高壓變頻器的基本分類

高壓變頻器的基本分類

基本分類

    高壓變頻器的種類繁多，其分類方法也多種多樣。按著中間環節有無直流部分，可分為交交變頻器和交直交變頻器；按著直流部分的性質，可分為電流型和電壓型變頻器；按著有無中間低壓回路，可分為高高變頻器和高低高變頻器；按著輸出電平數，可分為兩電平、三電平、五電平及多電平變頻器；按著電壓等級和用途，可分為通用變頻器和高壓變頻器；按著嵌位方式，可分為二極管嵌位型和電容嵌位型變頻器等等。

電流型

    由于在變頻器的直流環節采用了電感元件而得名，其優點是具有四象限運行能力，能很方便地實現電機的制動功能。缺點是需要對逆變橋進行強迫換流，裝置結構復雜，調整較為困難。另外，由于電網側采用可控硅移相整流，故輸入電流諧波較大，容量大時對電網會有一定的影響。

高壓型

    由于在變頻器的直流環節采用了電容元件而得名，隨著技術的進步，高壓變頻器可以實現四象限運行，也能實現矢量控制，已經成為當前傳動系統調速的主流產品。

高低高型

    采用升降壓的辦法，將低壓或通用變頻器應用在中、高壓環境中而得名。原理是通過降壓變壓器，將電網電壓降到低壓變頻器額定或允許的電壓輸入范圍內，經變頻器的變換形成頻率和幅度都可變的交流電，再經過升壓變壓器變換成電機所需要的電壓等級。

這種方式，由于采用標準的低壓變頻器，配合降壓，升壓變壓器，故可以任意匹配電網及電動機的電壓等級，容量小的時候（<500KW）改造成本較直接高壓變頻器低。缺點是升降壓變壓器體積大，比較笨重，頻率范圍易受變壓器的影響，還有就是由于引入了變壓器使得系統效率比較低。

一般高低高變頻器可分為電流型和電壓型兩種。

高電流型

    電路拓撲結構如圖1所示，在低壓變頻器的直流環節由于采用了電感元件而得名。輸入側采用可控硅移相控制整流，控制電動機的電流，輸出側為強迫換流方式，控制電動機的頻率和相位。能夠實現電機的四象限運行。

高電壓型

    前段引入降壓變壓器，將電網降壓，然后連接低壓變頻器。低壓變頻器輸入側可采用可控硅移相控制整流，也可以采用二極管三相橋直接整流，中間直流部分采用電容平波并儲能。逆變或變流電路常采用 IGBT元件，通過SPWM變換，即可得到頻率和幅度都可變的交流電，再經升壓變壓器變換成電機所需要的電壓等級。需要指出的是，在變流電路至升壓變壓器之間還需要置入正弦波濾波器(F)，否則升壓變壓器會因輸入諧波或dv/dt過大而發熱，或破壞繞組的絕緣。該正弦波濾波器成本很高，一般相當于低壓變頻器的1/3到1/2的價格。

高高變頻

    高高變頻器無需升降壓變壓器，功率器件在電網與電動機之間直接構建變換器。由于功率器件耐壓問題難于解決，目前最直接的做法是采用器件串聯的辦法來提高電壓等級，其缺點是需要解決器件均壓和緩沖難題，技術復雜，難度大。但這種變頻器由于沒有升降壓變壓器，故其效率較高低高方式的高，而且結構比較緊湊。

高高電流

   它采用GTO，SCR或IGCT元件串聯的辦法實現直接的高壓變頻，電壓可達10KV。由于直流環節使用了電感元件，其對電流不夠敏感，因此不容易發生過流故障，逆變器工作也很可靠，保護性能良好。其輸入側采用可控硅相控整流，輸入電流諧波較大。變頻裝置容量大時要考慮對電網的污染和對通信電子設備的干擾問題。均壓和緩沖電路，技術復雜，成本高。由于器件較多，裝置體積大，調整和維修都比較困難。逆變橋采用強迫換流，發熱量也比較大，需要解決器件的散熱問題。其優點在于具有四象限運行能力，可以制動。

需要特別說明的是，該類變頻器由于較低的輸入功率因數和較高的輸入輸出諧波，故需要在其輸入輸出側安裝高壓自愈電容。

高高電壓

    電路結構采用IGBT 直接串聯技術，也叫直接器件串聯型高壓變頻器。其在直流環節使用高壓電容進行濾波和儲能，輸出電壓可達13.8KV，其優點是可以采用較低耐壓的功率器件，串聯橋臂上的所有IGBT作用相同，能夠實現互為備用，或者進行冗余設計。缺點是電平數較低，僅為兩電平，輸出電壓dV/dt也較大，需要采用特種電動機或加裝共模電壓濾波器和高壓正弦波濾波器，其成本會增加許多。由于它與低壓變頻器有著一樣的拓撲結構，因此它像低壓變頻器一樣具有四象限運行功能，也可以實現矢量控制。

    這種變頻器同樣需要解決器件的均壓問題，一般需特殊設計驅動電路和緩沖電路。對于IGBT驅動電路的延時也有極其苛刻的要求。一旦IGBT的開通、關閉的時間不一致，或者上升、下降沿的斜率相差太懸殊，均會造成功率器件的損壞.

嵌位型

鉗位型變頻器一般可分為二極管鉗位型和電容鉗位型。

二極管型

    它既可以實現二極管中點嵌位，也可以實現三電平或更多電平的輸出，其技術難度較直接器件串聯型變頻器低。由于直流環節采用了電容元件，因此它仍屬于電壓型變頻器。這種變頻器需要設置輸入變壓器，它的作用是隔離與星角變換，能夠實現12脈沖整流，并提供中間嵌位零電平。通過輔助二極管將IGBT等功率器件強行嵌位于中間零電平上，從而使IGBT兩端不會因過壓而燒毀，又實現了多電平的輸出。

這種變頻器結構，輸出可以不安裝正弦波濾波器。但是由于采用了變壓器，成本上有所增加。

電容型

它采用同橋臂增設懸浮電容的辦法實現了功率器件的嵌位，這種變頻器應用的比較少。