中壓變頻器選型分析

1、本文來(lái)至原創(chuàng)性論文網(wǎng) lng接收站中有大量的6kv供電的泵類設(shè)備，功率從200kw1600kw。泵的耗電量中還有很大的節(jié)能潛力，其潛力挖掘的焦點(diǎn)是提高運(yùn)行效率?？梢灶A(yù)計(jì)，大功率交流電機(jī)變頻調(diào)速新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用是我國(guó)節(jié)能的主導(dǎo)方向之一，也是lng行業(yè)不斷努力的目標(biāo)。采用中壓變頻器不但可以大大減小中壓電機(jī)起動(dòng)電流，從而消除對(duì)電網(wǎng)的沖擊，而且可以根據(jù)生產(chǎn)工藝的需要調(diào)節(jié)物料的供應(yīng)量，大大提高控制精度和生產(chǎn)產(chǎn)量。更重要的是可實(shí)現(xiàn)運(yùn)行節(jié)能，將運(yùn)行成本降到最低。1變頻器介紹變頻器的分類方法有多種，按照主電路工作方式分類，可以分為電壓型變頻器和電流型變頻器；按照開

2、關(guān)方式分類，可以分為pam控制變頻器、pwm控制變頻器和高載頻pwm控制變頻器；按照工作原理分類，可以分為v/f控制變頻器、轉(zhuǎn)差頻率控制變頻器和矢量控制變頻器等；按照用途分類，可以分為通用變頻器、高性能專用變頻器、高頻變頻器、單相變頻器和三相變頻器等。 變頻器的分類方法有多種，按照主電路工作方式分類，可以分為電壓型變頻器和電流型變頻器；按照開關(guān)方式分類，可以分為pam控制變頻器、pwm控制變頻器和高載頻pwm控制變頻器；按照工作原理分類，可以分為v/f控制變頻器、轉(zhuǎn)差頻率控制變頻器和矢量控制變頻器等；按照用途分類，可以分為通用變頻器、高性能專用變頻器、高頻變頻器、單相變頻器和三相變頻器等。中壓

3、變頻器的種類繁多，其分類方法也多種多樣。按著中間環(huán)節(jié)有無(wú)直流部分，可分為交交變頻器和交直交變頻器；按著直流部分的性質(zhì)，可分為電流型和電壓型變頻器；按著有無(wú)中間低壓回路，可分為高高變頻器和高低高變頻器；按著輸出電平數(shù)，可分為兩電平、三電平、五電平及多電平變頻器；按著電壓等級(jí)和用途，可分為通用變頻器和中壓變頻器；按著嵌位方式，可分為二極管嵌位型和電容嵌位型變頻器等等。2. 中壓變頻器選型分析我們知道，中壓變頻器與低壓變頻器的基本原理都是面積等效原理，即：沖量（窄脈沖面積）相等而形狀不同的窄脈沖，加在具有慣性的同一環(huán)節(jié)上，其效果基本相同。這里所說(shuō)的“效果基本相同”，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。將

4、一系列電壓脈沖的寬度按正弦規(guī)律進(jìn)行調(diào)制，加在電機(jī)繞組端，回路中電流波形為正弦波。 如圖1，a）、b）、c）所示的三個(gè)形狀不同的窄脈沖：a）為矩形脈沖，b）為三角脈沖，c）為正弦脈沖，它們的面積（即沖量）都相等，將它們加在具有慣性的同一環(huán)節(jié)上時(shí)，其輸出響應(yīng)基本相同。2.1中壓變頻器的輸入一般情況下，低壓變頻器出于成本考慮，輸入側(cè)會(huì)采用6脈沖整流，加上利用電容儲(chǔ)能穩(wěn)壓，所以輸入側(cè)一定會(huì)向電網(wǎng)注入很大的諧波電流。iec標(biāo)準(zhǔn)要求單臺(tái)變頻器回路總的諧波電流畸變率不大于48%，及thdi48%。所以低壓變頻器輸入側(cè)一般都會(huì)加線路電抗器。如果需要將諧波抑制到更小，可選配價(jià)格昂貴的10%無(wú)源濾波器，配合直流電

5、抗器，可將thdi值減小到5%以下。中壓變頻器首先考慮的是將對(duì)電網(wǎng)的諧波污染降到最小，同時(shí)兼顧成本，所以輸入側(cè)采用了36脈沖整流，理論上無(wú)35次以下諧波電流產(chǎn)生。這樣輸入側(cè)總的諧波電流畸變率thdi遠(yuǎn)小于1%，使得輸入側(cè)對(duì)電網(wǎng)幾乎無(wú)諧波污染。表1給出了中壓變頻器的各次諧波電流分量。諧波電流次數(shù) 5 7 11 13 17 19 23 25ieee-519(1992)% 4.00 4.00 2.00 2.00 1.50 1.50 0.60 0.60實(shí)測(cè)值% 0.58 1.00 0.20 0.32 0.75 0.54 0.06 0.24圖2a是電壓型中壓變頻器輸入側(cè)原理，采用了36脈沖整流。圖2b是

6、實(shí)測(cè)的輸入側(cè)電流和電壓波形。我們可以清楚看到，電流波形（橘黃色）是完美的正弦波，無(wú)任何畸變。以上我們討論了電壓型中壓變頻器輸入側(cè)對(duì)電網(wǎng)的諧波污染。結(jié)論是整流波數(shù)越多，向電網(wǎng)注入的諧波電流就越小，對(duì)電網(wǎng)的污染就越小。36脈沖整流遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于24脈沖、18脈沖、12脈沖整流。2.2中壓變頻器的輸出中壓變頻器輸出電壓的基本元素仍是矩形脈沖，但是與低壓變頻器已經(jīng)有了巨大的區(qū)別。原因在于，低壓變頻器輸出一般只有兩個(gè)電平，不可能逼近正弦波。我們學(xué)微積分知道，用的線段越多，就越能擬合一條曲線。當(dāng)用的線段無(wú)限多時(shí)，就可以得到與任意指定的曲線相同的曲線。施耐德電氣中壓變頻器輸出電壓是疊加的多電平電壓，可以非常逼近一

7、個(gè)正弦波。電平數(shù)量越多，輸出電壓就約接近正弦波。當(dāng)輸出電壓為9電平時(shí)，輸出電壓外延有矩形脈沖，但整體形狀是已經(jīng)高度正弦化了（見圖5b）。當(dāng)輸出為17電平時(shí)，輸出電壓波形就已經(jīng)完全正弦化了（見圖6a）。為什么中壓變頻器要采用多電平輸出技術(shù)呢，這是因?yàn)橹袎鹤冾l器的逆變管igbt的耐壓值一般只有3.3kv，高電壓時(shí)需要串聯(lián)分壓。igbt耐壓值較低的劣勢(shì)，反而成就了中壓變頻器，使得其輸出電壓可以高度逼近正弦波，甚至完全正弦化。這類中壓變頻器的輸出電壓為3電平，僅僅比低壓變頻器多了一個(gè)電平，所以其輸出仍然會(huì)有很大dv/dt，從而產(chǎn)生過(guò)電壓，需采用低通濾波器補(bǔ)償，但仍容易損壞電機(jī)絕緣。由于igct的開關(guān)頻

8、率低，所以其輸出電流有很大的諧波分量，增加了能耗，同時(shí)增加電機(jī)的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩和發(fā)熱，降低了電機(jī)效率，容易將電機(jī)燒毀。這類中壓變頻器還有一個(gè)最大的弊端，就是只能輸出3kv，不能直接輸出6kv或10kv，如果需要輸出6kv或10kv，需配輸入降壓變頻器和輸出升壓變壓器。很明顯，這種中壓變頻器的技術(shù)含量較低，造價(jià)較低，體積龐大。3.適合lng接收站的6kv用電設(shè)備用的中壓變頻器綜上分析lng接收站應(yīng)選用單元三電平技術(shù)的中壓變頻器。采用了這種技術(shù)的6kv中壓變頻器，其輸出電壓的電平數(shù)量高達(dá)17個(gè)，其輸出電壓波形高度正弦化，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其它型式的中壓變頻器。下面，我們就對(duì)這種技術(shù)做詳細(xì)說(shuō)明。前已述及，逆變管ig

9、bt的耐壓值一般只有3.3kv，所以如果要輸出6kv或10kv，需要串聯(lián)4組或5組igbt分壓。如圖3所示，中壓變頻器采用了4組功率單元串聯(lián)，每個(gè)功率單元可以輸出三電平：第一電平：1-2-3-4導(dǎo)通第二電平：2-3-4導(dǎo)通第三電平：0電平（全關(guān)）第二電平=第一電平/2這樣，不同相之間的功率單元就可以輸出5個(gè)電平，見圖4。第一電平：1-2-3-4-5-6-7-8導(dǎo)通第二電平：1-2-3-5-6-7-8導(dǎo)通第三電平：1-2-3-5-6-7導(dǎo)通第四電平：2-3-5-6-7導(dǎo)通第五電平：全關(guān)（零電平）施耐德電氣3kv中壓變頻器是兩組單元串聯(lián)，可以輸出9個(gè)電平（零電平公用，24+1=9）。6kv中壓變頻

10、器采用了4組功率單元，可輸出44+1=17電平。10kv中壓變頻器采用了5組功率單元，可輸出54+1=21電平。3kv中壓變頻器輸出電壓、電流實(shí)測(cè)波形見13b，可以看到的外延有矩形脈沖，這些脈沖的階梯數(shù)量正好是9。前已述及，輸出電平數(shù)量越多，與正弦曲線的擬合度就越好。由于6kv中壓變頻器輸出為17電平，10kv中壓變頻器為21電平，所以其輸出電壓波形已經(jīng)無(wú)限逼近正弦波了。圖6a是示波器實(shí)測(cè)的中壓變頻器的輸出電壓波形，圖6b是示波器實(shí)測(cè)的中壓變頻器輸出回路電流波形。我們可以看到，無(wú)論是電壓波形，還是電流波形，都已經(jīng)是完全的正弦波了。4.結(jié)語(yǔ)通過(guò)以上分析適合lng接收站用的中壓變頻器要求：輸入側(cè)采用36脈