基于IGCT器件的兩電平高壓變頻器研究與應(yīng)用

1、基于igct器件的兩電平高壓變頻器研究與應(yīng)用摘 要：介紹了基于igct器件的兩電平高壓變頻器的技術(shù)特點和工作原理，分析了兩電平高壓變頻器的實驗波形及其在電廠中的運行狀況和節(jié)能效果，探討了源兩電平高壓變頻器的應(yīng)用前景。0 引言在國際能源緊缺、全球氣候變暖的嚴重形勢下，削減能源消耗、削減溫室氣體大量排放成為當(dāng)務(wù)之急。實踐證實，對一定工況下的工業(yè)舉行變頻調(diào)速是一種行之有效的節(jié)能方式。按照統(tǒng)計，我國僅待調(diào)速節(jié)能的風(fēng)機就有4000多萬臺，年耗電約1 5oo億kwh，節(jié)能潛力達450億kwh年，節(jié)能潛力巨大1l。節(jié)能效果顯著的高壓變頻器早期之所以推廣速度緩慢，一方面是由于一次性投入較大且一些產(chǎn)品牢靠性不高

2、，另一方面是由于應(yīng)用變頻器以后會帶來一些新的問題，如電網(wǎng)諧波污染、電機諧波損耗發(fā)熱及電機絕緣老化等。隨著國家對節(jié)能減排的重視和變頻器技術(shù)的進展，高性價比高壓變頻器的應(yīng)用越來越多一般變頻器往往具有較高的didt和dudt電應(yīng)力，輸出含有較高的諧波，而通過采納合理的電路拓撲結(jié)構(gòu)可有效地降低其didt和dudt，通過采納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牢靠性的同時降低對電網(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98。1 變頻器技術(shù)介紹一般級聯(lián)高壓變頻器主回路拓撲和功率單元內(nèi)部電路分離1、圖2所示，基于igct器件的兩電平變頻器主電路拓

3、撲3所示。由圖3可知，兩電平高壓（6 kv）變頻器串聯(lián)后的單個功率管要承受的額定電壓為6000232800（v），最大運行電壓達到2 8001151083500（v）（考慮過電壓15和阻抗8），這對單管汲取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)品每個功率管需要承受的額定電壓為6000325115108 1 200（v）。因此，兩電平拓撲高壓變頻器的實現(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：（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，牢靠性得到極大提高；（2）級聯(lián)式變頻器的變壓

4、器出線達45根，而兩電平變頻器出線僅9根，使故障概率顯然減??；（3）級聯(lián)式變頻器不允許將電機放到離變頻器過遠的地方，以防止機端反激等緣由造成變頻器異樣庇護甚至變頻器和電機損壞，而兩電平變頻器具有l(wèi)c濾波環(huán)節(jié)，輸出電纜中不存在大的dudt，不存在機端反激現(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現(xiàn)4象限運行，這是當(dāng)前的級聯(lián)式變頻器技術(shù)所做不到的；（5）兩電平變頻器中采納高壓金屬膜器而不采納電解，使整機壽命可達10年以上，這也是級聯(lián)式變頻器很難實現(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撲，逆變部分用法了高耐壓、大的功率

5、開關(guān)器件igct，其內(nèi)部集成有反并聯(lián)續(xù)流；為了減小對電網(wǎng)的沖擊，整流電路采納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)計中，將特定消諧技術(shù)和lc濾波技術(shù)舉行了完善結(jié)合，取得了較為抱負的效果。實驗測得兩電平高壓變頻器輸出電壓和電流波形4所示，其中幾乎沒有諧波和大的dudt存在，這對電機絕緣沒有任何損傷；同時，將濾波電容中點接地可以消退共模電壓（即消退電機軸向電壓），使電機用法壽命不受影響?；趇gct器件的兩電平高壓變頻器的設(shè)計難點在于多個串聯(lián)功率管的動態(tài)均壓。經(jīng)過嚴格計算、精確和反復(fù)實驗改進，得到了額定電流條件下功率管關(guān)斷均壓實測波形，5所示

6、。圖5中第2峰值電壓分離為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，達到了很好的均壓效果。動態(tài)均壓電路6所示，該電路在帶來良好均壓效果的同時會造成igct開通眨眼didt過大，這是igct器件所不允許的。從抑制didt的角度考慮，需要增強阻值，但大電阻必定會降低動態(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didt后的綜合結(jié)果。在關(guān)鍵工藝方面，因為采納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)量也顯然小于其他產(chǎn)品。3 運行效果揚州發(fā)電有限責(zé)任公司330mw機組凝聚水泵（1120kw）在舉行變頻改造以前，機組滿負荷運行時電機的工作電流為126a，負荷降低時電流降低很少。舉行變頻改造后，機組滿負荷時變頻器輸入電流為92a，機組210mw負荷時變頻器輸入電流為41a，綜合節(jié)電在35以上。該泵改造前年耗電約81000000kwh，改造后年耗電約51000000kwh，按上網(wǎng)電價039元（kwh）計算，每年起碼可節(jié)約電費i10萬元，經(jīng)濟效益相當(dāng)可觀。在節(jié)能的同時，電廠電機控制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十分精彩的性能，在降低輸出諧波含量、提高變頻器效率、延伸