摘要：絞車使用國(guó)產(chǎn)的單元串聯(lián)多電平四象限變頻器調(diào)速，在國(guó)內(nèi)已經(jīng)有近10年的應(yīng)用歷史，但是這些變頻器均使用了兩電平H橋逆變輸出的功率單元，TMEIC公司2014年推向中國(guó)市場(chǎng)的MVe2系列四象限變頻器，采用了三電平輸出的功率單元，減少了單元數(shù)量，減少了故障點(diǎn)數(shù)量，大大提高了可靠性。

關(guān)鍵詞：三電平功率單元 四象限變頻器 絞車

1.概述

山西潞安集團(tuán)公司古城礦桃園立井，位于山西長(zhǎng)治市屯留縣境內(nèi)，2014年10月份，對(duì)原鑿井時(shí)的3.5m絞車改造為4.0m雙滾筒纏繞式絞車。改造后的系統(tǒng)參數(shù)如表一所示：

古城礦井深652.5m，礦井設(shè)計(jì)年生產(chǎn)能力為800萬(wàn)噸/年，采用雙層罐籠提升，一個(gè)罐籠寬度為1.8米，另外一個(gè)寬度為1.6m。

現(xiàn)場(chǎng)配套使用了TMdrive-MVe2-2720kVA-6kV/6kV四象限變頻器。該變頻器為TMEIC的MVG2新一代升級(jí)產(chǎn)品，是使用三電平功率單元的四象限變頻器。

2.國(guó)內(nèi)主流的變頻器和MVe2變頻器的產(chǎn)品介紹和對(duì)比

2.1國(guó)內(nèi)主流的變頻器產(chǎn)品

目前在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上應(yīng)用較多的用于絞車的國(guó)產(chǎn)單元串聯(lián)多電平變頻器的功率單元多是兩電平H橋逆變結(jié)構(gòu)，采用有速度傳感器的矢量控制或者采用改良V/f控制的方式，國(guó)內(nèi)采用V/f控制占主流，功率單元采用IGBT的AFE的方式實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行，電網(wǎng)側(cè)的整流控制在功率單元內(nèi)的控制電路上實(shí)現(xiàn)，造成單元整流側(cè)的保護(hù)不完善，使得功率單元對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)十分敏感；功率單元的逆變由變頻器主控系統(tǒng)統(tǒng)一控制，逆變側(cè)的保護(hù)功能比較完善。功率單元的拓?fù)鋱D如圖一所示：

國(guó)內(nèi)使用比較多的變頻器使用的電容多為400V85℃的鋁電解電容，均為三組電容串聯(lián)，采用電阻均壓的方式，電解電容對(duì)電壓波動(dòng)比較敏感，在電能大量從電機(jī)灌回變頻器時(shí)，經(jīng)常因?yàn)锳FE前端來(lái)不及將大量的能量回饋到電網(wǎng)而導(dǎo)致功率單元直流母線電壓升高，造成鋁電解電容過(guò)壓損壞。受到電解電容耐溫和IGBT過(guò)熱保護(hù)的影響，一般單元過(guò)溫保護(hù)閥值為80℃~85℃。鋁電解電容為濕式電容，長(zhǎng)時(shí)間不用，鋁箔會(huì)發(fā)生鈍化，所以長(zhǎng)時(shí)間放置的內(nèi)置鋁電解電容的變頻器或者功率單元，在使用前需要激活，如果沒(méi)有激活過(guò)程而直接使用，變頻器或者功率單元損壞的幾率非常大。兩電平H橋逆變的切換過(guò)程如圖二所示：

兩電平H橋逆變，在輸出端產(chǎn)生SPWM波形，兩電平H橋逆變輸出的波形示意圖如圖三所示：

國(guó)產(chǎn)四象限高壓變頻器的功率單元輸入側(cè)均配有電容和電抗器組成的濾波器，用來(lái)濾除IGBT的AFE SPWM整流產(chǎn)生的電壓和電流諧波。因?yàn)楣β蕟卧枰獧z測(cè)輸入側(cè)的電壓和電流作為AFE控制的信號(hào)，所以濾波器是必須的，這樣不但增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，同時(shí)也給輸入側(cè)功率因數(shù)帶來(lái)影響，在變頻器空載時(shí)，電網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)為超前的，空載無(wú)功電流比較大，在變頻器重載時(shí)，變頻器的功率因數(shù)是滯后的，一般在20%負(fù)載以上變頻器的電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)為0.95以上，電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)隨負(fù)載波動(dòng)而變化，不能完全由功率單元控制。濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖四所示：

采用H橋逆變的6kV變頻器由一臺(tái)隔離移相降壓變壓器，15組或18組電容和電抗器組成的濾波器，15組或18組功率單元組成。一般變壓器一次繞組為Y型接法，二次繞組采用延邊三角形接法，這種接法，可以使功率單元整流產(chǎn)生的諧波大部分在變壓器內(nèi)部相互抵消掉，減小變頻器電網(wǎng)側(cè)諧波含量，同時(shí)，這種延邊三角形的接法，也在變壓器內(nèi)部增加了很多的接頭，一般每個(gè)功率單元需要變壓器內(nèi)部增加三個(gè)接頭，18個(gè)功率單元的變頻器，變壓器內(nèi)部需要增加48個(gè)接頭，降低了變壓器的可靠性。6kV15個(gè)功率單元輸出的H橋逆變的變頻器拓?fù)鋱D如圖五所示：

2.2TMEIC MVe2變頻器[1][2]

TMEIC公司的TMdrive-MVe2變頻器，采用的是三電平結(jié)構(gòu)的功率單元，采用單相輸入單相輸出方式，功率單元采用指月的自愈式金屬薄膜電容，金屬薄膜電容耐壓高，耐過(guò)壓能力強(qiáng)，一般1.7倍額定電壓不會(huì)損壞，特別適合急加速急減速的負(fù)載。自愈式金屬薄膜電容壽命非常長(zhǎng)，在20年的變頻器使用壽命周期內(nèi)，不需要更換功率單元內(nèi)部的電容，并且自愈式金屬薄膜電容沒(méi)有鈍化現(xiàn)象，長(zhǎng)期放置不會(huì)導(dǎo)致電容性能指標(biāo)變差。功率單元的拓?fù)鋱D如圖六所示：

TMEIC三電平單元逆變輸出的切換過(guò)程如圖七所示：

三電平輸出的波形示意圖如圖八所示，通過(guò)和H橋SPWM逆變輸出的波形圖對(duì)比，可以看出，三電平輸出的波形，相當(dāng)于兩個(gè)H橋SPWM逆變輸出的波形的疊加。

6kV的MVe2變頻器由一臺(tái)隔離降壓變壓器，9組功率單元組成，一次回路非常簡(jiǎn)潔，隔離變壓一次側(cè)采用Y型接法，二次側(cè)采用開環(huán)△接法。功率單元的整流和逆變?nèi)坑勺冾l器的控制系統(tǒng)統(tǒng)一控制，變頻器功率單元的整流側(cè)保護(hù)和逆變側(cè)保護(hù)均非常完善，單元的穩(wěn)定性和可靠性均非常高。控制系統(tǒng)控制功率單元三電平SPWM整流，電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)由功率單元功率因數(shù)決定，功率單元整流側(cè)的功率因數(shù)恒為1.0，這使得變頻器的輸入側(cè)功率因數(shù)恒定為1.0，變頻器幾乎沒(méi)有無(wú)功電流。MVe2三電平功率單元逆變6kV變頻器的拓?fù)鋱D如圖九所示：

2.3預(yù)充電

由于IGBT整流的特性，需要有高壓上電預(yù)充電電路，用以抑制電容器上電瞬間的瞬態(tài)沖擊電流，減少?zèng)_擊電流對(duì)IGBT的損害，通常的預(yù)充電有以下三種形式：

（1）功率單元內(nèi)置低壓預(yù)充電電阻預(yù)充電：充電電阻在單元內(nèi)部，減小整個(gè)變頻器的體積，但是由于每個(gè)單元都需要內(nèi)置預(yù)充電回路，功率單元內(nèi)部主回路變得的更復(fù)雜。國(guó)產(chǎn)高壓變頻器的某些廠商的小功率產(chǎn)品，采用這種預(yù)充電方式。

（2）變頻器高壓輸入側(cè)高壓電阻預(yù)充電：在高壓輸入側(cè)，變壓器上口采用高壓電阻限制高壓上電的沖擊電流，預(yù)充電完成采用高壓接觸器或者斷路器將電阻短路。這種充電回路簡(jiǎn)單，但是電阻體積龐大，增大的變頻器的體積。國(guó)產(chǎn)高壓變頻器的主流大功率產(chǎn)品，均采用這種方式。

（3）變頻器高壓輸入側(cè)高壓電抗器預(yù)充電：在高壓輸入側(cè)，變壓器上口采用高壓電抗器限制高壓上電的沖擊電流，預(yù)充電電完成采用高壓接觸器或者斷路器將電抗器短路。這種充電回路簡(jiǎn)答可靠，體積比電阻預(yù)充電回路體積小。MVe2使用這種體積小，可靠性高的方式。

2.4鋁電解電容和自愈式金屬薄膜電容的對(duì)比[3]

鋁電解電容和自愈式金屬膜電容對(duì)比表，見表二：

2.5國(guó)內(nèi)主流產(chǎn)品和MVe2的對(duì)比

選取國(guó)內(nèi)主流廠商的絞車用6kV適配1600kW電機(jī)的變頻器產(chǎn)品做對(duì)比，見表三：