中壓變頻技術方案分析
交流變頻調速技術是現代化電氣傳動的主要發展方向之一，它不僅調速性能優越，而且節能效果良好。實踐證明，驅動風機、水泵的大、中型籠型感應電動機，采用交流變頻調速技術，節能效果顯著，控制水平也大為提高。
目前，變頻調速技術已廣泛應用于低壓（380V）電動機，但在中壓（3000V以上）電動機上卻一直沒有得到廣泛應用，造成這種情況的主要原因是目前在低壓變頻器中廣泛應用的功率電子器件均為電壓型器件，耐壓值基本都在1200-1800V，研制高壓變頻器難度較大，為了攻克這一技術難題，國內外許多科研機構及大公司都傾注大量人力物力進行研究，工業發達國家高壓變頻器技術已趨于成熟，國外幾家著名電器公司都有高壓大容量變頻器產品，典型的如美國A-B（羅克韋爾自動化公司所屬品牌）、歐洲的西門子公司、ABB公司等。這些公司產品的電壓一般為3-6.6kv，容量從250-4000kW，所采用的技術也有很大差別。
A-B從1990年研制成功并開始投入商業運行的變頻器主要采用CSI-PWM技術，即電流源逆變-脈寬調制型變頻器，采用電流開關器件，無需升降壓變壓器即可以直接輸出6KV電壓，分強制風冷和水冷型，功率從300到18000馬力，至今已經應用于多個行業上千臺應用記錄。是最有影響力，最為廣泛接受的中壓變頻技術。
美國羅賓康公司采用大量低壓電壓型開關器件，配合特殊設計的多脈沖多次級抽頭輸出隔離整流變壓器，同樣能夠實現輸出端直接6千伏輸出，由于是大量低壓元件串接，故被稱之為多極化電壓性解決方案。
西門子公司和ABB公司分別采用中壓 IGBT和IGCT器件，是典型的電壓型變頻器。器件耐壓等級為4160/3300V，直接輸出電壓最高達3300V。所以國內也有將此種方案稱為高中方案，對應的將6KV-6KV（如A-B方案）稱為高高方案。
中壓變頻器的發展和廣泛應用是最近十數年的事情，相比之下低壓變頻器的應用卻已經有超過二十年的時間。在中壓變頻器大面積推廣應用之前，也出現了 另外一種方案。即采用升降壓變壓器的“高-低-高”式變頻器，亦稱間接中壓變頻器。 “高-低-高”式高壓變頻器，即間接高壓變頻器裝置由輸入、輸出變壓器及低壓變頻器組成。輸入變壓器為降壓變壓器，它將高壓電源電壓降至變頻器所允許的范圍，經低壓變頻器后，再經輸出變壓器升壓，供給高壓電動機。由于這種系統技術難度相對小，投資相對低，所以在國內一度應用較為活躍。但是此方案由于兩次電壓變換增加了損耗，影響了節能效果，并且占地面積大，還產生大量的高次諧波，有較明顯的缺陷，在技術上有明顯的過渡性。所以一般認為適用于功率小于200kw的中壓電動機。
相比之下，“高-高”式高壓變頻器，即直接高壓變頻調速系統，一般由輸入側隔離變壓器和多個功率單元串聯組成，由于省掉了輸出變壓器，因而減少了損耗，提高了功率，減少了占地面積，另外隨著開發、制造、應用和維護的日臻成熟，高高式中壓變頻器的產品日趨標準化，成本不斷下降，所以今天已經成為中壓變頻應用的首選方案。
總之，不同于低壓變頻產品廠商眾多，技術雷同的情況，中壓產品主要供應廠商的解決方案各不相同。其中核心差別在于所選用的器件類型不同。相應地系統配備（變壓器、電抗器、濾波裝置等）都會有所差別，系統的可靠性、效率、諧波抑制效果（電力電子設備對電網端的影響）和馬達的友好性（電力電子設備到馬達的輸出端電流和電壓波形情況對馬達的影響）、熱損值、故障模式都會有所差別。不同的結構設計又會使得散熱效果、環境要求、應用友好性和系統可維護性存在諸多差別。
從商業應用的角度考慮，制造商產品研發、銷售、應用和支持的經驗、在本地的業績、經驗以及支持能力也是考察的重要因素.
1) 中壓變頻高低高解決方案
對于功率相對較低的中壓負載，采用降壓變壓器將電網電壓降低，經由低壓變頻器，再經過升壓變頻器控制中壓電機。
• 優點：
b) 同樣不需要更換電機或者改變電機的接線方法，電纜變動不大。
• 缺點：
c) 系統采用升壓-降壓兩個變壓器，不僅使得系統占地面積大，結構復雜，可靠性降低（變壓器 是中壓變頻系統中較為薄弱的環節，更使得系統運行效率大大下降（約8-10%），影響節能效果，系統總體擁有成本升高。
d) 升壓變壓器必須能夠承受變頻器頻率輸出范圍的大幅變動，設計和制造水平要求較高，一般需要進口，為日后的技術支持和產品維護帶來一定的困難。另外一般的變壓器設計階段就已經確定了最佳運行頻率，應用于變頻輸出升壓可能會引起系統整體性能的下降。
e) 高低高方案中的低壓變頻器均為電壓源型，本身輸出波形就不是很理想，高次諧波經由升壓變壓器放大后對（老）電機發熱、噪聲等都會帶來不利的影響，縮短電機的使用壽命。尤其需要特別指出的是，對于改造應用，許多用戶現有的電機都是B級絕緣的老式電機，如果發熱和溫升問題不能夠很好的解決，將為系統的性能、壽命、可靠性方面埋下隱患。
b) 由于中壓器件的采用，提高了變頻器功率和電壓的應用范圍，相對于高低高方案，應用于較大功率的場合成為可能；
c) 輸入端一般采用12脈沖整流方式，輸入端諧波成分得到一定控制。
• 缺點：
a) 目前中壓變頻器電壓型器件仍屬于發展中的產品，受器件研究和制造水平的限制，目前尚沒有直接適應6KV電機的變頻方案，對于改造項目，要么要求用戶在具體應用時改變電機的接法（星-三角型接法互 換），要么在變頻器的輸出端集成升壓變壓器；對于新上項目，也需要用戶配套特殊類型的電機，可能會造成系統互換方面的困難。
b) 改變電機的接線方法，勢必造成電機物理特性的改變，電機需要重新測試，另外重新改變電機接線方法，在很多情況下會導致電機失去互換性，而實際的現狀是，多數擁有多臺泵或者風機的用戶都會考慮在必要的情況下投入備用泵或者風機系統，如果單臺電機改變接法則備用電機將無法直接投入應用；
c) 如果采取輸出端集成升壓變壓器方式，則無疑在一定程度上又重新回到了高低高方案的老路上，不得不慎重考慮可靠性、效率等問題；
d) 此類方案標準輸入端整流一般采用 12 脈沖，而要滿足國際上關于電網 諧波控制的基本要求（IEEE-5.19,1992）最低也要18脈沖整流變壓器。有的廠商采取提高整流變壓器阻抗的方法來解決這個問題（高達12%-14%），這樣就影響了系統的效率；因此，對于三電平技術方案，要想徹底消除諧波隱患，其電路結構決定必須采用24脈沖整流。
e) 雖然高中方案較之高低高方案有了很大的進步，但是由于電壓型器件只能單方向導通，所以每一個基本單元必須使用成對反并聯的管子，而且采用中性點引出，這樣并不能做到器件數量的最低化，系統可靠性受到影響；
f) 由于電壓型器件開關頻率很高，輸出波形中含有較多的高頻分量，這樣的電源輸出質量對于電機尤其是老式的電機損傷較為明顯，也容易埋下事故隱患。高中方案為了解決這一問題通常會在輸出端加裝較大的LC濾波回路，系統的效率變會受到影響。
總之，高中方案較之高低高方案是技術上的一個重大的進步，投資介于高低高和高高方案之間，但是相對來說，受到器件發展水平的限制，還不是成熟的解決方案，尤其是當用戶電機為老式電機式，需要承擔一定的風險。
3) 多重化電壓型方案（低壓變頻器串接疊加）
所謂多重化電壓型解決方案，就是每相采用多個低壓IGBT低壓變頻器（630伏）串接疊加，達到高電壓輸出到電機的目的。隔離變壓器的設計與其他方案不同，變壓器的次級引出多個抽頭，每個抽頭引出630伏電壓向低壓IGBT器件提供饋電。
• 優點：
a) 由于直接可以輸出6千伏電壓，較之高低高或者某些高中方案省掉了升壓變壓器，系統效率有所提高。
b) 變壓器次級繞組抽頭的增加提高了隔離變壓器脈沖數，系統進線側消諧作用增強，對進線電源諧波污染小，所以有些廠商提出的“完美無諧波”解決方案就是這樣的道理。
• 缺點：
a) 該方案的最大缺點是系統特別復雜，犧牲了系統的可靠性和效率。典型地，其功率元件的總數量是CSI-PWM電流型解決方案的12倍，大量與之配套的電子熔絲、電容器數量眾多，給系統的可靠性、可維護性帶來較大的影響。
b) 由于隔離變壓器制造工藝復雜，其次級繞組抽頭的接線端子數量典型地是CSI-PWM電流型解決方案的9倍，所以一般廠商將變壓器與變頻器集成制造，一般同樣需要進口，而變壓器一般是中壓變頻系統較為薄弱的環節，萬一出現故障，用戶將很難在短時間內恢復，對生產影響較大。
c) 由于變頻器柜內器件數量十分龐大，系統熱耗散加劇，對冷卻系統和空調要求較高，強制的風冷措施使得變頻器系統能耗增加，效率降低。
d) “完美無諧波”以犧牲系統可靠性和效率為代價，在滿足IEEE-519進線端諧波污染問題上，并非最簡單的實現形式。而且同所有電壓源型解決方案一樣，“完美無諧波”是指進線端諧波抑制，出線端（針對電機的電壓電流輸出波形）并不是十分理想，必須要加相應的濾波回路，對老的電機（如B級絕緣）的適應性和靈活性就不如電流源型解決方案。另外，這種方案無法實現停車時的能量回饋制動。
e) 許多多重化電壓型中壓變頻廠商的產品并非免維護設計，如有些產品中使用的大量的電容器（超過200個），每隔3-4年就修要更換一次，運行中可維護性相對較差。
f) 受IGBT類器件的設計原理限制，功率器件故障模式和中壓IGBT一樣會產生爆裂電弧，較為危險，嚴重情況下可能造成變頻嚴重損毀以至被燒毀，需要加以考慮。
g) 從上述論述中可知，多重化電壓型中壓變頻解決方案系統總體運行效率要低一些，運行成本支出不可忽視。
總之，多重化電壓型中壓變頻解決方案比較高低高或者高中方案來講，直接可以輸出6千伏電壓，免去了升壓變壓器或者改電機接法之苦，但最大的問題在于犧牲了系統的可靠性，系統運行效率降低，運行和維護成本比較高。
4) 高高中壓變頻方案(CSI-PWM)
簡言之，所謂的高高方案就是直接從6千伏進線，經由中壓變頻器，直接輸出6千伏到電機，無需升壓/降壓過程的變頻方案。
• 優點：
a) 中壓器件的應用，使得系統更為簡單，器件成熟，由于去掉了至少一個變壓器，無熔斷保護電路使得系統更加可靠，現有系統不需要做任何改動；
b) 中壓變頻諸多專門針對中壓應用的考慮使得控制水平大大提高；
c) 由于減少了變壓器這樣的無功元件，系統總體運行效率大大高于高低高方案（8-10%），運行成本相當低；
d) 對電網和電機的污染被控制在最低的水平，一方面滿足了諧波控制的國際標準，最為重要的是，對電機的輸出波形相當理想，對于絕緣等級較低的改造應用非常合適（本例恰恰是這種情形。限于電流型變頻器）；
e) 再生制動能力，更好的節能效果；
f) 不同于一般低壓變頻器 V/Hz控制方式，直接矢量控制技術使得調速水平完美實現。
• 缺點：
a) 高高方案相對高低高方案，初始投資相對較高。但是一方面，各家中壓變頻廠商現在都在不斷提高制造工藝和制造水平，努力使得產品盡可能標準化，成本大大降低，作為系統產品，現在其價格已經趨于合理。以A-B為例，經過廠商的不斷努力，其產品的成本控制取得良好的效果，現有產品較之去年成本下降了20%左右。
b) 更為重要的是，傳統上我們只看到采購的初始成本（采購價格），而很難估計到系統的運行和維護成本。以高低高為例，首先系統的運行效率的低下使得每年用戶相對要多支出的費用非常可觀。其次，這類系統結構的復雜，增加了土木建筑和安裝成本。如果用戶現有的電機為舊的B級絕緣，不可避免的系統發熱勢必對電機壽命造成傷害。另外，高高方案免維護設計大大減少了停機的可能，其可靠性、易于維護等特性更是高低高方案所不能比擬。
結論
從技術經濟分析角度考慮，幾種方案的差異非常明顯，高低高方案明顯的過渡性特點使得其優勢在超過200千瓦的應用中優勢就逐漸喪失。高中方案的不成熟性使得必須對系統做出改動，附帶也會產生一系列的問題，因此也需要慎重考慮。多重化電壓型解決方案以犧牲系統可靠性和效率為代價，也不是十分可取。綜合上述的分析，從綜合擁有成本角度考慮，運用高高方案顯然優于高低高、高中或者多重化電壓型方案。
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