高压大功率变频器的研制及应用
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1 引言

  山东风光电子有限公司是在多年研制中低压变频器的基础上,综合了国内外高压大功率变频器的多种方案的优缺点,采用最优方案研制成功的,并于2002年12月通过了省级科技成果及产品鉴定,成为国内生产高压大功率变频器的为数较少的几个企业之一。

2 国内现生产的高压大功率变频器的方案及优缺点

  目前,国内生产的高压大功率变频器中,以2种方案占主流:一种是功率单元串联形成高压的多重化技术;另一种是采用高压模块的三电平结构。而其他的采用高-低-高方案的,由于输出升压变压器技术难度高,成本高,占地面积大,都已基本被淘汰。因此采用高-高方案是高压大功率变频器的主要发展方向。

  而高-高方案又分为多重化技术(简称csml)和三电平(简称npc)方案,目前有的厂家生产的高压大功率变频器是采用的三电平方案,而大多数厂家则是采用低压模块、多单元串联的多重化技术。这2种方案比较,各有优缺点,主要表现在:

  (1) 器件

  采用csml方式,器件数量较多,但都是低压器件,不但价格低,而且易购置,更换方便。低压器件的技术也较成熟。而npc方案,采用器件少,但成本高,且购置困难,维修不方便。

  (2) 均压问题(包括静态均压和动态均压)

  均压是影响高压变频器的重要因素。采用npc方式,当输出电压较高时(如6kv),单用单个器件不能满足耐压要求,必须采用器件直接串联,这必然带来均压问题,失去三电平结构在均压方面的优势,系统的可靠性也将受到影响。而采用csml方案则不存在均压问题。唯一存在的是当变频器处于快速制动时,电动机处于发电制动状态,导致单元内直流母线电压上升,各单元的直流母线电压上升程度可能存在差异,通过检测功率单元直流母线电压,当任何单元的直流母线电压超过某一阈值时,自动延长减速时间,以防止直流母线电压上升,即所谓的过压失速防止功能。这种技术在低压变频器中被广泛采用,非常成功。

  (3) 对电网的谐波污染和功率因数

  由于csml方式输入整流电路的脉波数超过npc方式,前者在输入谐波方面的优势很明显,因此在综合功率因数方面也有一定的优势

  (4) 输出波形

  npc方式输出相电压是三电平,线电压是五电平。而csml方式输出相电压为11电平,线电压为21电平(对五单元串联而言),而且后者的等效开关频率大大高于前者,所以后者在输出波形的质量方面也高于前者。

  (5) dv/dt

  npc方式的输出电压跳变台阶为高压直流母线电压的一半,对于6kv输出变频器而言,为4kv左右。csml方式输出电压跳变台阶为单元的直流母线电压,不会超过1kv,所以前者比后者的差距也是很明显的。

  (6) 系统效率

  就变压器与逆变电路而言,npc方式与csml方式效率非常接近。但由于输出波形质量差异,若采用普通电机,前者必须设置输出滤波器,后者不必。而滤波器的存在大约会影响效率的0.5%左右。

  (7) 四象限运行

  npc方式当输入采用对称的pwm整流电路时,可以实现四象限运行,可用于轧机、卷扬机等设备;而csml方式则无法实现四象限运行。只能用于风机、水泵类负载。

  (8) 冗余设计

  npc方式的冗余设计很难实现,而csml方式可以方便的采用功率单元旁路技术和冗余功率单元设计方案,大大的有利于提高系统的可靠性。

  (9) 可维护性

  除了可靠性之外,可维护性也是衡量高压大功率变频器的优劣的一个重要因素,csml方式采用模块化设计,更换功率单元时只要拆除3个交流输入端子和2个交流输出端子,以及1个光纤插头,就可以抽出整个单元,十分方便。而npc方式就不那么方便了。

  总之,三电平电压形变频器结构简单,且可作成四象限运行的变频器,应用范围宽。如电压等级较高时,采用器件直接串联,带来均压问题,且存在输出谐波和dv/dt等问题,一般要设置输出滤波器,在电网对谐波失真要求较高时,还要设置输入滤波器。而多重化pwm电压型变频器不存在均压问题,且在输入谐波及dv/dt等方面有明显优势。对于普通的风机、水泵类一般不要求四象限运行的场合,csml变频器有较广阔的应用前景。这类变频器又被国内外设计者称之为完美无谐波变频器。

  我公司的设计人员经过多方探讨,综合各种方案的优缺点,最后选定了完美无谐波变频器的csml方案作为我们的最佳选择,这就是我们向市场推出的jd-bp37和jd-bp38系列的高压大功率变频器。

3 变频器的性能特点

  (1) 变频器采用多功率单元串联方案,输出波形失真小,可配接普通交流电机,无须输出滤波器。

  (2) 输入侧采用多重化移相整流技术,电流谐波小,功率因数高。

  (3) 控制器与功率单元之间的通信用多路并行光纤实现,提高了抗干扰性及可靠性。

  (4) 控制器中采用一套独立于高压源的电源供电系统,有利于整机调试和操作人员的培训。

  (5) 采用全中文的windows彩色液晶显示触摸界面。

  (6) 主电路模块化设计,安装、调试、维护方便。

  (7) 完整的故障监测和报警保护功能。

  (8) 可选择现场控制、远程控制。

  (9) 内置pid调节器,可开环或闭环运行。

  (10) 可根据需要打印输出运行报表。

4 工作原理

  4.1 基本原理

  本变频器为交-直-交型单元串联多电平电压源变频调速器,原理框图如图1所示。单元数的多少视电压高低而定,本处以每相为8单元,共24单元为例。每个功率单元承受全部的电机电流、1/8的相电压、1/24的输出功率。24个单元在变压器上都有自立独立的三相输入绕组。功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘。二次绕组采用延边三角形接法,目的是实现多重化,降低输入电流的谐波成分。24个二次绕组分成三相位组,互差为20,以b相为基准,a相8个单元对应的8个二次绕组超前b相20,c相8个单元对应的8个二次绕组落后b相20,形成18脉冲整流电路结构。整机原理图如图2所示。

  4.2 功率单元电路

  所有单元都有6支二极管实现三相全波整流,有4个igbt管构成单相逆变电路。功率单元的主电路如图3所示,4个igbt管分别用t1、t2、t3、t4表示,它们的门极电压分别是ug1、ug2、ug3、ug4、每个功率单元的输出都是一样的pwm波。功率单元输出波形如图4所示。逆变器采用多电平移相pwm技术。同一相的功率单元输出完全相同的基准电压(同幅度、同频率、同相位)。多个单元迭加后的

  输出波形如图5所示。

  4.3 系统结构与控制

  (1) 系统结构

  整个系统有隔离变压器、3个变频柜和1个控制柜组成,参见图6。

  a) 隔离变压器

  原边为星形接法,副边共有24个独立的三相绕组,为了适应现场的电网情况,变压器原边留有抽头

  b) 变频柜

  a、b、c三相分装在3个柜内,可分别称为a柜、b柜、c柜

  c) 控制柜

  柜内装有控制系统,柜前板上装有控制面板、控制接线排等。由于电压等级和容量的不同,不同机型的单元的数量不同,面板的布置也会有些不同。

  4.4 系统控制

  整机控制系统有16位单片机担任主控,24个功率单元都有一个自己的辅助cpu,由8位单片机担任,此外还有一个cpu,也是8位单片机,负责管理键盘和显示屏。

  (1) 利用三次谐波补偿技术提高了电源电压利用率。

  (2) 控制器有一套独立于高压电源的供电体系,在不加高压的情况下,设备各点的波形与加高压情况相同,这给整机可靠性、调试带来了很大方便。

  (3) 系统采用了先进的载波移相技术,它的特点是单元输出的基波相迭加、谐波彼此相抵消。所以串联后的总输出波形失真特别小。

5 现场应用

  本公司分别于2002年8月、10月和2003年3月、4月分别在山东莱芜钢铁股份有限公司炼铁厂、辽河油田锦州采油厂、浙江永盛化纤有限公司应用了本公司生产的高压大功率变频器jd-bp37-630f 2台、jd-bp38-355、jd-bp37-550f各1台。从运行情况看:

  (1) 变频器结构紧凑,安装简单

  由于变频器所有部分都装在柜里,不需要另外的电抗器、滤波器、补偿电容、启动设备等一系列其他装置,所以体积小,结构紧凑,安装简单,现场配线少,调试方便。

  (2) 电机及机组运行平稳,各项指标满足工艺要求。

  由变频器拖动的电机均为三相普通的异步电动机,在整个运行范围内,电机始终运行平稳,温升正常。风机启动时的噪音及启动电流很小,无任何异常震动和噪音。在调速范围内,轴瓦的最高温升均在允许的范围内。

  (3) 变频器三相输出波形完美,非常接近正弦波。

  经现场测试,变频器的三相输出电压波形、电流波形非常标准,说明变频器完全可以控制一般的普通电动机运行,对电机无特殊要求。

  (4) 变频器运行情况稳定,性能良好。

  该设备投运以来,变频器运行一直十分稳定。设备运行过程中,我公司技术人员对变频器输入变压器的温升,功率单元温升定期巡检,完全正常。输出电压及电流波形正弦度很好,谐波含量极少,效率均高于97%,优于同类进口设备。

  (5) 运行工况改善,工人劳动强度降低。

  变频器可随着生产的需要自动调节电动机的转速,达到最佳效果,工人工作强度大大降低。

  (6) 变频器操作简单,易于掌握及维护。

  变频器的起停,改变运行频率等操作简便,操作人员经过半个小时培训就可以全面掌握。另外,变频器各种功能齐全,十分完善,提高了设备可靠性,而且节电效果明显。以山东莱钢股份有限公司应用的jd-bp37-630f变频器为例,该系统生产周期大约为1h,出铁时间为20min,间隔约40min,系统配置电机的额定电流为80a,根据运行情况,及其它生产线的实际运行情况,预计该电机运行电流应在60a,以变频器上限运行频率45hz时,电流为45a,间隔时间运行频率20hz时,电流为20a。根据公式测算节能效果达到42.7%。

6 结束语

  从这几台这几个月的运行情况看,我公司自行研制生产的高压大功率变频器,运行稳定可靠,节能效果显著,改善了工作人员的工作环境,降低了值班人员的劳动强度。变频器对电机保护功能齐全,减少了维修费用,延长了电机及风机的使用寿命,给用户带来了显著的经济效益,深得用户好评。据专家估计我们国家6kv以上的高压大功率电机约有3万多台,约合650万kw,因此,高压大功率变频器的市场是极其广阔的。

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