,，IGCT以GTO為基礎(chǔ)，其工作頻率應(yīng)在1kHz以下,。

圖112脈波二極管整流輸入采用高壓IGBT的三電平MV裝置

圖2MV輸出電壓和輸出電流波形(典型的基波電流系數(shù)gi=99％)

隨著關(guān)斷能力和載流能力的提高,，高壓IGBT以其自保護(hù)功能強(qiáng)，無需吸收電路而具有廣闊的應(yīng)用前景,。西門子公司從1988年開始研制和應(yīng)用低壓IGBT,，在高壓IGBT的開發(fā)上也處于領(lǐng)先地位，以目前用于MV系列的1200A/3300VIGBT為例，其柵極發(fā)射極電壓僅為15V,，觸發(fā)功率低,，關(guān)斷損耗小，di/dt,、dv/dt都得到了有效控制,，目前高壓IGBT的研制水平為(600～1200)A/6500V，其工作頻率為（18～20）kHz,。

3高壓IGBT中壓變頻器的特點(diǎn)

SIMOVERTMV系列中壓變頻器采用了實(shí)踐證明具有優(yōu)秀性能的矢量轉(zhuǎn)換磁場定向控制原理,，即優(yōu)化的空間矢量和脈寬調(diào)制模式，應(yīng)用高壓IGBT和三電平技術(shù)而獲得了優(yōu)良的輸出電壓特性,。在設(shè)計(jì)上充分考慮了各種負(fù)載情況,，能適應(yīng)風(fēng)機(jī)、泵類,，擠壓機(jī),，提升機(jī)，皮帶機(jī),，活塞式壓縮機(jī),，卷取機(jī)，開卷機(jī)等各種應(yīng)用,。應(yīng)用模塊化技術(shù)優(yōu)化傳動裝置,，可采用12或24脈波二極管整流器，或輸入端采用有源前端都可以獲得高動態(tài)性能,、高可靠性和最佳的性能價格比,。

目前1500kVA以下電壓源型變頻器基本上采用二電平電路結(jié)構(gòu)，將中間直流電路的正極電位或負(fù)極電位接到電機(jī)上去,。為滿足變頻器容量和輸出電壓等級的需求,，并降低諧波及dv/dt，出現(xiàn)了采用GTO或高壓IGBT的三電平變頻器,，將中間直流電路正極電位,、負(fù)極電位及中點(diǎn)電位送到電機(jī)上去。與二電平變頻器相比,，其輸出波形諧波較小,，降低了損耗，同時使功率器件耐壓降低一半,。西門子公司采用高壓IGBT,、三電平技術(shù)開發(fā)成功MV系列中壓變頻器，其逆變器電路在3300V,、4160V等級僅需12或24個器件,，無須緩沖電路,，結(jié)構(gòu)緊湊，提高了可靠性和整體效率,。其主電路如圖1所示,，其輸出電壓、電流波形如圖2所示,。

MV系列變頻器采用模塊化技術(shù),，對各種傳動應(yīng)用提供全面的解決方案，為滿足再生制動,，提供了有源前端技術(shù),，即從電網(wǎng)向AFE輸入正弦波交流電，經(jīng)整流后輸出直流電壓,，并保持所要求的電壓值,，濾波電路保證從電網(wǎng)汲取及反饋回電網(wǎng)的只有正弦波電壓或電流。 

4MV系列中壓變頻器應(yīng)用實(shí)例

中壓變頻器的評價指標(biāo)包括適用范圍,、設(shè)計(jì)思想,、如電壓源或電流源型、轉(zhuǎn)矩脈動,、速度控制,、諧波與噪聲，效率,、功率因數(shù)及電磁兼容性等,。MV系列變頻器通過采用優(yōu)化的空間矢量和脈寬調(diào)制模式可獲得極高的動態(tài)性能，轉(zhuǎn)矩脈動<2％,，并具有完美的控制特性；通過對各種情況下的諧波電流進(jìn)行快速傅里葉分析,，可提供典型諧波電流頻譜,；MV由于采用高壓IGBT無緩沖器電路，功率因數(shù)大于096,，由于采用有源前端技術(shù),，功率因數(shù)可根據(jù)需要調(diào)整(滯后或超前)，同時提高了電磁兼容性,，滿足了抗干擾的要求,。以下提供部分應(yīng)用實(shí)例供參考：

圖3MVAFE結(jié)構(gòu)框圖

（1）在建材水泥行業(yè)，廣州珠江水泥廠經(jīng)過對多家

公司中壓變頻器產(chǎn)品的比較,，決定采用西門子MV系列產(chǎn)品于電收塵風(fēng)機(jī),、爐列風(fēng)機(jī)及窯列風(fēng)機(jī)上，其中,，電收塵風(fēng)機(jī)電機(jī)為西門子鼠籠電機(jī)1RQ45068,，1300kW/3300V,，中壓變頻器為6SE80181BA00，輸入端采用12脈波整流,，變頻器總的功率因數(shù)大于096,；爐列風(fēng)機(jī)電機(jī)為西門子鼠籠電機(jī)IRQ45646，2500kW/3300V,，變頻器為6SE80311BA00,；窯列風(fēng)機(jī)電機(jī)為西門子鼠籠電機(jī)1RQ45026，1400kW/3300V,，變頻器為6SE80181BA00,，用戶在選型時充分考慮了高壓IGBT變頻器對電機(jī)的絕緣等級的要求，同時也考慮了供貨商電機(jī),、變頻器的系統(tǒng)配套能力,，以選擇最經(jīng)濟(jì)合理的方案，現(xiàn)設(shè)備已投入運(yùn)行并取得顯著的節(jié)能效果,。

（2）在電力行業(yè),，SIMOVERTMV具有廣泛的應(yīng)

用前景，特別是對于調(diào)峰電廠,，主要的應(yīng)用包括給水泵,、送(引)風(fēng)機(jī)、灰漿泵,、供熱水泵等,。通常除了節(jié)能，增加機(jī)械壽命,，減少對電網(wǎng)的沖擊外,，還可大大優(yōu)化電廠鍋爐的燃燒過程，使全廠的用電率下降,，這一點(diǎn)在山東龍口電廠得到了認(rèn)證,。該廠已采用多套西門子變頻器用于技術(shù)改造，其采用的SIMOVERTMV1250kW/6kV也將很快投入運(yùn)行,。

（3）在石化行業(yè),，北京燕山石化66萬噸高壓聚乙

烯生產(chǎn)中的擠壓機(jī)其技術(shù)要求如下：功率3000kW、12倍過載,、調(diào)速比為1∶10以上(95～950～1150）r/min,。是典型的恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，通常采用恒速交流電機(jī)或調(diào)速直流電機(jī)驅(qū)動,，考慮到化工裝置的長期運(yùn)行,，維護(hù)工作量應(yīng)很小，加上節(jié)能等方面的考慮,，要求具有節(jié)能,、高可靠性和優(yōu)良的動態(tài)性能,，經(jīng)過比較，采用西門子高壓IGBT,、三電平技術(shù)的SIMOVERTMV以滿足所有要求,，同時考慮到減少對電網(wǎng)的諧波干擾，最終采用416kV,、24脈波結(jié)構(gòu),、3000kW帶6極變頻電機(jī)(不帶濾波器)的整套西門子驅(qū)動系統(tǒng)。高壓IGBT變頻器為石化行業(yè)技術(shù)改造和新上項(xiàng)目提供了更多的可能,，特別是新上項(xiàng)目,，用戶可選擇性能價格比最優(yōu)的方案。

（4）在冶金行業(yè)SIMOVERTMV的應(yīng)用正在增

加,，主要表現(xiàn)在如下幾個方面：

①在精軋機(jī)組中用MV＋鼠籠機(jī)替代LCI(負(fù)載換

流式)變頻器＋同步機(jī)方案,，使系統(tǒng)的諧波更小，性能更佳,，安陽鋼鐵公司5000kWMV精軋機(jī)已調(diào)試完畢,。

②在冷軋機(jī)或卷曲機(jī)上替代直流傳動。

③在節(jié)能應(yīng)用中,，用在鋼鐵廠的焦化風(fēng)機(jī)上,，通

常節(jié)能在30％以上，如馬鞍山鋼鐵公司,、邯鄲鋼鐵公司已有應(yīng)用,。此外煉鋼廠的除塵風(fēng)機(jī)，由于是變速工況,，采用變頻器可大大節(jié)能,，在太原鋼鐵公司已有應(yīng)用(SIMOVERTMV1250kW)。

（5）在有色行業(yè),，嶺南鉛鋅集團(tuán)將西門子MV系列產(chǎn)

品及電機(jī)用于二氧化硫風(fēng)機(jī),，主鼓風(fēng)機(jī)，充分考慮了西門子公司的配套總承能力,，其中，二氧化硫電機(jī)為西門子鼠籠電機(jī)1RN45644HX60Z,，2250kW/6000V,，變頻器為12脈沖二極管整流三電平MV6SE80261EA00，主鼓風(fēng)機(jī)電機(jī)為1RN45002HV60Z,，1300kW/6000V,，變頻器為6SE80181EA00。