在高電壓應用領域使用了多級串聯(lián)的電力半導體器件，為避免關(guān)系到多級串聯(lián)的開關(guān)定時故障，變頻器采用了高電壓大功率的串聯(lián)式功率模塊設計。
在此實例中，利用了300VHV-IGBT的功率模塊，因為所用的功率模塊數(shù)量更少，使成本大幅下降。而且，含有較少的電力半導體器件的系統(tǒng)工作更可靠。
移相的多級串聯(lián)SPWM設計的實現(xiàn)，滿足了對輸入和輸出諧波含量的工業(yè)要求。
2 多繞組移相輸入設計
帶3個Delta（D）連接和6個延邊Delta連接的二次繞組的三相移相、絕緣變壓器用作輸入變壓器，旨在將輸入電網(wǎng)的諧波減到最小。這9個二次繞組之中，3個繞組的移相為+20°；3個繞組的移相為0°；還有3個繞組移相為-20°。如圖4所示。
每個三相二次繞組電源分別接到功率模塊。該功率模塊通過三相橋整流將交流電壓變換為直流電壓，DC電壓的波形是對稱的，且每隔π/3（60°）的電角度重復，因而具有6個臺階波形的特性。
當把輸入電源移相為+20°、0°和-20°的每一組3個功率模塊（共3組）串聯(lián)在一起時，組合的串聯(lián)電壓A將具有18個臺階波形的特性，波形是對稱的，且每π/9（20°）角重復。18階的電壓波形只有（18n±1）次的諧波（n為正整數(shù)，也即諧波次數(shù)為17、19、35、37等）。由于這些諧波的次數(shù)高，故輸入電流波形接近于正弦波，總的諧波電流失真度（THD）低于3%，變頻器勿需任何笨重、昂貴的低通濾波器（LPF）。
功率模塊與帶儲能電容的三相二極管的橋式整流器結(jié)合，可提供較好的功率因數(shù)和較少的諧波失真。因電容器能供給電動機所需的無功功率，功率因數(shù)可達到0.96甚至更高，沒有必要裝設附加的功率因數(shù)補償。
由于二極管整流器無法控制電角度，因開關(guān)切換操作或閃電導致浪涌（沖擊）電壓，將經(jīng)過變壓器穿通變頻器。如功率模塊在二極管整流器后接上大的電容器，則任何通過二極管的浪涌電流，將被電容器吸收并濾波，因而變頻器是安全的，能經(jīng)受住這樣的沖擊。
3 移相SPWM輸出技術(shù)
變頻器在其功率模塊中利用了多重移相、多級串聯(lián)的SPWM技術(shù)，一個標準的功率模塊將產(chǎn)生幅值和相位相同的同樣標準的基本輸出。3個功率模塊形成一組，每組功率模塊的載波信號按2π/3（120°）角交錯移相（相位相互錯開120°）。
3個串聯(lián)的功率模塊將組合為多重移相、多級串聯(lián)SPWM的電壓輸出，其中含有關(guān)系到諧波的載波頻率（棕c），關(guān)系到邊帶（Sideband）的調(diào)制頻率（棕）。由于載波頻率棕c相對比較高，在輸出電壓中這些諧波藉電機額定的漏電感濾波，故輸出電壓實際會接近正弦波形，如圖5所示。
按照這一設計，輸出電壓波形具有的諧波含量則低于2.33%。由于諧波含量低，諧波對電動機感生的熱量，引發(fā)的噪音和轉(zhuǎn)矩脈動，均將大幅度減小。
為了降低開關(guān)損耗，功率模塊采用了低的開關(guān)頻率。因而，沒有必要附加浪涌吸收電路，變頻器的頻率大為改善。
反電動勢（CEMF）是由同步旋轉(zhuǎn)的氣隙磁通波產(chǎn)生的。當輸出電纜長度超過臨界值時，由于藉反射的CEMF引起的過電壓而產(chǎn)生電壓波形的脈動，可能損壞電動機的絕緣。Diamond-HV高壓變頻器的輸出電壓變化速率（du/dt）低，第一電壓臺階的變化只有總的相電壓臺階變化的1/3。這一總的相電壓階躍值是由多重移相SPWM技術(shù)所期望達到的值。因此，絕緣損壞的風險就大大降低了。
4 通信和旁路技術(shù)
主要控制系統(tǒng)與功率模塊的通信是通過光（電）纜，低壓部分和高壓部分是完全絕緣的。所有功率模塊的外殼均接地，因此可減小電磁干擾（EMI），確保系統(tǒng)的安全可靠。功率模塊連接簡單，僅帶3個輸入、2個輸出的高壓連接和4個光纜連接。
當裝有備用功率模塊時，控制器可配置成在故障時將備用的功率模塊取代故障的功率模塊。
控制功能中還可以將負荷電源切換到直接輸入電源，以便維修時使變頻器旁路而勿需中斷工作。
5 控制器和接口
控制器模塊是對變頻器的系統(tǒng)控制。它操作控制所有的通信，包括通過光纜與功率模塊的信號接口。在控制器模塊內(nèi)部，它與可編程邏輯控制器（PLC）結(jié)合，以增加系統(tǒng)的靈活性。PLC不僅處理邏輯信號的開關(guān)切換和操控，而且還配合協(xié)調(diào)現(xiàn)場的各種操作信號和狀態(tài)信號。
其它變頻器制造商使用了特殊設計的專用計算機或?qū)ｉT的工控機用于控制和通信。因為計算機和控制器硬件及軟件不斷在升級，因此更新?lián)Q代時必須進行相應的調(diào)整，這就降低了變頻系統(tǒng)的靈活性和可靠性。
可編程（序）的操作顯示終端及觸摸屏的輸入顯示單元，均被用于人/機操作接口，顯示器將顯示用于變頻器和電機的全部參數(shù)。為了簡易方便和可靠地使用，這一輸入顯示單元能用中文和英文編成程序。該變頻器對大范圍的監(jiān)視及網(wǎng)絡控制提供了標準的工業(yè)接口。
控制器模塊為確保高壓變頻器的工作可靠性，采用了超大規(guī)模集成電路。移相的SPWM技術(shù)保證在所有頻率范圍內(nèi)，電機的運行是最佳的。
6 應用領域與節(jié)能效果
Diamond-HV高壓變頻器操作簡單，具有良好的控制性能。它廣泛應用于諸如電力、石油化工、冶金、水泥和供水等各類工業(yè)領域。市場應用包括任何大功率高壓變頻系統(tǒng)，配電控制系統(tǒng)，電氣設備緊急保護，電氣諧波探測以及遙控檢測和監(jiān)視系統(tǒng)等。
例如北京燕山石油精煉集團中華Beiwu水廠安裝了Diamond-HV高壓變頻器后，統(tǒng)計安裝前每天的耗電量為14000kW·h，安裝后每天的平均耗電則為9000kW·h，每天節(jié)約5000kW·h，這就是說，能量利用的改善將近36%。按每kW·h最低0.6元計算，每年將節(jié)約109.5萬元。
通過上面計算可知，變頻器的成本在半年左右的時間內(nèi)就能回收，而且安裝變頻器以后電機經(jīng)?？商幱谛∪萘窟\轉(zhuǎn)。因此，利用這一變頻器系統(tǒng)，與原來的系統(tǒng)比較，節(jié)約的能量是巨大的。
隨著環(huán)保要求的日益提高，以及為滿足我們隨時增加的用電需求，會導致礦物石化燃料利用與成本的日益增加，因此進行變頻改造勢在必行。
7 結(jié)語
Diamond-HV移相串聯(lián)式高壓變頻器設計新穎，結(jié)構(gòu)緊湊。它使用的零部件少，確保了工作的可靠性。它能提供一平衡的負荷并具有良好的線性度；變頻器操作簡單，控制性能優(yōu)良。移相變壓器和移相SPWM的利用，確保了輸入/輸出諧波含量低以及輸出電壓變化率du/dt小，最突出的特點是節(jié)能，且能很快收回成本。
作者簡介：
鄧隱北（1937-），男，教授級高工，主要從事教學及各種類型電機的研發(fā)設計工作。曾參加多項國家重大科研項目并獲獎，1993年3月被聘為河南省科委高新技術(shù)專家、機電評審組副組長。發(fā)表論文80余篇，翻譯外國科技論文及實用技術(shù)達700余篇。
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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