基于集成門極換流晶閘管器件實(shí)現(xiàn)兩電平變頻器的設(shè)計(jì)

引言

在國際能源緊缺、全球氣候變暖的嚴(yán)峻形勢下，減少能源消耗、減少溫室氣體大量排放成為當(dāng)務(wù)之急。實(shí)踐證明，對一定工況下的工業(yè)電動機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速是一種行之有效的節(jié)能方式。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國僅待調(diào)速節(jié)能的風(fēng)機(jī)就有4000多萬臺，年耗電約1 5oo億kW·h，節(jié)能潛力達(dá)450億kW·h／年，節(jié)能潛力巨大。

節(jié)能效果顯著的高壓變頻器早期之所以推廣速度緩慢，一方面是因?yàn)橐淮涡酝度胼^大且一些產(chǎn)品可靠性不高，另一方面是因?yàn)閼?yīng)用變頻器以后會帶來一些新的問題，如電網(wǎng)諧波污染、電機(jī)諧波損耗發(fā)熱及電機(jī)絕緣老化等。隨著國家對節(jié)能減排的重視和變頻器技術(shù)的發(fā)展，高性價(jià)比高壓變頻器的應(yīng)用越來越多普通變頻器往往具有較高的di／dt和du／dt電應(yīng)力，電路輸出含有較高的諧波，而通過采用合理的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可有效地降低其di／dt和du／dt，通過采用合理的控制算法可降低其諧波輸出，從而在大大提高變頻器本身可靠性的同時(shí)降低對電網(wǎng)的諧波污染。而基于IGGT器件的兩電平高變頻器產(chǎn)品，輸出諧波含量小于2％，效率高達(dá)98％。

1 變頻器技術(shù)介紹

普通級聯(lián)高壓變頻器主回路拓?fù)浜凸β蕟卧獌?nèi)部電路分別如圖1、圖2所示，基于IGCT器件的兩電平變頻器主電路拓?fù)淙鐖D3所示。

由圖3可知，兩電平高壓（6 kv）變頻器串聯(lián)后的單個(gè)功率管要承受的額定電壓為6000×√2÷≈32800（v），最大運(yùn)行電壓達(dá)到2 800×1．15×1．08≈3500（v）（考慮過電壓15％和變壓器阻抗8％），這對單管吸收回路及其控制提出了很高的要求。由圖1、圖2可知，級聯(lián)產(chǎn)品每個(gè)功率管需要承受的額定電壓為6000÷√3×√2÷5×1．15×1．08 ≈1 200（V）。因此，兩電平拓?fù)涓邏鹤冾l器的實(shí)現(xiàn)難度要比級聯(lián)式變頻器高得多。該兩電平高壓（6 kV）變頻器具有如下特點(diǎn)：

（1）級聯(lián)式變頻器需要150只功率管，而兩電平變頻器只需要36只功率管，因此，兩電平變頻器的故障幾率可以大大降低，可靠性得到極大提高；

（2）級聯(lián)式變頻器的變壓器出線達(dá)45根，而兩電平變頻器出線僅9根，使故障概率明顯減??；

（3）級聯(lián)式變頻器不允許將電機(jī)放到離變頻器過遠(yuǎn)的地方，以防止機(jī)端反激等原因造成變頻器異常保護(hù)甚至變頻器和電機(jī)損壞，而兩電平變頻器具有Lc濾波環(huán)節(jié)，輸出電纜中不存在大的du／dt，不存在機(jī)端反激現(xiàn)象，因而不存在這樣的限制；

（4）在能量流方面，兩電平變頻器只需將整流電路稍加改造即可實(shí)現(xiàn)4象限運(yùn)行，這是當(dāng)前的級聯(lián)式變頻器技術(shù)所做不到的；

（5）兩電平變頻器中采用高壓金屬膜電容器而不采用電解電容器，使整機(jī)壽命可達(dá)10年以上，這也是級聯(lián)式變頻器很難實(shí)現(xiàn)的。

2 基于IGCT器件的兩電平技術(shù)介紹

圖3是兩電平高壓變頻器的主電路拓?fù)?，逆變部分使用了高耐壓、大電流的功率開關(guān)器件IGCT，其內(nèi)部集成有反并聯(lián)續(xù)流二極管；為了減小對電網(wǎng)的沖擊，整流電路采用18脈沖二極管整流結(jié)構(gòu)。其核心技術(shù)為特定消諧技術(shù)、Lc濾波技術(shù)及多IGCT串聯(lián)均壓技術(shù)等。

在設(shè)計(jì)中，將特定消諧技術(shù)和LC濾波技術(shù)進(jìn)行了完美結(jié)合，取得了較為理想的效果。試驗(yàn)測得兩電平高壓變頻器輸出電壓和電流波形如圖4所示，其中幾乎沒有諧波和大的du／dt存在，這對電機(jī)絕緣沒有任何損傷；同時(shí)，將濾波電容中點(diǎn)接地可以消除共模電壓（即消除電機(jī)軸向電壓），使電機(jī)使用壽命不受影響。

基于IGCT器件的兩電平高壓變頻器的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于多個(gè)串聯(lián)功率管的動態(tài)均壓。經(jīng)過嚴(yán)格計(jì)算、精確仿真和反復(fù)試驗(yàn)改進(jìn)，得到了額定電流條件下功率管關(guān)斷均壓實(shí)測波形，如圖5所示。圖5中第2峰值電壓分別為3525V，3360V和3240V，此處3只功率管的電壓與電壓平均值的偏差均小于5％，達(dá)到了很好的均壓效果。

動態(tài)均壓電路如圖6所示，該電路在帶來良好均壓效果的同時(shí)會造成IGCT開通瞬間di／dt過大，這是IGCT器件所不允許的。從抑制di／dt的角度考慮，需要增加電阻阻值，但大電阻必然會降低動態(tài)均壓的效果。因此，圖5所示的均壓不是最佳效果，而是考慮di／dt后的綜合結(jié)果。

在關(guān)鍵工藝方面，由于采用橫向功率管壓裝技術(shù)，功率回路功率密度大為提高，即使含濾波回路，兩電平高壓變頻器的體積和質(zhì)量也明顯小于其他產(chǎn)品。

3 運(yùn)行效果

揚(yáng)州發(fā)電有限責(zé)任公司330MW機(jī)組凝結(jié)水泵（1120kW）在進(jìn)行變頻改造以前，機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)電機(jī)的工作電流為126A，負(fù)荷降低時(shí)電流降低很少。進(jìn)行變頻改造后，機(jī)組滿負(fù)荷時(shí)變頻器輸入電流為92A，機(jī)組210MW負(fù)荷時(shí)變頻器輸入電流為41A，綜合節(jié)電在35％以上。該泵改造前年耗電約8×1000000kW·h，改造后年耗電約5×1000000kW·h，按上網(wǎng)電價(jià)0．39元／（kW·h）計(jì)算，每年至少可節(jié)省電費(fèi)I10萬元，經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)可觀。在節(jié)能的同時(shí)，電廠電機(jī)控制自動化水平也得到了很大提高。

4 結(jié)論

從上面的分析可以看出，兩電平高壓變頻器具有非常出色的性能，在降低輸出諧波含量、提高變頻器效率、延長電機(jī)的使用壽命及提高系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性等方面均有很大的優(yōu)勢。在電力系統(tǒng)、煤礦、城市供水等對設(shè)備可靠性、安全性要求很高的應(yīng)用場合，采用輸出諧波含量低、對負(fù)載損傷小的兩電平高壓變頻器是一種很好的選擇。

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