中壓變頻器及應用綜述

中壓變頻器及應用綜述

1引言

變頻器正向著低噪聲、高性能、高可靠性方向發(fā)展，通用變頻器以其調(diào)速范圍寬、調(diào)速精度高、動態(tài)響應快、效率高及操作方便等優(yōu)點，在節(jié)約能源，控制工業(yè)生產(chǎn)過程，提高企業(yè)自動化生產(chǎn)水平等方面取得了良好的效果。隨著通用變頻器的廣泛應用，中壓變頻器正在得到推廣和應用。中壓變頻調(diào)速有多種方案，如中—低—中方案，中—低方案及中—中方案等，用戶應結(jié)合本身中壓電機負載的情況選擇性能價格比最優(yōu)的方案。本文就目前中壓變頻器的最新進展及應用發(fā)表一些看法供參考。

2中壓變頻器產(chǎn)品及概況

（1）西門子公司

西門子公司傳動產(chǎn)品系列齊全，覆蓋所有的應用領(lǐng)域，包括電流源型、電壓源型和公共直流母線型。在中壓變頻器應用領(lǐng)域，西門子公司采用中—低—中方案較好地解決了(300～630)kW/6kV電機的調(diào)速問題，即在通用變頻器的輸入側(cè)加一個降壓變壓器，在輸出側(cè)加一個升壓變壓器組成中壓變頻器驅(qū)動系統(tǒng)，其主要特點是可靠性高，價格較低，考慮到變頻器輸出含有高次諧波和直流分量，輸出升壓變壓器需特殊設(shè)計。若將中壓6kV電機改為690V或3300V電機，則只用降壓變壓器、變頻器組成變頻器驅(qū)動系統(tǒng)，即所謂中—低方案。中壓變頻器可用于新工程項目和技改項目，在新工程項目中，可根據(jù)工藝要求對電機、變頻器驅(qū)動系統(tǒng)做出合理的選擇，而在技改項目中，可將6kV電機改為3300V或更低電壓等級的電機，雖增加了費用和工作量，但卻使得電機、變頻器驅(qū)動系統(tǒng)更加合理，中—低方案不僅解決了風機、泵等變轉(zhuǎn)矩負載的調(diào)速問題，而且對于具有較高起動轉(zhuǎn)矩和加速轉(zhuǎn)矩的負載（如擠壓機、提升機等轉(zhuǎn)矩負載）也提供了較好的解決方案。為配套方便，西門子公司已在國內(nèi)提供3300V、690V中低壓電機。以下就西門子公司推出的采用高壓IGBT、三電平技術(shù)的直接高壓中壓變頻器做一介紹。

SIMOVERTMV中壓變頻器采用具有優(yōu)秀性能的矢量轉(zhuǎn)換磁場定向控制原理，其具有極高的動態(tài)性能、極佳的轉(zhuǎn)矩質(zhì)量和完美的控制特性，采用高壓IGBT具有可靠性高、驅(qū)動簡單、觸發(fā)功率低、不需要緩沖電路的特點，采用三電平技術(shù)降低對電機的沖擊。圖1為MV系統(tǒng)原理圖。

MV系列中壓變頻器保持了西門子低壓變頻器模塊化結(jié)構(gòu)的特點，其輸入變壓器為三繞組，采用AFE有源前端的MV變頻器可用于弱電網(wǎng)，具有動能儲備電源、飛車再起動電源和自動再起動功能。額定電機電壓為2?3kV，3?3kV，4?16kV及6kV等規(guī)格。

（2）美國A?B公司

A?B公司中壓變頻器為Bulletin1557系列，控制方式采用無速度傳感器直接矢量控制，電機轉(zhuǎn)矩可快速變化而不影響磁通，運行效果近似直流傳動裝置。電路結(jié)構(gòu)為交—直—交電流源型，采用功率器件為GTO，綜合了脈寬調(diào)制技術(shù)和電流源功率結(jié)構(gòu)的優(yōu)點；其諧波符合IEEE519?1992，A?B可提供幾種方案以滿足諧波抑制的要求，如標準的12脈沖或18脈沖整流器，標準的諧波濾波器或功率因數(shù)補償器及PWM整流器等。圖2為18脈沖整流器結(jié)構(gòu)的Bulletin1557變頻器。

圖1MV系統(tǒng)原理圖

圖218脈沖結(jié)構(gòu)的Bulletin1557變頻器

圖3ACS1000的結(jié)構(gòu)原理圖

圖4PMT?F500的結(jié)構(gòu)原理圖

A?B公司于近期推出新一代的中壓變頻器Power

Flex7000，具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單的特點，采用SGCT?對稱門極換流晶閘管、電流源?PWM技術(shù)、直接矢量控制技術(shù)加上其固有的能量再生能力、制動及加減速性能好，且使用簡單。

（3）ABB公司

ABB中壓變頻器為ACS1000系列，以IGCT為主要開關(guān)器件、采用直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)、三電平技術(shù)。IGCT是關(guān)斷增益為1的GTO，為解決GTO關(guān)斷過程中眾多小陰極單元的非均勻關(guān)斷和陰極電流收縮效應，將GTO門極驅(qū)動器與GTO集成為一個組件，使GTO的負門極在1μs內(nèi)上升到陽極電流的幅值，這是IGCT的基本原理。直接轉(zhuǎn)矩控制是1985年后與矢量控制技術(shù)并行發(fā)展的交流調(diào)速控制技術(shù)，在DTC中，定子磁通和轉(zhuǎn)矩被作為主要的控制變量。目前ACS1000的功率范圍為315kW～5000kW，輸出電壓為2?3kV，3?3kV及4?16kV等，IGCT在大功率中壓變頻器中具有一定的優(yōu)勢。圖3為ACS1000的結(jié)構(gòu)原理圖。

（4）日本三菱電機

三菱電機新近開發(fā)的適用于平方轉(zhuǎn)矩負載的中壓變頻器PMT?F500HV系列，采用單元串聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)，輸入側(cè)采用24相整流方式抑制高次諧波對電網(wǎng)的干擾，在整個調(diào)速范圍可達到0?95的功率因數(shù)，圖4為PMT?F500HV的結(jié)構(gòu)原理圖。

（5）美國羅賓康公司

羅賓康公司中壓變頻器是由多個低壓功率單元串聯(lián)疊加實現(xiàn)高壓輸出，其各個功率單元由一體化的輸入隔離變壓器的副邊線圈分別供電，副邊線圈在繞制時相互間存在一個小的相位差，以消除各單元產(chǎn)生的大多數(shù)諧波電流，每個功率單元采用低壓IGBT構(gòu)成的三相輸入，單相輸出的PWM變頻器，輸出0～480V可調(diào)電壓和0～120Hz可調(diào)頻率的變頻器，采用多電平的脈寬調(diào)制技術(shù)，輸出的電壓波形接近正弦波。

3中壓變頻器的方案選擇

中壓變頻器的應用正在逐步推廣，其在節(jié)能和提高企業(yè)自動化水平方面發(fā)揮了重要作用，有些需調(diào)速的中壓電機是生產(chǎn)過程的關(guān)鍵設(shè)備，由于其投資較大，因此要對中壓變頻器及負載情況做綜合的分析和比較再做選擇。近年來，在中壓變頻器的應用過程中，也出現(xiàn)了一些值得注意的問題：如在中—低—中方案中，沒有合理處理變頻器輸出含有高次諧波及直流分量問題，導致設(shè)備運行不理想；有些中壓電機為恒轉(zhuǎn)矩負載，或較高的起動轉(zhuǎn)矩和加速轉(zhuǎn)矩，并非所有的中壓變頻器都能適用，由于選擇不當造成設(shè)備長期處于故障狀態(tài)，既影響生產(chǎn)也造成投資浪費，這方面也有教訓：無論在新的工程項目還是在技改項目中采用中壓變頻器時應綜合考慮供貨商的技術(shù)方案、解決工程問題的能力、售后服務質(zhì)量等，在選擇時應做較長期的考慮，要考慮幾年后的發(fā)展，因設(shè)備的運行是長期的。從近二十年低壓變頻器的應用和實踐可以得出結(jié)論，銷售業(yè)績好的公司都十分重視售后服務，都建立了24小時服務體系。

隨著高壓IGBT、IGCT等電力電子器件的開發(fā)和應用，中壓變頻器也得到了迅速發(fā)展。新器件的采用將使中壓變頻器的結(jié)構(gòu)更加簡單可靠。對于6kV中壓電機，有直接采用高壓變頻器的，如西門子MV系列中壓變頻器，已在國內(nèi)取得眾多的業(yè)績。由于國內(nèi)供配電與國外的差異，用戶應根據(jù)具體負載情況選擇最佳方案以獲得最佳的經(jīng)濟效益。在6kV中壓電機的變頻器改造過程中，可將Y接起動的6kV電機改為Δ接法，電壓由6kV降為3?47kV，這和國際上通行的3?3kV中壓變頻器接近，其綜合了負載實際情況和電壓源型變頻器對原有電機絕緣等級的要求，可獲得合理的性能價格比；若將6kV電機改成較低的中壓如2?13kV、3?3kV、4?16kV或低壓如690V而選擇對應的中、低壓變頻器，這也是較為經(jīng)濟的方案，因國外廠商在這方面已有多年的應用經(jīng)驗和業(yè)績并且是標準產(chǎn)品，成本較低。為滿足國內(nèi)用戶的要求，西門子公司將在國內(nèi)生產(chǎn)多種規(guī)格的中低壓電機以適應驅(qū)動系統(tǒng)的配套，這些方案將適合于同步電機和異步電機的各種負載情況。

4結(jié)論

采用高壓IGBT開發(fā)的中壓變頻器以其動態(tài)性能好、可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單而獲得了大量應用，高壓IGBT、IGCT的開發(fā)和應用將使中壓變頻器獲得更好的性能價格比。西門子公司采用高壓IGBT、三電平技術(shù)開發(fā)的SIMOVERTMV電壓源型中壓變頻器可滿足各類中壓電機負載的要求。為降低成本，獲得更高的動態(tài)性能和可靠性，6kV中壓電機變頻驅(qū)動系統(tǒng)改造有多種方案可供選擇。中壓變頻器的研制、開發(fā)和應用應結(jié)合國內(nèi)外供配電的實際情況，緊跟電力電子器件如高壓IGBT、IGCT開發(fā)及應用、微電子技術(shù)和控制理論的發(fā)展等，從而無論在開發(fā)還是在應用過程中都能獲得最優(yōu)效果。