对国内流行的多单元串联式高压变频器的反思 点击：22995 | 回复：202
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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接74楼
（2） 均流技术
在[18]中证明了在两个逆变器使用同一个参考电压矢量的情况下，在两套三相绕组的参数不相同的情况下，会导致6相电流不平衡，必须通过均流方法加以抑制。他们提出了一种同时引入两套三相绕组的定子电流反馈的方法来解决这一问题。这种方法虽然也采用磁场定向控制的常用方法计算参考电压矢量，但是计算后得到的值要根据每组三相绕组定子电流的反馈量进行调节。在分别引入了两组三相绕组的定子电流的反馈之后，特定工况下出现的6相电流不对称的情况有了很大改善，如图3。
这种方法是一种解决三相电机驱动系统中由于参数所导致的电流不平衡的办法的推广，实际上提高了电流调节器的复杂程度。虽然目前可以在工程上解决电流不平衡现象，但对多相电机中该现象的产生原因和机理尚有待进一步研究。谐波电感在其中扮演的角色需要进一步明确。
3.2 国外工业应用概况
在工程应用中，中大功率的多相电机变频调速系统得到了成功的应用。特别是在舰船电力推进领域，美、英、德等国投入巨资进行相关技术的研究，将其运用于下一代舰船电力推进系统中。美国海军于1986年提出“海上革命”计划，内容涉及综合电力推进和综合电力系统两种方案，及水面战舰与水下潜艇两方面的应用。表1为两个应用领域项目实施中选用的推进电机方案。美国“海上革命”计划中选用的典型多相推进电机
英国海军自从“
3.3 国内研发情况
在国内，多相交流励磁机多年前就已得到实际应用[20]；多相交直流混合输出发电机的研究和应用也已经达到国际先进水平[20]，但是在多相传动领域的研究工作开展得比较晚。目前，中国船舶重工集团712研究所、武汉海军工程技术大学、华中科技大学、浙江大学、清华大学、中科院电工所、西安交通大学、北京凯奇公司以及哈尔滨工业大学等对多相电机传动系统都进行了大量的研究工作，取得的成果如下：
武汉712研究所针对多相电机在舰船推进中的应用做了大量的研究工作，并开始了试验船的设计，推进电机为1MW的多相异步电机，针对大功率多相永磁同步电机的研究也已开展。华中科技大学、西安交通大学和北京凯奇公司在项目上有一定的合作，以数控机床等工业应用场合为背景对15相异步电机调速系统进行了研究[1]。整个调速系统采用转差型直接转矩控制，并将三相载波形PWM方法推广到多相。该方法也被应用到六相感应电机调速系统中哈尔滨工业大学以离心机直接驱动系统的研制为背景，对15相无刷直流电机调速系统进行了研究[23]。他们对电机的故障运行进行了分析，提出了两种容错控制方法。为了能独立控制每相电流和实现容错控制，系统主回路采用了每相独立H桥的拓扑。浙江大学从上个世纪90年代起开始与武汉船舶重工712研究所合作研制六相200kW推进用永磁同步电机驱动系统。与上海电机厂合作进行大型舰船推进用十五相感应电机传动系统的研究。07年开始进行多相无轴承感应电机传动系统的研究。作者所在的中国科学院电工研究所电动汽车实验室在2005年已经研制出了25kW的5相永磁同步电机驱动系统，并通过3次谐波注入提高了电机的转矩密度[14]。在此基础上，进一步开展了对12、15相永磁电机变频调速系统的理论和实验研究工作。研制了可用于多相电机或多电机控制的基于FPGA技术的300kVA 15相变频器，实物如图5所示。
300kVA 15相变频器
总之，目前国内的技术水平和应用情况与国外相比有较大的差距，但近年来多相电机变频调速技术已引起了各方的高度重视。
未来发展方向
从国内外对多相变频调速系统的研发情况来看，未来一段时间，该领域主要的研究方向和发展趋势大致包括以下几点。
（1） 更实用的多相变频调速系统的控制方法
在多相电机变频调速系统中不同谐波子空间中的变量影响着电机定子电流中谐波含量，因此要想提高控制性能必须对这些谐波精确加以控制。通常的做法是增加其他子空间中的电流调节器，扩展变换矩阵的维数。这样做的代价是提高了控制算法的复杂度，可能会增加硬件成本，导致控制性能恶化。因此，研究更加实用的多相变频调速系统的控制方法将成为多相电机变频调速系统研究的一个热点内容。
（2） 更可靠的容错控制
虽然国内外已经有很多研究者对多相变频调速系统的容错控制开展了大量研究，但是在多相容错理论方面收效不大。多数工业的解决方案都是基于特殊的电机或逆变器结构，如绕组独立H桥逆变器等。对容错算法的有效性和可靠性缺乏分析手段。因此，在未来一段时间，容错控制仍将是一个主要的研究方向。
（3） 应用领域向中小功率扩展
目前，虽然多相变频调速系统的主要应用场合还是大功率传动，但是已经出现向中小功率扩展的倾向。在某些极限工况的中小功率传动，如电动汽车的集成飞轮启动发电机等场合，多相变频调速系统的低相电压、低相电流、低成本和高可靠性的特点具有更好的适用性。
（4） 多电平多相变频调速系统
多相电机与多电平逆变器的结合能够同时突破单个功率器件的电压和电流限制，在现有电力电子技术水平下实现超大功率的电压源逆变器变频调速系统。
总结
多相电机变频调速技术是一项新兴的技术，虽然现阶段仍有一些缺点和技术上的困难，但它的优点也是显而易见的。电力电子技术、计算机技术和控制理论的不断发展，必将对多相电机技术起到极大的推动作用，多相电机的应用范围必将更加广泛。现阶段在我国对多相变频调速系统开展深入而广泛的研究，具有十分重要的理论及现实意义。
参考文献
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[20] 贾小川: 多相电机系统. 1999年北京电力电子技术创新研讨会论文集
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[22] 候立军, 苏彦民, 陈林. 一种新颖的用于六相感应电机调速系统的空间矢量PWM方法. 电工电能新技术, 2004, Vol23(1): 11-15
[23] 李建春. 多相化无刷直流电动机系统模型、运行控制与容错的研究. 博士学位论文, 哈尔滨工业大学, 1997
作者简介： 薛山
男 博士/助理研究员 主要研究方向为电机控制、多相变频技术、计算机控制。
1） 高速功率器件的串联技术
根据查新，世界各国均未生产出IGBT直接串联的高压变频器。佳灵独有的世界首创的高速功率可关断技术，特别是IGBT直接串联技术，使真正无输入、输出变压器的高压变频器成为现实。这对于提高性能、效率，减少体积、重量等各项主要技术经济指标，是以往任何一种高压变频器形式是无法比拟的。
2） 正弦波技术
高压电机对变频器的输出电压波形有严格的要求，是业内人士都知道的常识。佳灵公司解决变频器输出电压波形，从两方面着手：一是优化PWM波形；二是研制出特种滤波器。
在波形发生、滤波材料、设计方面的创新和优化，使输出电压谐波失真小于3%。使得这种变频器适用于任何电机，无输出电缆距离的要求。
输入电流正弦波技术，提高了功率因素，降低了对电网的干扰，特别是根据电源及负载的情况，输入端可用多种不同的配置，以符合IEEE519-1992的要求。更可满足四象限快速加减速等场合的使用。
3） 抗共模电压技术
仅解决IGBT的串联，并不能甩掉输入变压器。原因在于共模电压的存在。在低压变频器领域，近年来发现的电机轴承损坏，共模电压就是影响之一，在高压变频器的领域中，共模电压更是必须解决的关键问题之一。共模电压（也叫零序电压），是指电动机定子绕组的中心点和地之间的电压。
共模电压也是对外产生干扰的原因，特别是长线传输设备。无论是电流源还是电压源变频器产生共模电压是必然的。佳灵公司根据共模电压产生的机理，采取了“堵和疏”的办法将共模电压消灭在变频器内部。
由于采用了上述三项核心关键技术，使“佳灵”IGBT直接高压变频器的效率达到98%以上。输出电压正弦化、共模电压最小化。适用于任何异步电机、同步电机，无需降容使用，几km的长线传输也无问题。对于传输距离太长时应考虑线路电压补偿。如提高电压或增大导线截面等。?
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