高壓變頻器設計原理 - 全文

1.引言

　　電機是工業(yè)生產中主要的耗電設備，高壓大功率電動機的應用更為突出，而這些設備大部分都存在很大的節(jié)能潛力。所以大力發(fā)展高壓大功率變頻調速技術具有時代的必要性和迫切性。

　2.幾種常用高壓變頻器的主電路分析

　　(1)單元串聯(lián)多重化電壓源型高壓變頻器

　　單元串聯(lián)多重化電壓源型高壓變頻器利用低壓單相變頻器串聯(lián)，彌補功率器件IGBT的耐壓能力的不足。所謂多重化，就是每相由幾個低壓功率單元串聯(lián)組成，各功率單元由一個多繞組的移相隔離變壓器供電，用高速微處理器實現(xiàn)控制和以光導纖維隔離驅動。但其存在以下缺點：

　　a) 使用的功率單元及功率器件數(shù)量太多，6kV系統(tǒng)要使用150只功率器件(90只二極管，60只IGBT)，裝 置的體積太大，重量大，安裝位置和基建投資成問題;

　　b)所需高壓電纜太多，系統(tǒng)的內阻無形中增大，接線太多，故障點相應的增多;

　　c) 一個單元損壞時，單元可旁路，但此時輸出電壓不平衡中心點的電壓是浮動的，造成電壓、電流不平衡，從而諧波也相應的增大，勉強運行時終 究會導致電動機的損壞;

　　d)輸出電壓波形在額定負載時尚好，低于25Hz以下畸變突出;

　　d)輸出電壓波 形在額定負載時尚好，低于25Hz以下畸變突出;

　　e)由于系統(tǒng)中存在著變壓器，系統(tǒng)效率再提高不容易實現(xiàn);移相變壓器中，6kV 三相6繞組×3(10kV時需12繞組×3)延邊三角形接法，在三相電壓不平衡(實際上三相電壓是不可能絕對平衡的)時，產生的內部環(huán)流，必將引起內阻的 增加和電流的損耗，也相應的就造成了變壓器的銅損增大。此時，再加上變壓器的鐵芯的固有損耗，變壓器的效率就會降低，也就影響了整個高壓變頻器的效率。這 種情況在越低于額定負荷運行時，越是顯著。10kV時，變壓器有近400個接頭、近百根電纜。在額定負荷時效率可達96%，但在輕負荷時，效率低于 90%。

　　(2)中性點鉗位三電平PWM變頻器

　　該系列變頻器采用傳統(tǒng)的電壓型變頻器結構。中性點鉗位三電平PWM變頻器的逆變部 分采用傳統(tǒng)的三電平方式，所以輸出波形中會不可避免地產生比較大的諧波分量，這是三電平逆變方式所固有的。因此在變頻器的輸出側必須配置輸出LC濾波器才 能用于普通的鼠籠型電機。同樣由于諧波的原因，電動機的功率因數(shù)和效率、甚至壽命都會受到一定的影響，只有在額定工況點才能達到最佳的工作狀態(tài)，但隨著轉速的下降，功率因數(shù)和效率都會相應降低。

　　多電平+多重化高壓變頻器。多電平+多重化高壓變頻器的本意是想解決高壓IGBT的耐壓有限的問題，但此種方式，不僅增加了系統(tǒng)的復雜性，而且降低了多重化冗余性能好和三電平結構簡單的優(yōu)點。因此此類變頻器實際上并不可取。

　　此類型變頻器的性能價格優(yōu)勢并不大，與其同時采用多電平和多重化兩種技術，還不如采用前面提到的高壓IGBT的多重化變頻器或者三電平變頻器。

　　(3)電流源型高壓變頻器

　　功率器件直接串聯(lián)的電流源型高壓變頻器是在線路中串聯(lián)大電感，再將SCR(或GTO、 SGCT等)開關速度較慢的功率器件直接串聯(lián)而構成的。

　　這種方式雖然使用功率器件少、易于控制電流，但是沒有真正解決高壓功率器 件的串聯(lián)問題。因為即使功率器件出現(xiàn)故障，由于大電感的限流作用，di/dt受到限制，功率器件雖不易損壞，但帶來的問題是對電網污染嚴重、功率因數(shù)低。并且電流源型高壓變頻器對電網電壓及電機負載的變化敏感，無法做成真正的通用型產品。

　　電流源型高壓變頻器是最早的產品，但凡是電壓型變頻器到達的地方，它都被迫退出，因為在經濟上、技術上，它都明顯處于劣勢。

　　3.IGBT直接串聯(lián)的直接高壓變頻器

　　3.1 主電路簡介

　　
圖1.IGBT直接串聯(lián)高壓變頻

　　如圖1所示，圖中系統(tǒng)由電網高壓直接經高壓斷路器進入變頻器，經過高壓二極管全橋整流、直流平波電抗器和電容濾波，再通過 逆變器進行逆變，加上正弦波濾波器，簡單易行地實現(xiàn)高壓變頻輸出，直接供給高壓電動機。

　　功率器件IGBT直接串聯(lián)的二電平電壓型 高壓變頻器是采用變頻器已有的成熟技術，應用獨特而簡單的控制技術成功設計出的一種無輸入輸出變壓器、IGBT直接串聯(lián)逆變、輸出效率達98%的高壓調速系統(tǒng)。對于需要快速制動的場合，采用直流放電制動裝置，如圖2所示：

　　
圖2.具有直流放電制動裝置的IGBT直接串聯(lián)高壓變頻器主電路圖

　　如果需要四象限運行，以及需要能量回饋的場合，或輸入電源側短路容量較小時，也可采用如圖3所示的PWM整流電路，使輸入 電流也真正實現(xiàn)完美正弦波。

　　
圖3.具備能量回饋和四象限運行的IGBT直接串聯(lián)高壓變頻器主電路圖

　　3.2 IGBT直接串聯(lián)高壓變頻器25Hz、30Hz、40Hz、50Hz電壓、電流輸出波形及諧波圖：

　3.3 核心關鍵技術

　　(1)高速功率器件的串聯(lián)技術

　　根據(jù)查新，世界 各國均未生產出IGBT直接串聯(lián)的高壓變頻器。原因正如一些權威人士所言:“IGBT是不能串聯(lián)的。因為開關時間短，微秒級，很難保證所有管子串聯(lián)同時開關。否則有的早開，所有的電壓都來加在晚開的管子上，那么這個1200V的管子加上6000V，只能燒掉，一燒一串，不可能串聯(lián)?！?/p>

　　(2) 正弦波技術

　　高壓電機對變頻器的輸出電壓波形有嚴格的要求，是業(yè)內人士都知道的常識。解決變頻器輸出電壓波形，從兩方面著手:一是優(yōu)化 PWM波形;二是研制出特種濾波器。

　　過去一些人認為:“三電平的電壓波形一定優(yōu)于二電平，今后就是低壓變 頻器也應采用三電平?！保@種說法可能不太全面。三電平的總諧波含量可能低于二電平，但由于三電平的11次、13次諧波含量特別高，處理起來特別困難，而二電平只要波形優(yōu)化得好，60次以下的諧波皆可大大降低。而對60次以上的諧波濾波自然容易得多。人們使用三電平是為避免器件串聯(lián)的困難，不得已而為之。

　　(3) 抗共模電壓技術

　　僅解決IGBT的串聯(lián)，并不能甩掉輸入變壓器。原因在于共模電壓的存在。在低壓變頻器領域，近年來發(fā)現(xiàn)的電機軸承損壞，共模電壓就是影響之一，在高壓變頻器的領域中，共模電壓更是必須解決的關鍵問題之一。共模電壓(也叫零序電壓)，是指電動機定子繞組的中心點和地之間的電壓。

　　共模電壓也是對外產生干擾的原因，特別是長線傳輸設備。無論是電流源還是電壓源變頻器產生共模電壓是必然的。技術人員根據(jù)共模電壓產生的機理，采取了“堵和疏”的辦法將共模電壓消滅在變頻器內部。

　　由于采用了上述三項核心關鍵技術，使IGBT直接高 壓變頻器的效率達到98%以上。輸出電壓正弦化、共模電壓最小化。適用于任何異步電機、同步電機，無需降容使用，幾km的長線傳輸也無問題。對于傳輸距離 太長時應考慮線路電壓補償。如提高電壓或增大導線截面等。

　　4 系統(tǒng)特點：

　　(1)電壓等級為3kV-10kV;

　　(2)系統(tǒng)自帶專門設計的高壓開關柜，與本身高壓變頻器高效安全配套，并含變/工頻切換裝 置和電子式真空斷路器;

　　(3)全中文操作界面，基于 Windows操作平臺，彩色液晶觸摸屏，便于就地監(jiān)控、設定參數(shù)、選擇功能和調試;

　　(3)內置PLC可編程控制器，易于改變和擴展控制邏輯關系;

　　(4)高壓主電路與低壓控制電路采 用光纖傳輸，安全隔離，使得系統(tǒng)抗干擾能力強;

　　(5)控制電路通訊方式采用全數(shù)字化通訊;

　　(6)系統(tǒng)的 整流單元、逆變單元設計，選用組合模塊化積木結構，整機占地面積小、重量輕，便于安裝、維護;

　　(7)裝置可在本機上操作，也可實 現(xiàn)遠距離外控，具備完善、方便的操作功能選擇;

　　(8)系統(tǒng)具有標準的計算機通訊接口RS232或 RS422、RS485，可方便 的與用戶DCS系統(tǒng)或工控系統(tǒng)組態(tài)建立整個系統(tǒng)的工作站，進一步提高系統(tǒng)的自動化控制程度，實現(xiàn)整個工控系統(tǒng)的全閉環(huán)監(jiān)控，從而獲得更加完善的、可靠自動化運行;

　　(10)具備全面的故障監(jiān)測、可靠的故障報警保護功能;

　　(11)輸入功率因數(shù)高，輸出電壓諧波 含量小，無需功率因數(shù)補償和諧波抑制器;

　　(12)輸出電壓為標準正弦波形，對電纜和電動機的絕緣無損害，減輕電動機的軸承和葉片 等機械部分震動和磨損，延長電動機的使用壽命，輸出至電動機的線纜長度可達20km;

　　(13)采用獨特的抗共模電壓技術，使系統(tǒng)*模電壓 ≤1000V，無需再提高電動機的絕緣等級，無需專用電機;

　　(14)易于實現(xiàn)能量回饋和四象限運行;并可直接引出直流 進行直流輸電;

　　(15)對用戶的高壓異步電動機無任何特殊要求。不但適用于新舊異步電動機，也適用于同步電動機。

　　5.應用實例

　　IGBT直接串聯(lián)高壓變頻器在 煉鐵廠沖渣泵上的應用

　　5.1 應用概況

　　永峰鋼廠是萊鋼集團公司的一個主要生產廠，負責公司所需鐵水和鐵塊冶煉。高爐冶煉鐵水過程中產生大量的熔渣，通常是用大流量的中壓水將其降溫并 沖散，同時輸送到水渣池回收，作為煉鐵生產的副產品。高爐生產是不間斷的，一般情況下每天出鐵15次，在高爐出鐵前、后各放一次渣，兩次出渣時間約 30min，在此時間內要求水沖渣系統(tǒng)的水泵滿負荷工作，其余時間水泵只需保持約30%水流量防止管道堵塞即可。4#-高爐使用ZGB-300型沖渣泵，原系統(tǒng)運行時，起動前管道進出水閥門關閉，起動后閥門開度約90%，機組全速運行，電網電壓6300V，電機運行電流33A，功率因數(shù)81.6%，耗電功率294kW。不需沖渣水時通過調節(jié)閥門在30%來調節(jié)水流量(此時電機電流25A)，耗電功率214kW，一方面導致大量的節(jié)能損失，另一方面頻繁操作閥門，致使其使用壽命大大降低，增加了停產更換閥門的時間，為此公司決定對4#高爐沖渣泵進行改造。

　　5.2 改造方案

　　由電機轉速公式n=60f×(1-s)/p可知:只要改變電機的頻率f，就可以實現(xiàn)電機的轉速調節(jié)，高電壓大功率變頻器通過控制IGBT(絕緣柵雙極型電力場效應管)的導通和關斷，使輸出頻率連續(xù)可調。而且是隨著頻率的變化，輸出電流、電壓、功率都將發(fā)生變化，即負荷大時轉速大， 輸出功率大，負荷小時轉速小，輸出功率也小。

　　由流體力學：：Q′=Q(n′/n) 、H′=H(n′/n)2 、P′=P(n′/n)3 可知: 當泵機低于額定轉速時節(jié)電為：E=〔1-(n′/n)3〕×P×T(kWh)

　　可見，通過變頻改造，沖渣泵流量Q、壓力H及軸功率P都將發(fā)生較大的改 變，不但節(jié)能而且大大提高了設備運行性能。根據(jù)沖渣泵的實際特性對其進行了具體改造，沖渣泵在沖渣時工作在49.5Hz，在不沖渣時工作在25Hz，考慮 到工藝對調速精度要求不是很高，本系統(tǒng)只采用開環(huán)控制并在高爐值班室操作，需沖渣時給調節(jié)系統(tǒng)一個“1”的信號，電機高速運行，不需沖渣時將此信號取消，電機低速運行，取得了很好的節(jié)能效果。

　　5.3 改造后的系統(tǒng)實際運行狀況

　　根據(jù)18個月的運行，經過反復多種測試各運行參數(shù)一直正常，變頻器質量性能良好，安全可靠，各項指標均達到了設計要求.

　　(1)諧波抑制效果良好。電壓諧波含量小于3%，符合 IEEE519-1992和GB/T14549-93標準。

　　(2)各種保護功能完善。過流、過壓、欠壓、故障保 護等功能可靠，并且考慮了外部電網的防雷擊等多環(huán)節(jié)保護功能。

　　(3)各種指示功能完備。具有輸入、輸出電流和電壓、運行頻率、故障顯示、運行狀態(tài)指示等功能。

　　(4)操作簡便。同普通的低壓變頻器的功能操作方式相似，功能設置和調整簡單方便。

　　5.4 改造效益

　　機組49.5Hz運行和無變頻器運行相比可節(jié)省功率ΔP1=P50-P49.5=80kW;

　　機組25Hz運行和無變頻器運行相比可節(jié)省功率ΔP2=214kW-P25=132kW;

　　年節(jié)電量:ΔW= (H1ΔP1+H2ΔP2)=365(7.5×80+16.5×132)=1013970kWh;

　　(注:每年按365天 計H1:沖渣時間=15×30/60=7.5小時;H2:不沖渣時間=24-7.5=16.5小時);

　　經濟效益:ΔW電價=1013970×0.56=567823元(注:萊鋼廠工業(yè)電價0.56元/kWh);

　　實現(xiàn)電機軟起動功能，延長了電機壽命，大大減少了沖渣泵故障發(fā)生率;

　　提高了自動化水平，節(jié)約了大量工業(yè)用水;

　　由上述可知，綜合經濟效益每年可達60多萬元，一年即可全部收回成本。

　　5.5 結論

　　通過對沖渣泵系統(tǒng)的變頻調速的技術改造，經過較長時間的運行檢驗，證明該產品性能可靠、功能齊全、技術先進，說明國內自主開發(fā)的高壓變頻器在技術上已經處于世界先進水平，在高壓變頻改造領域具有極大的推廣價值。

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