高壓大功率變頻器應用管理論文

1、高壓大功率變頻器應用管理論文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品鑒定，成為國內生產高壓大功率變頻器的為數(shù)較少的幾個企業(yè)之一。 2國內現(xiàn)生產的高壓大功率變頻器的方案及優(yōu)缺點 目前，國內生產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;另一種是采用高壓模塊的三電平結構。而其他的采用高-低-高方案的，由于輸出升壓變壓器技術難度高，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

2、方案又分為多重化技術(簡稱CSML)和三電平(簡稱NPC)方案，目前有的廠家生產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。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，失去三電平結構

3、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。這種技術在低壓變頻器中被廣泛采用，非常成功。 (3)對電網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

4、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

5、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構簡單，且可作成四象限運行的變

6、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外設計者稱之為完美無諧波變頻器。 我公司的設計人員經過多方探討，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。 3變頻器的性能特點

7、 (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)輸入側采用多重化移相整流技術，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)內置PID調節(jié)器，可開環(huán)或閉環(huán)運行。 (10)可根據需要打印輸出運行報表。 4工作原理 4.1基本原理

8、 本變頻器為交-直-交型單元串聯(lián)多電平電壓源變頻調速器，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脈沖整流電路結構。整機原理圖如圖2所示。 4.2功率單元電路 所有單元都有6支二極

9、管實現(xiàn)三相全波整流，有4個IGBT管構成單相逆變電路。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。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)結構與控制 (1)系統(tǒng)結構 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。 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)場的電網情況，變壓器原邊留有抽頭 b)變頻

10、柜 A、B、C三相分裝在3個柜內，可分別稱為A柜、B柜、C柜 c)控制柜 柜內裝有控制系統(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、調試帶來了很大方便。 (3)系統(tǒng)采用了先進的載波移相技術，它的

11、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)變頻器結構緊湊，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，結構緊湊，安裝簡單，現(xiàn)場配線少，調試方便。 (2)電機及機組運行平穩(wěn)，各項指標滿足工藝要求。 由變頻

12、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，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。在調速范圍內，軸瓦的最高溫升均在允許的范圍內。 (3)變頻器三相輸出波形完美，非常接近正弦波。 經現(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。

13、 (5)運行工況改善，工人勞動強度降低。 變頻器可隨著生產的需要自動調節(jié)電動機的轉速，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，根據運行情況，及其它生產線的實際運行情況，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。根據公式測算節(jié)能效果達到42.7%。 6結束語 從這幾臺這幾個月的運行情況看，我公司自行研制生產的高壓大功