大功率變頻器研制論文
時間:2022-02-18 10:12:00
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1國內(nèi)現(xiàn)生產(chǎn)的高壓大功率變頻器的方案及優(yōu)缺點
目前,國內(nèi)生產(chǎn)的高壓大功率變頻器中,以2種方案占主流:一種是功率單元串聯(lián)形成高壓的多重化技術(shù);另一種是采用高壓模塊的三電平結(jié)構(gòu)。而其他的采用高-低-高方案的,由于輸出升壓變壓器技術(shù)難度高,成本高,占地面積大,都已基本被淘汰。因此采用高-高方案是高壓大功率變頻器的主要發(fā)展方向。
而高-高方案又分為多重化技術(shù)(簡稱CSML)和三電平(簡稱NPC)方案,目前有的廠家生產(chǎn)的高壓大功率變頻器是采用的三電平方案,而大多數(shù)廠家則是采用低壓模塊、多單元串聯(lián)的多重化技術(shù)。這2種方案比較,各有優(yōu)缺點,主要表現(xiàn)在:
(1)器件
采用CSML方式,器件數(shù)量較多,但都是低壓器件,不但價格低,而且易購置,更換方便。低壓器件的技術(shù)也較成熟。而NPC方案,采用器件少,但成本高,且購置困難,維修不方便。
(2)均壓問題(包括靜態(tài)均壓和動態(tài)均壓)
均壓是影響高壓變頻器的重要因素。采用NPC方式,當輸出電壓較高時(如6kV),單用單個器件不能滿足耐壓要求,必須采用器件直接串聯(lián),這必然帶來均壓問題,失去三電平結(jié)構(gòu)在均壓方面的優(yōu)勢,系統(tǒng)的可靠性也將受到影響。而采用CSML方案則不存在均壓問題。唯一存在的是當變頻器處于快速制動時,電動機處于發(fā)電制動狀態(tài),導致單元內(nèi)直流母線電壓上升,各單元的直流母線電壓上升程度可能存在差異,通過檢測功率單元直流母線電壓,當任何單元的直流母線電壓超過某一閾值時,自動延長減速時間,以防止直流母線電壓上升,即所謂的過壓失速防止功能。這種技術(shù)在低壓變頻器中被廣泛采用,非常成功。
(3)對電網(wǎng)的諧波污染和功率因數(shù)
由于CSML方式輸入整流電路的脈波數(shù)超過NPC方式,前者在輸入諧波方面的優(yōu)勢很明顯,因此在綜合功率因數(shù)方面也有一定的優(yōu)勢
(4)輸出波形
NPC方式輸出相電壓是三電平,線電壓是五電平。而CSML方式輸出相電壓為11電平,線電壓為21電平(對五單元串聯(lián)而言),而且后者的等效開關頻率大大高于前者,所以后者在輸出波形的質(zhì)量方面也高于前者。
(5)dv/dt
NPC方式的輸出電壓跳變臺階為高壓直流母線電壓的一半,對于6kV輸出變頻器而言,為4kV左右。CSML方式輸出電壓跳變臺階為單元的直流母線電壓,不會超過1kV,所以前者比后者的差距也是很明顯的。
(6)系統(tǒng)效率
就變壓器與逆變電路而言,NPC方式與CSML方式效率非常接近。但由于輸出波形質(zhì)量差異,若采用普通電機,前者必須設置輸出濾波器,后者不必。而濾波器的存在大約會影響效率的0.5%左右。
(7)四象限運行
NPC方式當輸入采用對稱的PWM整流電路時,可以實現(xiàn)四象限運行,可用于軋機、卷揚機等設備;而CSML方式則無法實現(xiàn)四象限運行。只能用于風機、水泵類負載。
(8)冗余設計
NPC方式的冗余設計很難實現(xiàn),而CSML方式可以方便的采用功率單元旁路技術(shù)和冗余功率單元設計方案,大大的有利于提高系統(tǒng)的可靠性。
(9)可維護性
除了可靠性之外,可維護性也是衡量高壓大功率變頻器的優(yōu)劣的一個重要因素,CSML方式采用模塊化設計,更換功率單元時只要拆除3個交流輸入端子和2個交流輸出端子,以及1個光纖插頭,就可以抽出整個單元,十分方便。而NPC方式就不那么方便了。
總之,三電平電壓形變頻器結(jié)構(gòu)簡單,且可作成四象限運行的變頻器,應用范圍寬。如電壓等級較高時,采用器件直接串聯(lián),帶來均壓問題,且存在輸出諧波和dv/dt等問題,一般要設置輸出濾波器,在電網(wǎng)對諧波失真要求較高時,還要設置輸入濾波器。而多重化PWM電壓型變頻器不存在均壓問題,且在輸入諧波及dv/dt等方面有明顯優(yōu)勢。對于普通的風機、水泵類一般不要求四象限運行的場合,CSML變頻器有較廣闊的應用前景。這類變頻器又被國內(nèi)外設計者稱之為完美無諧波變頻器。
我公司的設計人員經(jīng)過多方探討,綜合各種方案的優(yōu)缺點,最后選定了完美無諧波變頻器的CSML方案作為我們的最佳選擇,這就是我們向市場推出的JD-BP37和JD-BP38系列的高壓大功率變頻器。
2變頻器的性能特點
(1)變頻器采用多功率單元串聯(lián)方案,輸出波形失真小,可配接普通交流電機,無須輸出濾波器。
(2)輸入側(cè)采用多重化移相整流技術(shù),電流諧波小,功率因數(shù)高。
(3)控制器與功率單元之間的通信用多路并行光纖實現(xiàn),提高了抗干擾性及可靠性。
(4)控制器中采用一套獨立于高壓源的電源供電系統(tǒng),有利于整機調(diào)試和操作人員的培訓。
(5)采用全中文的Windows彩色液晶顯示觸摸界面。
(6)主電路模塊化設計,安裝、調(diào)試、維護方便。
(7)完整的故障監(jiān)測和報警保護功能。
(8)可選擇現(xiàn)場控制、遠程控制。
(9)內(nèi)置PID調(diào)節(jié)器,可開環(huán)或閉環(huán)運行。
(10)可根據(jù)需要打印輸出運行報表。
3工作原理
3.1基本原理
本變頻器為交-直-交型單元串聯(lián)多電平電壓源變頻調(diào)速器,原理框圖如圖1所示。單元數(shù)的多少視電壓高低而定,本處以每相為8單元,共24單元為例。每個功率單元承受全部的電機電流、1/8的相電壓、1/24的輸出功率。24個單元在變壓器上都有自立獨立的三相輸入繞組。功率單元之間及變壓器二次繞組之間相互絕緣。二次繞組采用延邊三角形接法,目的是實現(xiàn)多重化,降低輸入電流的諧波成分。24個二次繞組分成三相位組,互差為20°,以B相為基準,A相8個單元對應的8個二次繞組超前B相20°,C相8個單元對應的8個二次繞組落后B相20°,形成18脈沖整流電路結(jié)構(gòu)。整機原理圖如圖2所示。
3.2功率單元電路
所有單元都有6支二極管實現(xiàn)三相全波整流,有4個IGBT管構(gòu)成單相逆變電路。功率單元的主電路如圖3所示,4個IGBT管分別用T1、T2、T3、T4表示,它們的門極電壓分別是UG1、UG2、UG3、UG4、
個功率單元的輸出都是一樣的PWM波。功率單元輸出波形如圖4所示。逆變器采用多電平移相PWM技術(shù)。同一相的功率單元輸出完全相同的基準電壓(同幅度、同頻率、同相位)。多個單元迭加后的輸出波形如圖5所示。
4.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制
(1)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
整個系統(tǒng)有隔離變壓器、3個變頻柜和1個控制柜組成,參見圖6。
圖
a)隔離變壓器
原邊為星形接法,副邊共有24個獨立的三相繞組,為了適應現(xiàn)場的電網(wǎng)情況,變壓器原邊留有抽頭
b)變頻柜
A、B、C三相分裝在3個柜內(nèi),可分別稱為A柜、B柜、C柜
c)控制柜
柜內(nèi)裝有控制系統(tǒng),柜前板上裝有控制面板、控制接線排等。由于電壓等級和容量的不同,不同機型的單元的數(shù)量不同,面板的布置也會有些不同。
4.4系統(tǒng)控制
整機控制系統(tǒng)有16位單片機擔任主控,24個功率單元都有一個自己的輔助CPU,由8位單片機擔任,此外還有一個CPU,也是8位單片機,負責管理鍵盤和顯示屏。
(1)利用三次諧波補償技術(shù)提高了電源電壓利用率。
(2)控制器有一套獨立于高壓電源的供電體系,在不加高壓的情況下,設備各點的波形與加高壓情況相同,這給整機可靠性、調(diào)試帶來了很大方便。
(3)系統(tǒng)采用了先進的載波移相技術(shù),它的特點是單元輸出的基波相迭加、諧波彼此相抵消。所以串聯(lián)后的總輸出波形失真特別小。
4
本公司分別于2002年8月、10月和2003年3月、4月分別在山東萊蕪鋼鐵股份有限公司煉鐵廠、遼河油田錦州采油廠、浙江永盛化纖有限公司應用了本公司生產(chǎn)的高壓大功率變頻器JD-BP37-630F2臺、JD-BP38-355、JD-BP37-550F各1臺。從運行情況看:
(1)變頻器結(jié)構(gòu)緊湊,安裝簡單
由于變頻器所有部分都裝在柜里,不需要另外的電抗器、濾波器、補償電容、啟動設備等一系列其他裝置,所以體積小,結(jié)構(gòu)緊湊,安裝簡單,現(xiàn)場配線少,調(diào)試方便。
(2)電機及機組運行平穩(wěn),各項指標滿足工藝要求。
由變頻器拖動的電機均為三相普通的異步電動機,在整個運行范圍內(nèi),電機始終運行平穩(wěn),溫升正常。風機啟動時的噪音及啟動電流很小,無任何異常震動和噪音。在調(diào)速范圍內(nèi),軸瓦的最高溫升均在允許的范圍內(nèi)。
(3)變頻器三相輸出波形完美,非常接近正弦波。
經(jīng)現(xiàn)場測試,變頻器的三相輸出電壓波形、電流波形非常標準,說明變頻器完全可以控制一般的普通電動機運行,對電機無特殊要求。
(4)變頻器運行情況穩(wěn)定,性能良好。
該設備投運以來,變頻器運行一直十分穩(wěn)定。設備運行過程中,我公司技術(shù)人員對變頻器輸入變壓器的溫升,功率單元溫升定期巡檢,完全正常。輸出電壓及電流波形正弦度很好,諧波含量極少,效率均高于97%,優(yōu)于同類進口設備。
(5)運行工況改善,工人勞動強度降低。
變頻器可隨著生產(chǎn)的需要自動調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速,達到最佳效果,工人工作強度大大降低。
(6)變頻器操作簡單,易于掌握及維護。
變頻器的起停,改變運行頻率等操作簡便,操作人員經(jīng)過半個小時培訓就可以全面掌握。另外,變頻器各種功能齊全,十分完善,提高了設備可靠性,而且節(jié)電效果明顯。以山東萊鋼股份有限公司應用的JD-BP37-630F變頻器為例,該系統(tǒng)生產(chǎn)周期大約為1h,出鐵時間為20min,間隔約40min,系統(tǒng)配置電機的額定電流為80A,根據(jù)運行情況,及其它生產(chǎn)線的實際運行情況,預計該電機運行電流應在60A,以變頻器上限運行頻率45HZ時,電流為45A,間隔時間運行頻率20HZ時,電流為20A。根據(jù)公式測算節(jié)能效果達到42.7%。
5結(jié)束語
從這幾臺這幾個月的運行情況看,我公司自行研制生產(chǎn)的高壓大功率變頻器,運行穩(wěn)定可靠,節(jié)能效果顯著,改善了工作人員的工作環(huán)境,降低了值班人員的勞動強度。變頻器對電機保護功能齊全,減少了維修費用,延長了電機及風機的使用壽命,給用戶帶來了顯著的經(jīng)濟效益,深得用戶好評。據(jù)專家估計我們國家6kV以上的高壓大功率電機約有3萬多臺,約合650萬kW,因此,高壓大功率變頻器的市場是極其廣闊的。
參考文獻
[1]徐甫榮.大功率風機水泵調(diào)速節(jié)能運行的技術(shù)經(jīng)濟分析[J].變頻器世界,2001,(8).
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