关于电流源型高压变频器

关于CSI型高压变频器的认识异步电动机变频调速已得到广泛的应用。

变频器的花样种类繁多，变频器的供应商们为了推销自己的产品，都进行商业炒作，大力宣传自己的优点和他人产品的缺点，使人眼花缭乱。

而各种产品，只要它们在市场上站得住脚，就必然有它们各自的优点和缺点。

市场是无情的，如果都是缺点，该产品必然被淘汰，若都是优点它必然淘汰别人。

一、高压变频器的分类1、按技术方案分类A、电压源型（VSI）B、电流源型（CSI）2、按主电路结构分类A、交—交调速方式B、交—直—交调速方式3、按电压变换方式分类A、高—低—高B、高—高4、按电路拓朴结构分类A、单元串联多电平B、三电平C、电容箝位四电平D、功率器件直接串联二、国内外高压变频器研究开发现状1、国外最具代表性的生产厂家及结构有：各自的产品推出。

2、国内高压变频产品情况南中科、广州智光、广东明阳、哈尔滨九州、合康亿盛、北京康沃、东方日立、上海科达、湖北三环、安邦信、山东点石、国电南自、安徽颐和、天津先导倍尔等生产厂家以单元串联多电平方式为主，清华大学及一些单位则在研究开发三电平方式的高压变频产品。

三、VSI型与CSI型高压变频器的比较1、VSI型单元串联多电平高压变频器1994年，美国罗宾康公司推出了全球第一台单元串联式多电平高压变频器，并取名为“完美无谐波变频器”，1998年5月，罗宾康公司又提出了中心点偏移式功率单元旁路的方法，在故障功率单元被旁路后，通过调节三相输出电压的之间的相位，保证输出线电压仍保持三相对称，电机能正常运行，该技术使单元串联多电平变频器的可靠性得到很大提高。

单元串联式多电平高压变频方案在我国获得了大面积推广，北京利得华福公司HARSVERT-A系列，北京先行公司HVF系列，上海科达公司MAXF系列，东方凯奇公司等高压变频调速器制造厂等均采用这种结构。

为了减少串联功率单元数，简化系统以及进一步降低输出谐波含量，日本富士电机Fuji公司的FRENIC4600FM4系列，采用12脉冲不可控整流和三电平单相PWM逆变，达到功率单元数减少一半的目的。

单元串联多电平变频器的输出电压可达到10kV。

2、飞跨电容箝位型三电平高压变频器1992年，T.A.Maynard和H.Foch提出用飞跨电容取代箝位二极管,构建飞跨电容箝位型多电平主电路。

电容箝位型多电平变流器的电平合成自由度和灵活性高于二极管箝位型多电平变流器，但控制方法非常复杂，而且开关频率增高，开关损耗增大，效率随之降低。

法国阿尔斯通公司的alspa cdm6000系列高压变频器，是采用IGBT器件的飞跨电容四电平变频器，可四象限运行，输出波形较好，谐波含量和dv/dt较小（dv/dt＜500dv/dt）。

但是，从元件不串联的原则出发，目前三电平方式还不能直接输出6000V电压，以高压IGBT 或IGCT 为例，目前实用的电压等级最高为6500V，输出交流电压最高为4.6KV。

若要求更高的输出电压，只能采用器件直接串联或采用输出侧升压变压器，而器件直接串联时就带来稳态和动态均压问题，这样就失去了三电平变频器本身不存在动态均压问题的优点，降低了系统的可靠性；输出采用升压变压器则无疑增加了装置成本，系统效率和功率因素降低。

3、CSI型高压变频器电流源型（CSI）高压变频器代表厂商是AB公司。

上世纪末，高压大功率变频器都采用国外进口。

洛克韦尔（AB）公司的Power FlexTM7000高压变频器，采用SGCT功率器件串联的交—直—交电流型变频器，是进入我国火电厂节能改造工程最早的产品。

CSI型高压变频器采用自关断器件GTO（SGCT），直流电路有大电感，可起到保护开关器件的作用，用于异步电机的调速。

常见的电流源型高压变频器有美国Rockwell公司(A-B)Bulletin1557型电流型(采用GTO直接串联共18只)和Power FlexTM 7000系列电流型(采用6.5kV,6只SGCT器件)变频器；美国ROSS-HILL(罗斯希尔)公司VFD型电流型高压变频器；意大利ANSALDO(安萨尔多)公司SHCOVERT(H)高压电流源变频器；国产电流源高压变频调速器未见成熟的工业产品。

国内市场上出现的（CSI）产品中只有AB公司的高压变频器，国内新出现一书《大功率变频器及交流传动》[ bin wu著，卫三民等译北京:机械工业出版社，2008]对此论述最多，这个方案在技术原理上有一定特点。

目前主要的电流源型变频器为SGCT-PWM电流源型变频器。

电流源型变频器的优点是能量可以回馈电网，可以实现四象限运行。

电源侧常采用三相桥式晶闸管整流电路，输入电流的谐波较大，为了降低谐波成分，可采取多重化，有时还必须加输入滤波装置。

输入功率因数一般较低，通常要附加功率因数补偿装置。

由于不像电压源变频器，在直流环节的大滤波电容能存储较大的能量，电流源变频器对电网电压波动较为敏感，电网电压波动较大时容易停机，是个比较大的缺点。

若整流电路也采用SGCT做电流PWM控制，可以得到较低的输入电流谐波和较高的输入功率因数，并且可省去输入隔离变压器。

但PWM 整流会导致变频器效率有一定程度下降。

这种CSI型变频器(即电流源型变频器或电流源逆变器)，输入侧采用可控硅进行整流，采用电感储能，逆变侧用SGCT（或IGCT）作为开关元件，为传统的两电平结构。

由于器件的耐压水平有限，必须采用多个器件串联。

器件串联是一种非常复杂的工程应用技术，理论上说可靠性很低，但有的公司可以做到产品化的地步。

由于输出侧只有两个电平，电机承受的dv/dt较大，必须采用输出滤波器。

CSI的构造不同就是在整流后的中间直流环节用大电感平波，因而直流电流比较稳定，所以叫电流源型（但不是恒流）。

电流源变频器不适用于负荷快速度化的负载，他的优点是两电平方案有不危害电机的dv/dt输出。

电压源变频器目前主要有三电平高压变频器（采用IGBT或IGCT作为功率器件）和单元串联多电平高压变频器。

电压源型高压变频器由于采用二极管不可控整流，输入功率因数相对较高，且不易受电网电压波动的影响，在电网条件比较差的应用场合，明显比电流源型变频器稳定。

三电平变频器的最高电压通常不超过4.16kV,单元串联多电平变频器的输出电压可达到10kV。

相比电压源型变频器（VSI）的特点为：1、便于实现四象限运行，可不需要外加电路就能将负载的惯性能量回馈到电网。

2、工作稳定，输出电流更加容易控制。

3、在有源滤波（APF）、无功补偿（SVG）以及电力系统中应用将越来越广泛。

电流源型变频器的主要缺点是：1、电网侧功率因数低，谐波大，而且随着工况的变化而变，不好补偿。

2、电流源变频器不适宜于动态性能要求很高的机械，例如轧钢机、提升机等。

但电流上升率较低也有好处，就是万一发生短路，电子式过流保护易于凑效，电流上升率低这一固有性能、可以充分恰当地加以利用。

3、因无输入变压器，6脉冲整流网侧谐波大，需采用进线电抗器；二电平逆变dv/dt大，且输出谐波大需采用优化的PWM技术及输出滤波器加以解决。

综合性能比较单元串联多电平型变频器是采用多个低压的功率单元串联实现高压，输入侧的降压变压器采用移相方式，可有效消除对电网的谐波污染，输出侧采用多电平正弦PWM技术，可适用于任何电压的普通电机，另外，在某个功率单元出现故障时，可自动退出系统，而其余的功率单元可继续保持电机的运行，减少停机时造成的损失。

系统采用模块化设计，可迅速替换故障模块。

由此可见，单元串联多电平型变频器的市场竞争力是很明显的。

当前电力电子器件水平：可用于高压变频的电力电子器件有 IGBT、IGCT、GTO、SGCT、SCR、GTR 等，先比较如下：IGBT：目前最高水平为6500V、600A 和1700V、3600A，应用上以1700V 以下最为成熟，其优点是电压控制、驱动简单，开关频率高、开关损耗小，可实现短路保护。

缺点有导通损耗稍高(1700V 器件为2-3V)、封装热阻大、损坏后可能产生开路。

IGCT：新型器件，目前最高水平为6500V、4000A，实验室水平电压等级达10000V，其优点是电压/电荷控制、开关频率较高、开关损耗小，导通损耗低，缺点有驱动较复杂，目前应用尚不太成熟，价格高。

GTO：目前最高应用水平为6500V，电流等级可高达6000A，优点是导通损耗小，缺点是电流驱动、驱动电流复杂，开关频率低，开关损耗高。

GTO 在超高功率(10MVA 以上)、四象限变频器中应用广泛，在其它情况下不具有优势。

SGCT：GTO 的改进型。

SCR：目前最高应用水平为8000V、8000A，交－直－交型高压变频器中不适用。

GTR：达林顿管，电流驱动，在高压变频应用中与IGBT 相比不具有优势。

这些电力电子器件现列表比较如下：电力电子器件耐压问题目前，适合高压变频装置的电力电子器件有：GTO（门极可关断晶闸管）、IGBT、IGCT。

GTO 耐压的最高应用水平为6500V，IGBT 为6500V，IGCT 为6500V，SCR （晶闸管）也只有8000V。

以线电压 6300V 为例，如直接进行三相桥式整流，则直流电压为8910V，整流二极管和开关管均须承受8910V 的工作电压，如果按2 倍余量计算，则整流二极管和开关管的耐压须达17820V。

然而，目前水平的电力电子器件尚无法承受这样高等级的电压。

因此，首先要考虑的问题是：采取措施解决电力电子器件的耐压不够问题。