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高壓大功率變頻器的研制及應(yīng)用
1 引言
山東風(fēng)光電子有限公司是在多年研制中低壓變頻器的基礎(chǔ)上，綜合了國內(nèi)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(chǎn)品鑒定，成為國內(nèi)生產(chǎn)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(nèi)現(xiàn)生產(chǎn)的高壓大功率變頻器的方案及優(yōu)缺點
目前，國內(nèi)生產(chǎn)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(shù);另一種是采用高壓模塊的三電平結(jié)構(gòu)。而其他的采用高-低-高方案的，由于輸出升壓變壓器技術(shù)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-高方案又分為多重化技術(shù)(簡稱csml)和三電平(簡稱npc)方案，目前有的廠家生產(chǎn)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(shù)。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(shù)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(dāng)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(jié)構(gòu)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(dāng)變頻器處于快速制動時，電動機處于發(fā)電制動狀態(tài)，導(dǎo)致單元內(nèi)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(dāng)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(shù)在低壓變頻器中被廣泛采用，非常成功。
(3) 對電網(wǎng)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(guān)頻率大大高于前者，所以后者在輸出波形的質(zhì)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(zhì)量差異，若采用普通電機，前者必須設(shè)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方式當(dāng)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(shè)備;而csml方式則無法實現(xiàn)四象限運行。只能用于風(fēng)機、水泵類負載。
(8) 冗余設(shè)計
npc方式的冗余設(shè)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(shù)和冗余功率單元設(shè)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(shè)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(jié)構(gòu)簡單，且可作成四象限運行的變頻器，應(yīng)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(shè)置輸出濾波器，在電網(wǎng)對諧波失真要求較高時，還要設(shè)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(fēng)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(yīng)用前景。這類變頻器又被國內(nèi)外設(shè)計者稱之為完美無諧波變頻器。
我公司的設(shè)計人員經(jīng)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
(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(cè)采用多重化移相整流技術(shù)，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(diào)試和操作人員的培訓(xùn)。
(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(shè)計，安裝、調(diào)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(nèi)置pid調(diào)節(jié)器，可開環(huán)或閉環(huán)運行。
(10) 可根據(jù)需要打印輸出運行報表。
4 工作原理
4.1 基本原理
本變頻器為交-直-交型單元串聯(lián)多電平電壓源變頻調(diào)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(zhǔn)，a相8個單元對應(yīng)的8個二次繞組超前b相20°，c相8個單元對應(yīng)的8個二次繞組落后b相20°，形成18脈沖整流電路結(jié)構(gòu)。整機原理圖如圖2所示。
4.2 功率單元電路
圖1 方案原理框圖
圖2 整機原理圖（為了簡明，圖中僅畫了18單元）
所有單元都有6支二極管實現(xiàn)三相全波整流，有4個igbt管構(gòu)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(shù)。同一相的功率單元輸出完全相同的基準(zhǔn)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(jié)構(gòu)與控制
(1) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
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。
圖3 功率單元主回路
圖4 單元電路波形圖
圖5 6個單元輸出迭加后的波形
圖6 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
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(yīng)現(xiàn)場的電網(wǎng)情況，變壓器原邊留有抽頭
b) 變頻柜
a、b、c三相分裝在3個柜內(nèi)，可分別稱為a柜、b柜、c柜
c) 控制柜
柜內(nèi)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(dān)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(dān)任，此外還有一個cpu，也是8位單片機，負責(zé)管理鍵盤和顯示屏。
(1) 利用三次諧波補償技術(shù)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(shè)備各點的波形與加高壓情況相同，這給整機可靠性、調(diào)試帶來了很大方便。
(3) 系統(tǒng)采用了先進的載波移相技術(shù)，它的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(yīng)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(yīng)用了本公司生產(chǎn)的高壓大功率變頻器jd-bp37-630f 2臺、jd-bp38-355、jd-bp37-550f各1臺。從運行情況看:
(1) 變頻器結(jié)構(gòu)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(shè)備等一系列其他裝置，所以體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，安裝簡單，現(xiàn)場配線少，調(diào)試方便。
(2) 電機及機組運行平穩(wěn)，各項指標(biāo)滿足工藝要求。
由變頻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(nèi)，電機始終運行平穩(wěn)，溫升正常。風(fēng)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(diào)速范圍內(nèi)，軸瓦的最高溫升均在允許的范圍內(nèi)。
(3) 變頻器三相輸出波形完美，非常接近正弦波。
經(jīng)現(xiàn)場測試，變頻器的三相輸出電壓波形、電流波形非常標(biāo)準(zhǔn)，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(shè)備投運以來，變頻器運行一直十分穩(wěn)定。設(shè)備運行過程中，我公司技術(shù)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(shè)備。
(5) 運行工況改善，工人勞動強度降低。
變頻器可隨著生產(chǎn)的需要自動調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)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(jīng)過半個小時培訓(xùn)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(shè)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(yīng)用的jd-bp37-630f變頻器為例，該系統(tǒng)生產(chǎn)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(jù)運行情況，及其它生產(chǎn)線的實際運行情況，預(yù)計該電機運行電流應(yīng)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(jù)公式測算節(jié)能效果達到42.7%。
6 結(jié)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(chǎn)的高壓大功率變頻器，運行穩(wěn)定可靠，節(jié)能效果顯著，改善了工作人員的工作環(huán)境，降低了值班人員的勞動強度。變頻器對電機保護功能齊全，減少了維修費用，延長了電機及風(fēng)機的使用壽命，給用戶帶來了顯著的經(jīng)濟效益，深得用戶好評。據(jù)專家估計我們國家6kv以上的高壓大功率電機約有3萬多臺，約合650萬kw，因此，高壓大功率變頻器的市場是極其廣闊的。
參考文獻
[1] 徐甫榮. 大功率風(fēng)機水泵調(diào)速節(jié)能運行的技術(shù)經(jīng)濟分析[j]. 變頻器世界,2001,(8).
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