变频与传动高压变频器原理及应用

2011-03-16 22:27:52来源: 互联网 关键字:变频  传动  高压  原理

电机是工业生产中主要的耗电设备,高压大功率电动机的应用更为突出,而这些设备大部分都存在很大的节能潜力。所以大力发展高压大功率变频调速技术具有时代的必要性和迫切性。

目前,随着现代电力电子技术和微电子技术的迅猛发展,高压大 功率变频调速装置不断地成熟起来,原来一直难于解决的高压问题,近年来通过器件串联或单元串联得到了很好的解决。其应用领域和范围也越来越为广范,这为工矿企业高效、合理地利用能源(尤其是电能)提供了技术先决条件。

2.几种常用高压变频器的主电路分析

(1)单元串联多重化电压源型高压变频器

单元串联多重化电压源型高压变频器利用低压单相变频器串联,弥补功率器件IGBT的耐压能力的不足。所谓多重化,就是每相由几个低压功率单元串联组成,各功率单元由一个多绕组的移相隔离变压器供电,用高速微处理器实现控制和以光导纤维隔离驱动。但其存在以下缺点:

a)使用的功率单元及功率器件数量太多,6kV系统要使用150只功率器件(90只二极管,60只IGBT),装 置的体积太大,重量大,安装位置和基建投资成问题;

b)所需高压电缆太多,系统的内阻无形中增大,接线太多,故障点相应的增多;

c)一个单元损坏时,单元可旁路,但此时输出电压不平衡中心点的电压是浮动的,造成电压、电流不平衡,从而谐波也相应的增大,勉强运行时终 究会导致电动机的损坏;

d)输出电压波形在额定负载时尚好,低于25Hz以下畸变突出;

d)输出电压波 形在额定负载时尚好,低于25Hz以下畸变突出;

e)由于系统中存在着变压器,系统效率再提高不容易实现;移相变压器中,6kV 三相6绕组×3(10kV时需12绕组×3)延边三角形接法,在三相电压不平衡(实际上三相电压是不可能绝对平衡的)时,产生的内部环流,必将引起内阻的 增加和电流的损耗,也相应的就造成了变压器的铜损增大。此时,再加上变压器的铁芯的固有损耗,变压器的效率就会降低,也就影响了整个高压变频器的效率。这 种情况在越低于额定负荷运行时,越是显著。10kV时,变压器有近400个接头、近百根电缆。在额定负荷时效率可达96%,但在轻负荷时,效率低于90%。

(2)中性点钳位三电平PWM变频器

该系列变频器采用传统的电压型变频器结构。中性点钳位三电平PWM变频器的逆变部 分采用传统的三电平方式,所以输出波形中会不可避免地产生比较大的谐波分量,这是三电平逆变方式所固有的。因此在变频器的输出侧必须配置输出LC滤波器才 能用于普通的鼠笼型电机。同样由于谐波的原因,电动机的功率因数和效率、甚至寿命都会受到一定的影响,只有在额定工况点才能达到最佳的工作状态,但随着转速的下降,功率因数和效率都会相应降低。

多电平+多重化高压变频器。多电平+多重化高压变频器的本意是想解决高压IGBT的耐压有限的问题,但此种方式,不仅增加了系统的复杂性,而且降低了多重化冗余性能好和三电平结构简单的优点。因此此类变频器实际上并不可取。

此类型变频器的性能价格优势并不大,与其同时采用多电平和多重化两种技术,还不如采用前面提到的高压IGBT的多重化变频器或者三电平变频器。

(3)电流源型高压变频器

功率器件直接串联的电流源型高压变频器是在线路中串联大电感,再将SCR(或GTO、 SGCT等)开关速度较慢的功率器件直接串联而构成的。

这种方式虽然使用功率器件少、易于控制电流,但是没有真正解决高压功率器 件的串联问题。因为即使功率器件出现故障,由于大电感的限流作用,di/dt受到限制,功率器件虽不易损坏,但带来的问题是对电网污染严重、功率因数低。并且电流源型高压变频器对电网电压及电机负载的变化敏感,无法做成真正的通用型产品。

电流源型高压变频器是最早的产品,但凡是电压型变频器到达的地方,它都被迫退出,因为在经济上、技术上,它都明显处于劣势。

3.IGBT直接串联的直接高压变频器

3.1 主电路简介

图1.IGBT直接串联高压变频

如图1所示,图中系统由电网高压直接经高压断路器进入变频器,经过高压二极管全桥整流、直流平波电抗器和电容滤波,再通过 逆变器进行逆变,加上正弦波滤波器,简单易行地实现高压变频输出,直接供给高压电动机。

功率器件IGBT直接串联的二电平电压型 高压变频器是采用变频器已有的成熟技术,应用独特而简单的控制技术成功设计出的一种无输入输出变压器、IGBT直接串联逆变、输出效率达98%的高压调速系统。

对于需要快速制动的场合,采用直流放电制动装置,如图2所示:

图2.具有直流放电制动装置的IGBT直接串联高压变频器主电路图

如果需要四象限运行,以及需要能量回馈的场合,或输入电源侧短路容量较小时,也可采用如图3所示的PWM整流电路,使输入 电流也真正实现完美正弦波。

图3.具备能量回馈和四象限运行的IGBT直接串联高压变频器主电路图

3.2 IGBT直接串联高压变频器25Hz、30Hz、40Hz、50Hz电压、电流输出波形及谐波图:

3.3 核心关键技术

(1)高速功率器件的串联技术

根据查新,世界 各国均未生产出IGBT直接串联的高压变频器。原因正如一些权威人士所言:“IGBT是不能串联的。因为开关时间短,微秒级,很难保证所有管子串联同时开关。否则有的早开,所有的电压都来加在晚开的管子上,那么这个1200V的管子加上6000V,只能烧掉,一烧一串,不可能串联。”

(2)正弦波技术

高压电机对变频器的输出电压波形有严格的要求,是业内人士都知道的常识。解决变频器输出电压波形,从两方面着手:一是优化PWM波形;二是研制出特种滤波器。

过去一些人认为:“三电平的电压波形一定优于二电平,今后就是低压变 频器也应采用三电平。”,这种说法可能不太全面。三电平的总谐波含量可能低于二电平,但由于三电平的11次、13次谐波含量特别高,处理起来特别困难,而二电平只要波形优化得好,60次以下的谐波皆可大大降低。而对60次以上的谐波滤波自然容易得多。人们使用三电平是为避免器件串联的困难,不得已而为之。

(3)抗共模电压技术

仅解决IGBT的串联,并不能甩掉输入变压器。原因在于共模电压的存在。在低压变频器领域,近年来发现的电机轴承损坏,共模电压就是影响之一,在高压变频器的领域中,共模电压更是必须解决的关键问题之一。共模电压(也叫零序电压),是指电动机定子绕组的中心点和地之间的电压。

共模电压也是对外产生干扰的原因,特别是长线传输设备。无论是电流源还是电压源变频器产生共模电压是必然的。技术人员根据共模电压产生的机理,采取了“堵和疏”的办法将共模电压消灭在变频器内部。

由于采用了上述三项核心关键技术,使IGBT直接高 压变频器的效率达到98%以上。输出电压正弦化、共模电压最小化。适用于任何异步电机、同步电机,无需降容使用,几km的长线传输也无问题。对于传输距离 太长时应考虑线路电压补偿。如提高电压或增大导线截面等。

4.系统特点:

(1)电压等级为3kV-10kV;

(2)系统自带专门设计的高压开关柜,与本身高压变频器高效安全配套,并含变/工频切换装 置和电子式真空断路器;

(3)全中文操作界面,基于Windows操作平台,彩色液晶触摸屏,便于就地监控、设定参数、选择功能 和调试;

(3)内置PLC可编程控制器,易于改变和扩展控制逻辑关系;

(4)高压主电路与低压控制电路采 用光纤传输,安全隔离,使得系统抗干扰能力强;

(5)控制电路通讯方式采用全数字化通讯;

(6)系统的 整流单元、逆变单元设计,选用组合模块化积木结构,整机占地面积小、重量轻,便于安装、维护;

(7)装置可在本机上操作,也可实 现远距离外控,具备完善、方便的操作功能选择;

(8)系统具有标准的计算机通讯接口RS232或RS422、RS485,可方便 的与用户DCS系统或工控系统组态建立整个系统的工作站,进一步提高系统的自动化控制程度,实现整个工控系统的全闭环监控,从而获得更加完善的、可靠自动化运行;

(10)具备全面的故障监测、可靠的故障报警保护功能;

(11)输入功率因数高,输出电压谐波 含量小,无需功率因数补偿和谐波抑制器;

(12)输出电压为标准正弦波形,对电缆和电动机的绝缘无损害,减轻电动机的轴承和叶片 等机械部分震动和磨损,延长电动机的使用寿命,输出至电动机的线缆长度可达20km;

(13)采用独特的抗共模电压技术,使系统*模电压≤1000V,无需再提高电动机的绝缘等级,无需专用电机;

(14)易于实现能量回馈和四象限运行;并可直接引出直流 进行直流输电;

(15)对用户的高压异步电动机无任何特殊要求。不但适用于新旧异步电动机,也适用于同步电动机。

5.应用实例:IGBT直接串联高压变频器在 炼铁厂冲渣泵上的应用

5.1 应用概况

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关键字:变频  传动  高压  原理

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0316/article_5657.html
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