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。
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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：2012-12-21 10:05:21
198楼
回复内容：我不是搞变频器的，对电机几乎不懂，可能说的不对见谅。根据我搞高频逆变电源的经验，提高开关频率，输出电流（功率）不利是不对的，这点我申明一下。也可能我搞的东西跟你们不太一样，我们的电源20kHz的开关频率。如果我们搞的东西完全不一样的话，我觉得，从理论上讲，对方在逆变之后应该做了谐振的处理
对：深度迷糊关于佳灵的产品确实比较有特色。2电平的逆变器，逆潮流而动，做得还算成功。但我仍然有些疑问。据来自佳灵的资料说，他们的开关频率为3kHz，这在高压大功率中是比较高的。这么高的开关频率，对提高输出电流（功率）是不利得，而且对散热的要求很高。我怀疑负载电流到达一定程度时，他们只能降低载波频率，加大输出滤波器，但这面临成本和损耗的制约，特别是电抗器的发热。输出侧还必须考虑共模抑制的问题，这样需要另外一个共模电抗器。在我看来，加灵拓扑最大的隐患还不在逆变器，而在整流器。不使用变压器时，他们只能用六脉冲整流，输入电流必然含有相当高的5次和7次谐波。要满足谐波标准，他们必须使用输入滤波器。输入滤波器的谐振频率应该在4pu到5pu之间。考虑到6脉冲整流中5次谐波电流的含量高（可高达20%），这个滤波器小不了！6脉冲整流的另外一个副作用是 DC 纹波大，所以 DC LINK中要个镇流电感。这样佳灵的变频器一共就有4个电感：输入三相滤波电抗，DC扼流电感，输出三相滤波电抗以及共模电感。不知道加起来比变压器便宜多少？但是，我还是很佩服吴加林先生的，他有一股“下自己的蛋，让别人说去吧”的坚韧，能坚持到今天不容易。不过愚见以为他们确实应该认真考虑寻找更好的整流器结构。内容的回复：
对：深度迷糊关于佳灵的产品确实比较有特色。2电平的逆变器，逆潮流而动，做得还算成功。但我仍然有些疑问。据来自佳灵的资料说，他们的开关频率为3kHz，这在高压大功率中是比较高的。这么高的开关频率，对提高输出电流（功率）是不利得，而且对散热的要求很高。我怀疑负载电流到达一定程度时，他们只能降低载波频率，加大输出滤波器，但这面临成本和损耗的制约，特别是电抗器的发热。输出侧还必须考虑共模抑制的问题，这样需要另外一个共模电抗器。在我看来，加灵拓扑最大的隐患还不在逆变器，而在整流器。不使用变压器时，他们只能用六脉冲整流，输入电流必然含有相当高的5次和7次谐波。要满足谐波标准，他们必须使用输入滤波器。输入滤波器的谐振频率应该在4pu到5pu之间。考虑到6脉冲整流中5次谐波电流的含量高（可高达20%），这个滤波器小不了！6脉冲整流的另外一个副作用是 DC 纹波大，所以 DC LINK中要个镇流电感。这样佳灵的变频器一共就有4个电感：输入三相滤波电抗，DC扼流电感，输出三相滤波电抗以及共模电感。不知道加起来比变压器便宜多少？但是，我还是很佩服吴加林先生的，他有一股“下自己的蛋，让别人说去吧”的坚韧，能坚持到今天不容易。不过愚见以为他们确实应该认真考虑寻找更好的整流器结构。内容的回复：
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