对国内流行的多单元串联式高压变频器的反思 点击：23111 | 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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中国的高压变频器能在技术、性能等各方面有新的突破。我听说过，你能不能提供一个你们公司做高压变频器节电投资的明细资料给我？
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"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。"
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2点说明一下：
1、dV/dT在所有输出频率范围内幅度都很小而且基本保持恒定，低频（低电压）输出时此值是不会增加的。谐波比例会增加是当然的，哪种变频原理又不是呢！
2、输出任何电压下同臂的所有单元都是均衡功率输出的，如果设计成某些单元低压闲置那也太低级了。
"2点说明一下：
1、dV/dT在所有输出频率范围内幅度都很小而且基本保持恒定，低频（低电压）输出时此值是不会增加的。谐波比例会增加是当然的，哪种变频原理又不是呢！
2、输出任何电压下同臂的所有单元都是均衡功率输出的，如果设计成某些单元低压闲置那也太低级了。
同意关于dv/dt的说法。实际上原文并没有说dv/dt随输出电压变化而变化。
不同意“输出任何电压下同臂的所有单元都是均衡功率输出的”的说法。低速运行时，部分单元处于“软旁通“状态，逆变桥输出端同时接通dc link的正极或者负极，这些单元这是实际上是不输出功率的。当然你可以设计成让不输出功率的单元轮换，但在任何时刻，变压器副边的负载不平衡情况不会改变。
另外一个方面，也是最大的一个问题所在，我们差别更大的是控制技术。国内的中压变频为什么会陷入低成本竞争的现状，很大一部分原因就在这上面，H桥串联为什么在国内这么多，因为控制几乎没有什么难度，V/F或者简单的矢量控制就完全可以应付，但上升到三电平，优化的双PWM就是一个难关，更别提能达到高动态响应、高控制精度的矢量控制或者直接转矩控制。
H串联方式最大的一个问题是能量不能回馈，也就是所谓的不能四象限运行，别跟我说什么通过电阻制动，或者把整个整流由二极管也改成H桥方式，如果真的这么简单的话，SIEMENS/ABB/TMEIC花那么大力气去做三电平就纯粹是傻子……
真正的高性能的中高压变频器，为什么现在SIEMENS（GM150/GL150/SM150）/ABB(ACS6000)/TMEIC(TM70)的卖那么贵，因为它们不是简单的说应用在风机水泵这一类的负载上的，更多的是冶金、提升等更复杂的工况下。像冶金中厚板的主传动，电机要求过载2.5倍，速度响应要求在100MS以内，而且是突变负载，也就是说，负载可能在一瞬间从零增加到100％，也可能瞬间从100％回到零，动态响应要求0.25％S（这个概念可能很多人都没有听说过，简单来说，就是负载突变时，速降要下，恢复时间要尽量快），而且要求频繁正反转。
事实上，直到2000年左右，除了宝钢等少数一线大钢厂，绝大多数的国内二三线冶金企业，在轧机主传动上应用的都还是直流系统，就到目前为止，我还没有听说过国内有哪个冶金企业在超过3000KW的轧机主传动上应用过H桥方式的变频器……
"2点说明一下：
1、dV/dT在所有输出频率范围内幅度都很小而且基本保持恒定，低频（低电压）输出时此值是不会增加的。谐波比例会增加是当然的，哪种变频原理又不是呢！
2、输出任何电压下同臂的所有单元都是均衡功率输出的，如果设计成某些单元低压闲置那也太低级了。
同意关于dv/dt的说法。实际上原文并没有说dv/dt随输出电压变化而变化。
不同意“输出任何电压下同臂的所有单元都是均衡功率输出的”的说法。低速运行时，部分单元处于“软旁通“状态，逆变桥输出端同时接通dc link的正极或者负极，这些单元这是实际上是不输出功率的。当然你可以设计成让不输出功率的单元轮换，但在任何时刻，变压器副边的负载不平衡情况不会改变。
同意“在任何时刻，变压器副边的负载不平衡情况不会改变”。但是在采用“轮换”后平衡性不会被打破，原因是“轮换”的频率远远大于单元的充放电周期，这种平均分配会在一个充电周期内已经完成了5-10次循环分配了。再加上3臂的错位效应，负载会被很“精确”的平均到每组次级绕组。还可以设计成循环周期整数倍与充放电周期，这样就更加“精确”了。
"2点说明一下：
1、dV/dT在所有输出频率范围内幅度都很小而且基本保持恒定，低频（低电压）输出时此值是不会增加的。谐波比例会增加是当然的，哪种变频原理又不是呢！
2、输出任何电压下同臂的所有单元都是均衡功率输出的，如果设计成某些单元低压闲置那也太低级了。
同意关于dv/dt的说法。实际上原文并没有说dv/dt随输出电压变化而变化。
不同意“输出任何电压下同臂的所有单元都是均衡功率输出的”的说法。低速运行时，部分单元处于“软旁通“状态，逆变桥输出端同时接通dc link的正极或者负极，这些单元这是实际上是不输出功率的。当然你可以设计成让不输出功率的单元轮换，但在任何时刻，变压器副边的负载不平衡情况不会改变。
同意“在任何时刻，变压器副边的负载不平衡情况不会改变”。但是在采用“轮换”后平衡性不会被打破，原因是“轮换”的频率远远大于单元的充放电周期，这种平均分配会在一个充电周期内已经完成了5-10次循环分配了。再加上3臂的错位效应，负载会被很“精确”的平均到每组次级绕组。还可以设计成循环周期整数倍与充放电周期，这样就更加“精确”了。
按我的理解，多脉冲变压器的原边电流频谱是由副边电流折射到原边后叠加而成，由于相位差别，折射后的副边电流某些谐波能互相抵消。一旦某个副边没有电流，向量图上原本平衡的谐波就不能互相抵消，就像三相系统中如果电流失去一相。这个情况好像和充电周期无关，当然也许我是错的。
不知道有没有搞应用的朋友有现场谐波数据： 在低速时(调制深度或者输出电压低于67%)，变频器的输入电流频谱是否恶化？如果现场数据证明我是错的，麻烦把数据和波形发到我的email信箱： cheng_zy@hotmail.com，我会更正我帖子中的错误。多谢！
"其他的器件比如IGCT（ABB）、IEGT(TMEIC)、SGCT(AB)、HV_IGBT（SIEMENS）都只有国外能独家生产，国内虽然有极少数，比如株洲所，据说能做IGCT，但确实成功应用的业绩很少"
呵呵，时代大功率IGBT生产线已经投产了，温总理来看了，大功率IGCT的量产也快了 。
三电平IGCT变流器是暴利，因为只有ABB，西门子能做，西门子也是用交交干不过ABB了，赶紧开发三电平的，高性能四象限主传动都用三电平的，低性能的辅传动只是简单调下频的是串联型的天下。
等国内大家都开发出三电平的了，ABB，西门子又可以降价了。
对：a明 关于
版主，你好。
请教下日本的高压变频器质量如何。初步了下，ABB没有10KV的高压变频器，而西门子（罗宾康）也没有800KVA功率的高压变频器。而客户想采用国外品牌的，请教版主，日本的高压变频器一般采用何种方式，质量如何？据有我了解有 三肯 三菱 东芝 安川都有做高压变频器。
内容的回复：日本安川与罗宾康（现在被西门子收购）早期进行过技术合作，安川06年后才有高压（10KV）进入中国是因为和罗宾康的协议限制。罗宾康的高压变频的器件、线路板等合作时是安川生产的。安川的高压变频属于电压源类，采用多级串联PWM方式，属于高-高方式（交-直-交变换），IGBT器件，10KV时单相9个串联。输入有移相变压器。输出波形干净，功率因数高。不用改造电机。MV1S的适用于风机水泵。MX1S矩阵型可4象限运行，轧机、起重、风电等可用。10KV的最大功率6000KVA，高于6000KVA的需咨询了。
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