第5章高(中)壓變頻器課件

第5章高（中）壓變頻器

5.1高（中）壓變頻器概述

5.1.1高（中）壓變頻器的分類高（中）壓變頻器按主電路的結(jié)構(gòu)方式分為交-交方式和交-直-交方式。

5.1.2高（中）壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的基本形式

（1）直接高-高型直接高-高型（也有的稱為直接中-中型）變頻調(diào)速系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)如圖5-2所示。

圖5-2直接高-高型變頻調(diào)速系統(tǒng)

（2）高-中型高-中型變頻調(diào)速系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)如圖5-3所示。

圖5-3高-中型變頻調(diào)速系統(tǒng)（3）高-低-高型高-低-高型（有的也稱為中-低-中型）變頻調(diào)速系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)如圖5-4所示。

圖5-4高-低-高型變頻調(diào)速系統(tǒng)

5.1.3高（中）壓變頻器的應(yīng)用

1．拖動(dòng)風(fēng)機(jī)或水泵

2．壓縮機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、軋機(jī)或其它工作機(jī)械

(1)可精確地調(diào)節(jié)速度或流量，保證工藝質(zhì)量。

(2)可直接與工作機(jī)械耦合，省去減速機(jī)等中間機(jī)械環(huán)節(jié)，減少投資和中間費(fèi)用。

(3)可接受計(jì)算機(jī)或PLC的模擬或數(shù)字信號(hào)，進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，且控制性能優(yōu)越。

3．要求起動(dòng)性能好的機(jī)械實(shí)現(xiàn)“軟”起動(dòng)。電機(jī)速度從零開始起動(dòng)：可使電機(jī)電流限制在規(guī)定值以下(一般在額定電流的1.5～2倍以內(nèi))，以選定的加速度平穩(wěn)升速，直到指定速度。

5.1.4高（中）壓變頻器的技術(shù)要求

1.可靠性要求高

2.對(duì)電網(wǎng)的電壓波動(dòng)容忍度大

3.降低諧波對(duì)電網(wǎng)的影響

4.改善功率因數(shù)

5.抑制輸出諧波成分

6.抑制共模電壓和du／dt的影響

5.2高（中）壓變頻器的主電路結(jié)構(gòu)

5.2.1晶閘管電流型變頻器

圖5-5所示為晶閘管電流型變頻器的主電路。圖5-5晶閘管電流型變頻器的主電路

晶閘管電流型變頻器采用晶閘管三相橋式整流電路將交流變?yōu)橹绷?，然后再?jīng)晶閘管三相橋式逆變電路將直流變?yōu)轭l率可調(diào)的交流，將其輸出以控制電機(jī)運(yùn)行和調(diào)速。由于在它的直流母線上串聯(lián)有平波電抗器，因此該變頻器稱為電流型變頻器。

5.2.2GTO電流型變頻器

GTO電流型變頻器的主電路如圖5-6所示。

圖5-6GTO電流型變頻器的主電路

圖5-6電路中，變壓器二次繞組采用Y和Δ不同聯(lián)結(jié)組別，是為了獲得互差60°的六相電壓，既可以減少整流后的電壓紋波，也可以降低電網(wǎng)的諧波。整流部分采用SCR器件，逆變部分采用了可關(guān)斷晶閘管GTO，開關(guān)頻率為180Hz。電路可以說(shuō)是電流源和PWM技術(shù)的結(jié)合(簡(jiǎn)稱“CSI-PWM技術(shù)”)。由于采用脈寬調(diào)制方式，輸出諧波降低，濾波器可大大減小，但不能省去。實(shí)際使用中常加電容濾波器，為防止電容與電動(dòng)機(jī)的電感在換向過(guò)程中產(chǎn)生諧振，其數(shù)值需仔細(xì)選擇。

5.2.31GBT并聯(lián)多重化PWM電壓型變頻器圖5-7所示為并聯(lián)多重化PWM電壓型變頻器電路圖。

圖5-7并聯(lián)多重化PWM電壓型變頻器主電路

圖5-7采用二極管構(gòu)成二組三相橋式整流電路，按12脈波組態(tài)，輸出為二重式，每組由六個(gè)IGBT構(gòu)成一個(gè)橋式逆變單元。輸出濾波器用來(lái)去除PWM的調(diào)制波中的高頻成分并減少du／dt、di／dt的影響，由于頻率高，濾波器的體積很小。

5.2.4三電平高（中）壓變頻器

IGBT三電平高壓變頻器的主電路如圖5-8所示。圖5-8IGBT三電平高（中）壓變頻器的主電路

圖5-8中，變頻器的整流部分由兩個(gè)三相橋電路串聯(lián)，輸出12脈波的直流電壓，大大減少了電網(wǎng)側(cè)的諧波成分。同時(shí)，直流側(cè)采用兩個(gè)相同的電解電容串聯(lián)濾波，在中間的連接處引出一條線與逆變電路中的鉗位二極管相接，若將該節(jié)點(diǎn)視為參考點(diǎn)（電壓為零），則加到逆變器的電平有三個(gè)：Ud、0、-Ud。所以逆變器部分是由IGBT和箝位二極管組成的三電平電壓型逆變器。

圖5-10所示為三電平變頻器輸出相電壓、相電流波形。圖中階梯形PWM波為電壓波形，近似正弦波為電流波形(Ud為峰值電壓)。這種變頻器輸出的線電壓有5個(gè)電平，輸出諧波小，du/dt小，使電動(dòng)機(jī)電流波形的失真度從17%降低為2%左右。

圖5-10三電平變頻器輸出電壓、電流波形

5.2.5五電平高（中）壓變頻器

圖5-11為五電平逆變器主電路，其工作原理與三電平逆變器相似.

圖5-11五電平逆變器主電路

這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：在器件耐壓相同的條件下，能輸出更高的交流電壓，適合制造更高電壓等級(jí)的變頻器。缺點(diǎn)是：用單個(gè)逆變器難以控制有功功率傳遞，存在電容電壓均壓?jiǎn)栴}。

5.3風(fēng)光JD-BP37/38系列高壓變頻器簡(jiǎn)介5.3.1風(fēng)光JD-BP37/38系列高壓變頻器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5-13所示。

圖5-13風(fēng)光JD-BP37系列高壓變頻器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

風(fēng)光JD-BP37/38系列高壓變頻器采用多功率單元串聯(lián)的方法解決了用低電壓的IGBT實(shí)現(xiàn)高壓變頻的困難，由圖5-13可見，JD-BP37/38系列高壓變頻器采用6級(jí)小功率低電壓IGBT的PWM變頻單元，分別進(jìn)行整流、濾波、逆變，將其串聯(lián)疊加起來(lái)得到高壓三相變頻輸出。

圖5-14所示為功率單元電路圖，每個(gè)功率單元結(jié)構(gòu)上完全一致，可以互換，這不但調(diào)試、維修方便，而且備份也十分經(jīng)濟(jì)圖5-14為功率單元電路

圖5-15所示為電壓疊加的原理圖。例如，對(duì)于額定輸出電壓為6kV的變頻器，每相由6個(gè)低壓為580V的IGBT功率單元串聯(lián)而成，則疊加后輸出相電壓最高可達(dá)3,480V，線電壓為3,480V=6,000V左右。圖5-15電壓疊加的原理

5.3.2JD-BP37/38系列高壓變頻器的柜體結(jié)構(gòu)

圖5-17所示為風(fēng)光JD-BP37/38系列高壓變頻器的柜體結(jié)構(gòu)，主要由開關(guān)柜、變壓器柜、功率單元柜和控制柜等組成圖5-17風(fēng)光JD-BP37/38系列高壓變頻器的柜體結(jié)構(gòu)

5.3.3高壓變頻器的運(yùn)行操作方式

當(dāng)高壓變頻器處于保養(yǎng)或檢修時(shí)，就需要將電動(dòng)機(jī)投入工頻電網(wǎng)運(yùn)行，以保證生產(chǎn)的連續(xù)性.圖5-18a所示為變頻工頻手動(dòng)切換電路，圖5-18b所示的變頻工頻自動(dòng)切換電路.

5．4高壓變頻器對(duì)電動(dòng)機(jī)的影響及防治措施

在高壓變頻器中，對(duì)電動(dòng)機(jī)的影響起決定作用的是逆變器的電路結(jié)構(gòu)和控制特性，逆變器主要通過(guò)輸出諧波、輸出電壓變化率du／dt和共模電壓來(lái)影響電動(dòng)機(jī)的絕緣和使用壽命，這些因素產(chǎn)生的影響如表5-4所示。

5.4.1輸出諧波對(duì)電動(dòng)機(jī)的影響及防治措施

輸出諧波對(duì)電動(dòng)機(jī)的影響主要有諧波引起電動(dòng)機(jī)的溫升過(guò)高、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和噪聲增加，經(jīng)常采用的防治措施一般有兩種：一是設(shè)置輸出濾波器；二是改變逆變器的結(jié)構(gòu)或聯(lián)接形式，以降低輸出諧波。使其作用到電機(jī)上的輸出波形接近正弦波。

5.4.2輸出電壓變化率對(duì)電動(dòng)機(jī)的影響及防治措施

對(duì)于電壓型變頻器，當(dāng)輸出電壓的變化率(du／dt)比較高時(shí)，會(huì)加速了電動(dòng)機(jī)絕緣的老化。特別是當(dāng)變頻器與電動(dòng)機(jī)之間的電纜距離比較長(zhǎng)時(shí)．電纜上的分布電感和分布電容所產(chǎn)生的行波反射放大作用增大到一定程度，有時(shí)會(huì)擊穿電動(dòng)機(jī)的絕緣。經(jīng)常采用的防治措施一般有兩種：一是設(shè)置輸出電壓濾波器：二是降低輸出電壓的變化率。降低輸出電壓變化率的主要方法也有兩種：一是降低輸出電壓每個(gè)臺(tái)階的幅值；二是降低逆變器功率器件的開關(guān)速度。在相同額定輸出電壓的情況下，逆變的輸出電平數(shù)越多，輸出電壓的變化率就越低，通常是傳統(tǒng)雙電平輸出電壓的變化率的1/(m-1)倍，其中m是電平數(shù)目。

5.4.3共模電壓對(duì)電動(dòng)機(jī)的影響及防治措施

電動(dòng)機(jī)定子繞組的中心點(diǎn)和地之間的電壓UN-G稱為共模電壓(或稱零序電壓)。當(dāng)沒有輸入變壓器時(shí)．共模電壓會(huì)直接施加到電動(dòng)機(jī)上，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)繞組絕緣擊穿，影響電動(dòng)機(jī)的使用壽命。當(dāng)共模電壓對(duì)地產(chǎn)生的高頻漏電流經(jīng)過(guò)電動(dòng)機(jī)的軸承入地時(shí)，還會(huì)出現(xiàn)“電蝕”軸承現(xiàn)象，降低軸承的使用壽命。經(jīng)常采用的防治措施是設(shè)置二次側(cè)中點(diǎn)不接地的輸入變壓器，由輸入變壓器和電動(dòng)機(jī)共同來(lái)承擔(dān)共模電壓。一般情況下，輸入是1／10，那么約有90％的共模電壓由輸入變壓器來(lái)承擔(dān)。因此，對(duì)于電流型變頻器，電動(dòng)機(jī)的絕緣一定要足夠強(qiáng)，否則容易發(fā)生因絕緣被擊穿而燒毀輸入變壓器或電動(dòng)機(jī)的后果。

本章小結(jié)

高（中）壓變頻器通常指電壓等級(jí)在1kV以上的大容量變頻器。高（中）壓變頻器按主電路的結(jié)構(gòu)方式分為交-交方式和交-直-交方式。高（中）壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的基本型式有直接高-高型、高-中型和高-低-高型等三種。高（中）壓變頻器的技術(shù)要求非常嚴(yán)格，在制造和應(yīng)用時(shí)應(yīng)予以特別關(guān)注。