高壓大功率變頻器研究論文_優(yōu)秀論文

1、 高壓大功率變頻器研究論文1引言山東風光電子有限公司是在多年研制中低壓變頻器的基礎上, 綜合了國內(nèi)外高壓大功率變頻器的多種方案的優(yōu)缺點, 采用最優(yōu)方案研制成功的, 并于2002年12月通過了省級科技成果及產(chǎn)品鑒定, 成為國內(nèi)生產(chǎn)高壓大功率變頻器的為數(shù)較少的幾個企業(yè)之一。2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

2、。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),

3、 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

4、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/dtNPC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。

5、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

6、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

7、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。3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

8、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。4工作原理4.1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

9、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。4.2功率單元電路圖1方案原理框圖圖2整機原理圖（為了簡明, 圖中僅畫了18單元）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、每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)

10、有隔離變壓器、3個變頻柜和1個控制柜組成, 參見圖6。圖3功率單元主回路圖4單元電路波形圖圖56個單元輸出迭加后的波形圖6系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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

11、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。5現(xiàn)場應用本公司分別于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。

12、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

13、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%。6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