对国内流行的多单元串联式高压变频器的反思 点击：23125 | 回复：202
发表于：2007-07-23 12:07:00
楼主
－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－-请勿转载－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－
国内的高压变频器厂家, 如利德华福等，都在走ROBICON的路线：用复杂的多脉冲变压器，串联一大堆的整流桥和逆变桥以提高电压。而且几乎家家如此，互相拷贝抄袭，几乎把高压变频器变成了劳动密集型产品。
这种拓扑有那么好吗？不说别的，就成本而言，单单是那个变压器，10千伏需要27个副边绕组（最近他们提高了DC LINK电压，绕组数减少了一些，但仍然要24个）。由于铁心和铜材价格翻跟斗似的上涨，现在变压器成本几乎占变频器总成本的40%以上。这使得这种结构由于使用低压半导体而产生的成本优势荡然无存。
反观半导体器件，电压等级越做越高，现在6500V的IGBT，IGCT以及SGCT十分成熟，每安培的价格也以3~5%的速度逐年下降；实用的10千伏器件也呼之欲出。多单元串联技术在10年前是有优势的，因为那时高压半导体器件技术跟不上。但现在看，这种拓扑与半导体技术的发展背道而驰－－－－新的高压半导体技术在这种拓扑中竟然无用武之地，真是电力电子行业的一大怪事！
当然，按流行的说法，这种拓扑有谐波小的优点。
这个可以从两方面来说。第一是输入谐波。理论上，36脉冲变压器的输入谐波小于3%或更低。但实际上，由于受变压器制造工艺和变频器运行方式的制约，这个指标经常达不到，有时甚至高于5%。这是因为多脉冲变压器消除谐波的机理是利用同次谐波在不同副边绕组中的移相角不同。它对变压器有如下的要求：
1）各个副边绕组的负载必须平衡；
2）各个副边绕组的阻抗必须平衡；
3）各个副边绕组的之间的互感必须严格控制；
4）各个副边对原边的电压比必须平衡；
5）各个副边绕组的移相角必须精确。
其中第一条与变频器的运行控制有关，当电机降压运行时，不是所有的单元都输出功率，谐波并不能互相抵消。其他4条与变压器的制造工艺有关，都不太好处理。比如第5条，移相角的问题。以36脉冲为例，一共3*6=18个副边绕组，每6个一组，相互之间移10度。这10度相差一般是通过ZIGZAG的接线形成（EXTENDED-Y OR -D）。在这样小的角度下，用于产生相差的线圈经常只有几匝（大功率变压器本来匝数就少）。如果理论上，算出一个8.4匝，我们只能绕个8匝，这就有5%的匝数误差。反映到相角，有时相差一两度，怎么抵消谐波？根据我自己的经验，18脉冲变压器移相误差2度是经常的事，这时候电流中出现17次以下的低次谐波。脉冲数越多，移相角越小，变压器越是难做。这就是为什么高于36脉冲的变压器基本上做不出来。
第二方面，就是输出谐波和DV/DT小。输出谐波当然是越小越好，但是凡事有个度，关键是我们以什么代价取得这个指标。而且如前所述，变频器降压运行时，有些单元不输出功率，电平数量下降，输出谐波也会升高。我的观点是，不能不顾代价地追求输出波形质量，而应该充分利用电机对谐波的容忍度，经济地选择拓扑。至于DV/DT，一个小的DV/DT滤波器就可以解决问题。
当然，我这里并不是说多电平串联这种结构不能用，而是觉得它和半导体技术的发展严重脱节甚至背道而驰，而且它严重依赖于输入变压器。考虑到国际市场钢材和铜材价格的走向，业界也许该反思高压变频器的拓扑了。说这种拓扑高，是有根据的。ROBICON开发出这种产品后，卖了不少，占了不少的市场份额，却没有赚到多少钱，更在2005年差点破产，结果被西门子收购。西门子家大业大，他们看中的与其说是技术，不如说是市场。
照我说，这种拓扑最大的贡献是降低了高压变频器的技术门槛，让国内高校实验室都可以做出6千伏以上的样机。而且，它很容易理解和掌握，为我国变频器的推广做出了贡献。但是它也易于被复制抄袭，造成蜂拥而起。国内厂家为什么没有3电平的高压产品？为什么没有电流源型的高压产品？原因是这些拓扑技术复杂，不容易掌握。而国外主流厂家除ROBICON外，象ABB，SIEMENS，ROCKWELL，CONVERTEAM（ALSTOM），GE/TOSHIBA等，都没有用多单元串联结构，除专利的因素外，成本因素也不容忽视。
以上只是抛砖引玉，希望引起同行的注意和讨论。另外一些拓扑，比如二极管嵌位三/五电平（西门子，ABB和GE/东芝，ALSTOM等），电容嵌位多电平（ALSTOM），无变压器的AFE电流源（ROCKWELL）等，如果大家感兴趣的话，也可以一一讨论。
－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－-请勿转载－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－
国内的高压变频器厂家, 如利德华福等，都在走ROBICON的路线：用复杂的多脉冲变压器，串联一大堆的整流桥和逆变桥以提高电压。而且几乎家家如此，互相拷贝抄袭，几乎把高压变频器变成了劳动密集型产品。
这种拓扑有那么好吗？不说别的，就成本而言，单单是那个变压器，10千伏需要27个副边绕组（最近他们提高了DC LINK电压，绕组数减少了一些，但仍然要24个）。由于铁心和铜材价格翻跟斗似的上涨，现在变压器成本几乎占变频器总成本的40%以上。这使得这种结构由于使用低压半导体而产生的成本优势荡然无存。
反观半导体器件，电压等级越做越高，现在6500V的IGBT，IGCT以及SGCT十分成熟，每安培的价格也以3~5%的速度逐年下降；实用的10千伏器件也呼之欲出。多单元串联技术在10年前是有优势的，因为那时高压半导体器件技术跟不上。但现在看，这种拓扑与半导体技术的发展背道而驰－－－－新的高压半导体技术在这种拓扑中竟然无用武之地，真是电力电子行业的一大怪事！
当然，按流行的说法，这种拓扑有谐波小的优点。
这个可以从两方面来说。第一是输入谐波。理论上，36脉冲变压器的输入谐波小于3%或更低。但实际上，由于受变压器制造工艺和变频器运行方式的制约，这个指标经常达不到，有时甚至高于5%。这是因为多脉冲变压器消除谐波的机理是利用同次谐波在不同副边绕组中的移相角不同。它对变压器有如下的要求：
1）各个副边绕组的负载必须平衡；
2）各个副边绕组的阻抗必须平衡；
3）各个副边绕组的之间的互感必须严格控制；
4）各个副边对原边的电压比必须平衡；
5）各个副边绕组的移相角必须精确。
其中第一条与变频器的运行控制有关，当电机降压运行时，不是所有的单元都输出功率，谐波并不能互相抵消。其他4条与变压器的制造工艺有关，都不太好处理。比如第5条，移相角的问题。以36脉冲为例，一共3*6=18个副边绕组，每6个一组，相互之间移10度。这10度相差一般是通过ZIGZAG的接线形成（EXTENDED-Y OR -D）。在这样小的角度下，用于产生相差的线圈经常只有几匝（大功率变压器本来匝数就少）。如果理论上，算出一个8.4匝，我们只能绕个8匝，这就有5%的匝数误差。反映到相角，有时相差一两度，怎么抵消谐波？根据我自己的经验，18脉冲变压器移相误差2度是经常的事，这时候电流中出现17次以下的低次谐波。脉冲数越多，移相角越小，变压器越是难做。这就是为什么高于36脉冲的变压器基本上做不出来。
第二方面，就是输出谐波和DV/DT小。输出谐波当然是越小越好，但是凡事有个度，关键是我们以什么代价取得这个指标。而且如前所述，变频器降压运行时，有些单元不输出功率，电平数量下降，输出谐波也会升高。我的观点是，不能不顾代价地追求输出波形质量，而应该充分利用电机对谐波的容忍度，经济地选择拓扑。至于DV/DT，一个小的DV/DT滤波器就可以解决问题。
当然，我这里并不是说多电平串联这种结构不能用，而是觉得它和半导体技术的发展严重脱节甚至背道而驰，而且它严重依赖于输入变压器。考虑到国际市场钢材和铜材价格的走向，业界也许该反思高压变频器的拓扑了。说这种拓扑高，是有根据的。ROBICON开发出这种产品后，卖了不少，占了不少的市场份额，却没有赚到多少钱，更在2005年差点破产，结果被西门子收购。西门子家大业大，他们看中的与其说是技术，不如说是市场。
照我说，这种拓扑最大的贡献是降低了高压变频器的技术门槛，让国内高校实验室都可以做出6千伏以上的样机。而且，它很容易理解和掌握，为我国变频器的推广做出了贡献。但是它也易于被复制抄袭，造成蜂拥而起。国内厂家为什么没有3电平的高压产品？为什么没有电流源型的高压产品？原因是这些拓扑技术复杂，不容易掌握。而国外主流厂家除ROBICON外，象ABB，SIEMENS，ROCKWELL，CONVERTEAM（ALSTOM），GE/TOSHIBA等，都没有用多单元串联结构，除专利的因素外，成本因素也不容忽视。
以上只是抛砖引玉，希望引起同行的注意和讨论。另外一些拓扑，比如二极管嵌位三/五电平（西门子，ABB和GE/东芝，ALSTOM等），电容嵌位多电平（ALSTOM），无变压器的AFE电流源（ROCKWELL）等，如果大家感兴趣的话，也可以一一讨论。
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发表于：2007-07-24 07:18:00
4楼
>>>>按照楼主的说法，连ROBICON都要倒闭了，国内的LD不是寿命也长不了，LD的市场最好，赚钱很少，前景好不了。哈哈，我估计LD不会同意你的说法，LD还想买个高价呢！前段时间差点脱手了，只是开价太高，国外买方不同意。还有就是帐很是烂，查不清楚。
LD确实是国产品牌的老大。但目前的问题是，国内厂家随多，但技术却没有什么大区别，产品简单重复，所以只能互相杀价，为争夺市场而不惜血本。大概大家想同归于尽吧！
如果您所言LD在插标自售的事情属实，说明它的投资方（鸿商控股？）想赶快脱身。尽管导致企业现金流出现困难的原因多种多样，但技术层面，这种拓扑的高成本也是一个重要因素。
LD确实是国产品牌的老大。但目前的问题是，国内厂家随多，但技术却没有什么大区别，产品简单重复，所以只能互相杀价，为争夺市场而不惜血本。大概大家想同归于尽吧！
如果您所言LD在插标自售的事情属实，说明它的投资方（鸿商控股？）想赶快脱身。尽管导致企业现金流出现困难的原因多种多样，但技术层面，这种拓扑的高成本也是一个重要因素。
发表于：2007-07-25 07:26:00
9楼
下面引用由antisway在 2007-7-24 22:15:00 发表的内容：
楼主是这方面的高手！
国外大公司是不会卖三电平的变频器给我们的驱逐舰和潜艇的！
如此下去我们如何…
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如果涉及军事用途,估计国外公司连卖多电平也顾虑重重. 不是不想卖,而是怕政府找麻烦. 国内应该有三电平的产品吧? 至少在2千伏以下应该有,因为没有太大的技术障碍,特别是器件. 电压再高, 就不容易做了. 高压半导体不是谁都可以用好的. 不知道舰用电源电压和频率是多少?
楼主是这方面的高手！
国外大公司是不会卖三电平的变频器给我们的驱逐舰和潜艇的！
如此下去我们如何…
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如果涉及军事用途,估计国外公司连卖多电平也顾虑重重. 不是不想卖,而是怕政府找麻烦. 国内应该有三电平的产品吧? 至少在2千伏以下应该有,因为没有太大的技术障碍,特别是器件. 电压再高, 就不容易做了. 高压半导体不是谁都可以用好的. 不知道舰用电源电压和频率是多少?
发表于：2007-07-27 22:55:00
12楼
存在既是合理，为什么多电平那么多厂家生产，就是因为技术门槛低，如果大家都生产这种变频器，价格自然就下来了，对用户也是一件好事！
至于这种拓扑结构，LZ说高压器件已经很成熟了，但是您知道高压器件的驱动成熟吗？坏一只高压器件要多少钱啊？谁投得起？再说了，都没有大批量使用，成熟的说法从何而来？
为什么国内很多原来做三电平的厂家都开始从串连结构了？因为只有串连结构才最适合中国节能市场的国情。
个人认为，就目前而言，与其从新研究拓扑结构，不如想办法在现有的拓扑上多做文章，变压器贵，可以想办法用其他方式代替（LZ可以去了解一下，已经有一些方法了，虽然还在研究当中）。
其实，国人应该多在产品化和生产工艺上下功夫，毕竟现在国产产品的可靠性还是太低了。
至于这种拓扑结构，LZ说高压器件已经很成熟了，但是您知道高压器件的驱动成熟吗？坏一只高压器件要多少钱啊？谁投得起？再说了，都没有大批量使用，成熟的说法从何而来？
为什么国内很多原来做三电平的厂家都开始从串连结构了？因为只有串连结构才最适合中国节能市场的国情。
个人认为，就目前而言，与其从新研究拓扑结构，不如想办法在现有的拓扑上多做文章，变压器贵，可以想办法用其他方式代替（LZ可以去了解一下，已经有一些方法了，虽然还在研究当中）。
其实，国人应该多在产品化和生产工艺上下功夫，毕竟现在国产产品的可靠性还是太低了。
发表于：2007-07-28 09:46:00
13楼
我同意laii所说的存在就是合理的说法。但目前串联式多电平生产厂家多所引起的恶性竞争，从长远上说，对厂家和用户都是不利的。
laii网友似乎对高压半导体器件的行情不太了解，6.5kV的各种器件，包括其驱动部件，已经被大量地用于国外一线厂家的变频器，而且可靠性非常高。使用高压器件的好处是半导体器件的用量减少，可以从整体上提高了变频器的可靠性。高压半导体比低压的贵，这要求厂家在器件应用上扎扎实实地下工夫，而不能象现在这样浮躁，东挖西抄的。就象计算机的发展一样，我们不能因为双芯CPU贵而老停留在奔腾赛扬或者MMX吧？
我不认为“只有串连结构才最适合中国节能市场的国情”，否则很难解释ABB，AB（ROCKWELL），SIEMENS等非串联结构的厂家在中国所取得的漂亮业绩。准确的说法应该是“只有串连结构才最适合的国产变频器厂家”，因为国产厂家技术水平低，用不好高压半导体（太打击自信了！我也痛恨自己说这样的话）。
当然，如果不用变压器的多电平技术能实现，那最好。有些文献报道过，甚至可以找到几个专利，其中以日本的Hiro Akagi提出的方法还算有点谱，但也不过是把变压器移动到DC LINK中，以高频来减小变压器的体积。象其他多数类似文章或专利一样，也只停留在纸上谈兵的阶段，离使用还差的远呢！
而电流源拓扑和三电平技术，是最能摆脱变压器的两种技术。AB公司的DIRECT-TO-DRIVE （电流源） 和CONVERTEAM 的TRANSFORMERLESS drive（NPC三电平），是成熟的产品。特别是ROCKWELL，他们在北美销售的6.6千伏以下产品，现在几乎都是不用变压器的。可以预见，随着高压半导体的进一步降价和变压器的涨价，这两家将会有很大的竞争优势。
下面引用由laii在 2007-7-27 22:55:00 发表的内容：
存在既是合理，为什么多电平那么多厂家生产，就是因为技术门槛低，如果大家都生产这种变频器，价格自然就下…
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laii网友似乎对高压半导体器件的行情不太了解，6.5kV的各种器件，包括其驱动部件，已经被大量地用于国外一线厂家的变频器，而且可靠性非常高。使用高压器件的好处是半导体器件的用量减少，可以从整体上提高了变频器的可靠性。高压半导体比低压的贵，这要求厂家在器件应用上扎扎实实地下工夫，而不能象现在这样浮躁，东挖西抄的。就象计算机的发展一样，我们不能因为双芯CPU贵而老停留在奔腾赛扬或者MMX吧？
我不认为“只有串连结构才最适合中国节能市场的国情”，否则很难解释ABB，AB（ROCKWELL），SIEMENS等非串联结构的厂家在中国所取得的漂亮业绩。准确的说法应该是“只有串连结构才最适合的国产变频器厂家”，因为国产厂家技术水平低，用不好高压半导体（太打击自信了！我也痛恨自己说这样的话）。
当然，如果不用变压器的多电平技术能实现，那最好。有些文献报道过，甚至可以找到几个专利，其中以日本的Hiro Akagi提出的方法还算有点谱，但也不过是把变压器移动到DC LINK中，以高频来减小变压器的体积。象其他多数类似文章或专利一样，也只停留在纸上谈兵的阶段，离使用还差的远呢！
而电流源拓扑和三电平技术，是最能摆脱变压器的两种技术。AB公司的DIRECT-TO-DRIVE （电流源） 和CONVERTEAM 的TRANSFORMERLESS drive（NPC三电平），是成熟的产品。特别是ROCKWELL，他们在北美销售的6.6千伏以下产品，现在几乎都是不用变压器的。可以预见，随着高压半导体的进一步降价和变压器的涨价，这两家将会有很大的竞争优势。
下面引用由laii在 2007-7-27 22:55:00 发表的内容：
存在既是合理，为什么多电平那么多厂家生产，就是因为技术门槛低，如果大家都生产这种变频器，价格自然就下…
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发表于：2007-08-03 12:25:00
18楼
TO 邓志平:
邓工所言极是! 到底是搞过产品开发的人,而且难得电压源电流源都有研究。
如果真要搞电流源，几个关键问题是：电流源的优势和弊端，想清楚没有？有搞电流源的人嘛？现在国内高校教的可都是电压源，因为师傅们只会电压源。大师们对电流源的理解基本停留在上个世纪80年代，还在SCR，GTO的瞎说一气。每到我看到一些专家写的东西，看他们怎么评价电流源，我就想笑。他们要么是不看文章，IEEE 90年代之后的关于电流源的文章他们根本就没有看懂过，要么是故意睁眼说瞎话骗用户。
和电压源比较起来，电流源技术要求高一些，不容易仿制。如果真干起来，却发现买不到半导体器件，或者控制不好整流器，或者解决不了共模电压，或者发现均压太难，你又在国内招不到懂行的人，问题多多哟！
邓志平在 2007-8-2 16:16:00 发表的内容：
LZ看来是变频的专家，我赞成ＬＺ的想法，我现在九洲负责高压变频研发，也是采用功率单元串联式的结构，变压…
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邓工所言极是! 到底是搞过产品开发的人,而且难得电压源电流源都有研究。
如果真要搞电流源，几个关键问题是：电流源的优势和弊端，想清楚没有？有搞电流源的人嘛？现在国内高校教的可都是电压源，因为师傅们只会电压源。大师们对电流源的理解基本停留在上个世纪80年代，还在SCR，GTO的瞎说一气。每到我看到一些专家写的东西，看他们怎么评价电流源，我就想笑。他们要么是不看文章，IEEE 90年代之后的关于电流源的文章他们根本就没有看懂过，要么是故意睁眼说瞎话骗用户。
和电压源比较起来，电流源技术要求高一些，不容易仿制。如果真干起来，却发现买不到半导体器件，或者控制不好整流器，或者解决不了共模电压，或者发现均压太难，你又在国内招不到懂行的人，问题多多哟！
邓志平在 2007-8-2 16:16:00 发表的内容：
LZ看来是变频的专家，我赞成ＬＺ的想法，我现在九洲负责高压变频研发，也是采用功率单元串联式的结构，变压…
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