高壓變頻器主電路圖分析及其應(yīng)用

1.引言

　    目前，隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，高壓大功率變頻調(diào)速裝置不斷地成熟起來，原來一直難于解決的高壓?jiǎn)栴}，近年來通過器件串聯(lián)或單元串聯(lián)得到了很好的解決。其應(yīng)用領(lǐng)域和范圍也越來越為廣范，這為工礦企業(yè)高效、合理地利用能源(尤其是電能)提供了技術(shù)先決條件。

　　2.幾種常用高壓變頻器的主電路分析

　　(1)單元串聯(lián)多重化電壓源型高壓變頻器

　　單元串聯(lián)多重化電壓源型高壓變頻器利用低壓?jiǎn)蜗嘧冾l器串聯(lián)，彌補(bǔ)功率器件IGBT的耐壓能力的不足。所謂多重化，就是每相由幾個(gè)低壓功率單元串聯(lián)組成，各功率單元由一個(gè)多繞組的移相隔離變壓器供電，用高速微處理器實(shí)現(xiàn)控制和以光導(dǎo)纖維隔離驅(qū)動(dòng)。但其存在以下缺點(diǎn)：
 

　　a) 使用的功率單元及功率器件數(shù)量太多，6kV系統(tǒng)要使用150只功率器件(90只二極管，60只IGBT)，裝 置的體積太大，重量大，安裝位置和基建投資成問題;

　　b)所需高壓電纜太多，系統(tǒng)的內(nèi)阻無形中增大，接線太多，故障點(diǎn)相應(yīng)的增多;

　　c) 一個(gè)單元損壞時(shí)，單元可旁路，但此時(shí)輸出電壓不平衡中心點(diǎn)的電壓是浮動(dòng)的，造成電壓、電流不平衡，從而諧波也相應(yīng)的增大，勉強(qiáng)運(yùn)行時(shí)終 究會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)的損壞;

　　d)輸出電壓波形在額定負(fù)載時(shí)尚好，低于25Hz以下畸變突出;

　　d)輸出電壓波 形在額定負(fù)載時(shí)尚好，低于25Hz以下畸變突出;

　　e)由于系統(tǒng)中存在著變壓器，系統(tǒng)效率再提高不容易實(shí)現(xiàn);移相變壓器中，6kV 三相6繞組×3(10kV時(shí)需12繞組×3)延邊三角形接法，在三相電壓不平衡(實(shí)際上三相電壓是不可能絕對(duì)平衡的)時(shí)，產(chǎn)生的內(nèi)部環(huán)流，必將引起內(nèi)阻的 增加和電流的損耗，也相應(yīng)的就造成了變壓器的銅損增大。此時(shí)，再加上變壓器的鐵芯的固有損耗，變壓器的效率就會(huì)降低，也就影響了整個(gè)高壓變頻器的效率。這 種情況在越低于額定負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，越是顯著。10kV時(shí)，變壓器有近400個(gè)接頭、近百根電纜。在額定負(fù)荷時(shí)效率可達(dá)96%，但在輕負(fù)荷時(shí)，效率低于 90%。

　　(2)中性點(diǎn)鉗位三電平PWM變頻器

　　該系列變頻器采用傳統(tǒng)的電壓型變頻器結(jié)構(gòu)。中性點(diǎn)鉗位三電平PWM變頻器的逆變部 分采用傳統(tǒng)的三電平方式，所以輸出波形中會(huì)不可避免地產(chǎn)生比較大的諧波分量，這是三電平逆變方式所固有的。因此在變頻器的輸出側(cè)必須配置輸出LC濾波器才 能用于普通的鼠籠型電機(jī)。同樣由于諧波的原因，電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)和效率、甚至壽命都會(huì)受到一定的影響，只有在額定工況點(diǎn)才能達(dá)到最佳的工作狀態(tài)，但隨著轉(zhuǎn)速的下降，功率因數(shù)和效率都會(huì)相應(yīng)降低。

　　多電平+多重化高壓變頻器。多電平+多重化高壓變頻器的本意是想解決高壓IGBT的耐壓有限的問題，但此種方式，不僅增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，而且降低了多重化冗余性能好和三電平結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。因此此類變頻器實(shí)際上并不可取。

　　此類型變頻器的性能價(jià)格優(yōu)勢(shì)并不大，與其同時(shí)采用多電平和多重化兩種技術(shù)，還不如采用前面提到的高壓IGBT的多重化變頻器或者三電平變頻器。

　　(3)電流源型高壓變頻器

　　功率器件直接串聯(lián)的電流源型高壓變頻器是在線路中串聯(lián)大電感，再將SCR(或GTO、 SGCT等)開關(guān)速度較慢的功率器件直接串聯(lián)而構(gòu)成的。

　　這種方式雖然使用功率器件少、易于控制電流，但是沒有真正解決高壓功率器 件的串聯(lián)問題。因?yàn)榧词构β势骷霈F(xiàn)故障，由于大電感的限流作用，di/dt受到限制，功率器件雖不易損壞，但帶來的問題是對(duì)電網(wǎng)污染嚴(yán)重、功率因數(shù)低。并且電流源型高壓變頻器對(duì)電網(wǎng)電壓及電機(jī)負(fù)載的變化敏感，無法做成真正的通用型產(chǎn)品。

　　電流源型高壓變頻器是最早的產(chǎn)品，但凡是電壓型變頻器到達(dá)的地方，它都被迫退出，因?yàn)樵诮?jīng)濟(jì)上、技術(shù)上，它都明顯處于劣勢(shì)。

　　3.IGBT直接串聯(lián)的直接高壓變頻器

　　3.1 主電路簡(jiǎn)介

　　
圖1.IGBT直接串聯(lián)高壓變頻

　　如圖1所示，圖中系統(tǒng)由電網(wǎng)高壓直接經(jīng)高壓斷路器進(jìn)入變頻器，經(jīng)過高壓二極管全橋整流、直流平波電抗器和電容濾波，再通過 逆變器進(jìn)行逆變，加上正弦波濾波器，簡(jiǎn)單易行地實(shí)現(xiàn)高壓變頻輸出，直接供給高壓電動(dòng)機(jī)。

　　功率器件IGBT直接串聯(lián)的二電平電壓型 高壓變頻器是采用變頻器已有的成熟技術(shù)，應(yīng)用獨(dú)特而簡(jiǎn)單的控制技術(shù)成功設(shè)計(jì)出的一種無輸入輸出變壓器、IGBT直接串聯(lián)逆變、輸出效率達(dá)98%的高壓調(diào)速系統(tǒng)。對(duì)于需要快速制動(dòng)的場(chǎng)合，采用直流放電制動(dòng)裝置，如圖2所示：

　　
圖2.具有直流放電制動(dòng)裝置的IGBT直接串聯(lián)高壓變頻器主電路圖

　　如果需要四象限運(yùn)行，以及需要能量回饋的場(chǎng)合，或輸入電源側(cè)短路容量較小時(shí)，也可采用如圖3所示的PWM整流電路，使輸入 電流也真正實(shí)現(xiàn)完美正弦波。

　　
圖3.具備能量回饋和四象限運(yùn)行的IGBT直接串聯(lián)高壓變頻器主電路圖

　　3.2 IGBT直接串聯(lián)高壓變頻器25Hz、30Hz、40Hz、50Hz電壓、電流輸出波形及諧波圖：

3.3 核心關(guān)鍵技術(shù)

　　(1)高速功率器件的串聯(lián)技術(shù)

　　根據(jù)查新，世界 各國(guó)均未生產(chǎn)出IGBT直接串聯(lián)的高壓變頻器。原因正如一些權(quán)威人士所言:“IGBT是不能串聯(lián)的。因?yàn)殚_關(guān)時(shí)間短，微秒級(jí)，很難保證所有管子串聯(lián)同時(shí)開關(guān)。否則有的早開，所有的電壓都來加在晚開的管子上，那么這個(gè)1200V的管子加上6000V，只能燒掉，一燒一串，不可能串聯(lián)。”

　　(2) 正弦波技術(shù)

　　高壓電機(jī)對(duì)變頻器的輸出電壓波形有嚴(yán)格的要求，是業(yè)內(nèi)人士都知道的常識(shí)。解決變頻器輸出電壓波形，從兩方面著手:一是優(yōu)化 PWM波形;二是研制出特種濾波器。

　　過去一些人認(rèn)為:“三電平的電壓波形一定優(yōu)于二電平，今后就是低壓變 頻器也應(yīng)采用三電平。”，這種說法可能不太全面。三電平的總諧波含量可能低于二電平，但由于三電平的11次、13次諧波含量特別高，處理起來特別困難，而二電平只要波形優(yōu)化得好，60次以下的諧波皆可大大降低。而對(duì)60次以上的諧波濾波自然容易得多。人們使用三電平是為避免器件串聯(lián)的困難，不得已而為之。

　　(3) 抗共模電壓技術(shù)

　　僅解決IGBT的串聯(lián)，并不能甩掉輸入變壓器。原因在于共模電壓的存在。在低壓變頻器領(lǐng)域，近年來發(fā)現(xiàn)的電機(jī)軸承損壞，共模電壓就是影響之一，在高壓變頻器的領(lǐng)域中，共模電壓更是必須解決的關(guān)鍵問題之一。共模電壓(也叫零序電壓)，是指電動(dòng)機(jī)定子繞組的中心點(diǎn)和地之間的電壓。

　　共模電壓也是對(duì)外產(chǎn)生干擾的原因，特別是長(zhǎng)線傳輸設(shè)備。無論是電流源還是電壓源變頻器產(chǎn)生共模電壓是必然的。技術(shù)人員根據(jù)共模電壓產(chǎn)生的機(jī)理，采取了“堵和疏”的辦法將共模電壓消滅在變頻器內(nèi)部。

　　由于采用了上述三項(xiàng)核心關(guān)鍵技術(shù)，使IGBT直接高 壓變頻器的效率達(dá)到98%以上。輸出電壓正弦化、共模電壓最小化。適用于任何異步電機(jī)、同步電機(jī)，無需降容使用，幾km的長(zhǎng)線傳輸也無問題。對(duì)于傳輸距離 太長(zhǎng)時(shí)應(yīng)考慮線路電壓補(bǔ)償。如提高電壓或增大導(dǎo)線截面等。

　　4 系統(tǒng)特點(diǎn)：

　　(1)電壓等級(jí)為3kV-10kV;

　　(2)系統(tǒng)自帶專門設(shè)計(jì)的高壓開關(guān)柜，與本身高壓變頻器高效安全配套，并含變/工頻切換裝 置和電子式真空斷路器;

　　(3)全中文操作界面，基于 Windows操作平臺(tái)，彩色液晶觸摸屏，便于就地監(jiān)控、設(shè)定參數(shù)、選擇功能和調(diào)試;

　　(3)內(nèi)置PLC可編程控制器，易于改變和擴(kuò)展控制邏輯關(guān)系;

　　(4)高壓主電路與低壓控制電路采 用光纖傳輸，安全隔離，使得系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng);

　　(5)控制電路通訊方式采用全數(shù)字化通訊;

　　(6)系統(tǒng)的 整流單元、逆變單元設(shè)計(jì)，選用組合模塊化積木結(jié)構(gòu)，整機(jī)占地面積小、重量輕，便于安裝、維護(hù);

　　(7)裝置可在本機(jī)上操作，也可實(shí) 現(xiàn)遠(yuǎn)距離外控，具備完善、方便的操作功能選擇;

　　(8)系統(tǒng)具有標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)通訊接口RS232或 RS422、RS485，可方便 的與用戶DCS系統(tǒng)或工控系統(tǒng)組態(tài)建立整個(gè)系統(tǒng)的工作站，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的自動(dòng)化控制程度，實(shí)現(xiàn)整個(gè)工控系統(tǒng)的全閉環(huán)監(jiān)控，從而獲得更加完善的、可靠自動(dòng)化運(yùn)行;

　　(10)具備全面的故障監(jiān)測(cè)、可靠的故障報(bào)警保護(hù)功能;

　　(11)輸入功率因數(shù)高，輸出電壓諧波 含量小，無需功率因數(shù)補(bǔ)償和諧波抑制器;

　　(12)輸出電壓為標(biāo)準(zhǔn)正弦波形，對(duì)電纜和電動(dòng)機(jī)的絕緣無損害，減輕電動(dòng)機(jī)的軸承和葉片 等機(jī)械部分震動(dòng)和磨損，延長(zhǎng)電動(dòng)機(jī)的使用壽命，輸出至電動(dòng)機(jī)的線纜長(zhǎng)度可達(dá)20km;

　　(13)采用獨(dú)特的抗共模電壓技術(shù)，使系統(tǒng)*模電壓 ≤1000V，無需再提高電動(dòng)機(jī)的絕緣等級(jí)，無需專用電機(jī);

　　(14)易于實(shí)現(xiàn)能量回饋和四象限運(yùn)行;并可直接引出直流 進(jìn)行直流輸電;

　　(15)對(duì)用戶的高壓異步電動(dòng)機(jī)無任何特殊要求。不但適用于新舊異步電動(dòng)機(jī)，也適用于同步電動(dòng)機(jī)。

　　5.應(yīng)用實(shí)例

　　IGBT直接串聯(lián)高壓變頻器在 煉鐵廠沖渣泵上的應(yīng)用

　　5.1 應(yīng)用概況

　　永峰鋼廠是萊鋼集團(tuán)公司的一個(gè)主要生產(chǎn)廠，負(fù)責(zé)公司所需鐵水和鐵塊冶煉。高爐冶煉鐵水過程中產(chǎn)生大量的熔渣，通常是用大流量的中壓水將其降溫并 沖散，同時(shí)輸送到水渣池回收，作為煉鐵生產(chǎn)的副產(chǎn)品。高爐生產(chǎn)是不間斷的，一般情況下每天出鐵15次，在高爐出鐵前、后各放一次渣，兩次出渣時(shí)間約 30min，在此時(shí)間內(nèi)要求水沖渣系統(tǒng)的水泵滿負(fù)荷工作，其余時(shí)間水泵只需保持約30%水流量防止管道堵塞即可。4#-高爐使用ZGB-300型沖渣泵，原系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，起動(dòng)前管道進(jìn)出水閥門關(guān)閉，起動(dòng)后閥門開度約90%，機(jī)組全速運(yùn)行，電網(wǎng)電壓6300V，電機(jī)運(yùn)行電流33A，功率因數(shù)81.6%，耗電功率294kW。不需沖渣水時(shí)通過調(diào)節(jié)閥門在30%來調(diào)節(jié)水流量(此時(shí)電機(jī)電流25A)，耗電功率214kW，一方面導(dǎo)致大量的節(jié)能損失，另一方面頻繁操作閥門，致使其使用壽命大大降低，增加了停產(chǎn)更換閥門的時(shí)間，為此公司決定對(duì)4#高爐沖渣泵進(jìn)行改造。

　　5.2 改造方案

　　由電機(jī)轉(zhuǎn)速公式n=60f×(1-s)/p可知:只要改變電機(jī)的頻率f，就可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，高電壓大功率變頻器通過控制IGBT(絕緣柵雙極型電力場(chǎng)效應(yīng)管)的導(dǎo)通和關(guān)斷，使輸出頻率連續(xù)可調(diào)。而且是隨著頻率的變化，輸出電流、電壓、功率都將發(fā)生變化，即負(fù)荷大時(shí)轉(zhuǎn)速大， 輸出功率大，負(fù)荷小時(shí)轉(zhuǎn)速小，輸出功率也小。

　　由流體力學(xué)：：Q′=Q(n′/n) 、H′=H(n′/n)2 、P′=P(n′/n)3 可知: 當(dāng)泵機(jī)低于額定轉(zhuǎn)速時(shí)節(jié)電為：E=〔1-(n′/n)3〕×P×T(kWh)

　　可見，通過變頻改造，沖渣泵流量Q、壓力H及軸功率P都將發(fā)生較大的改 變，不但節(jié)能而且大大提高了設(shè)備運(yùn)行性能。根據(jù)沖渣泵的實(shí)際特性對(duì)其進(jìn)行了具體改造，沖渣泵在沖渣時(shí)工作在49.5Hz，在不沖渣時(shí)工作在25Hz，考慮 到工藝對(duì)調(diào)速精度要求不是很高，本系統(tǒng)只采用開環(huán)控制并在高爐值班室操作，需沖渣時(shí)給調(diào)節(jié)系統(tǒng)一個(gè)“1”的信號(hào)，電機(jī)高速運(yùn)行，不需沖渣時(shí)將此信號(hào)取消，電機(jī)低速運(yùn)行，取得了很好的節(jié)能效果。

　　5.3 改造后的系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行狀況

　　根據(jù)18個(gè)月的運(yùn)行，經(jīng)過反復(fù)多種測(cè)試各運(yùn)行參數(shù)一直正常，變頻器質(zhì)量性能良好，安全可靠，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求.

　　(1)諧波抑制效果良好。電壓諧波含量小于3%，符合 IEEE519-1992和GB/T14549-93標(biāo)準(zhǔn)。

　　(2)各種保護(hù)功能完善。過流、過壓、欠壓、故障保 護(hù)等功能可靠，并且考慮了外部電網(wǎng)的防雷擊等多環(huán)節(jié)保護(hù)功能。

　　(3)各種指示功能完備。具有輸入、輸出電流和電壓、運(yùn)行頻率、故障顯示、運(yùn)行狀態(tài)指示等功能。

　　(4)操作簡(jiǎn)便。同普通的低壓變頻器的功能操作方式相似，功能設(shè)置和調(diào)整簡(jiǎn)單方便。

　　5.4 改造效益

　　機(jī)組49.5Hz運(yùn)行和無變頻器運(yùn)行相比可節(jié)省功率ΔP1=P50-P49.5=80kW;

　　機(jī)組25Hz運(yùn)行和無變頻器運(yùn)行相比可節(jié)省功率ΔP2=214kW-P25=132kW;

　　年節(jié)電量:ΔW= (H1ΔP1+H2ΔP2)=365(7.5×80+16.5×132)=1013970kWh;

　　(注:每年按365天 計(jì)H1:沖渣時(shí)間=15×30/60=7.5小時(shí);H2:不沖渣時(shí)間=24-7.5=16.5小時(shí));

　　經(jīng)濟(jì)效益:ΔW電價(jià)=1013970×0.56=567823元(注:萊鋼廠工業(yè)電價(jià)0.56元/kWh);

　　實(shí)現(xiàn)電機(jī)軟起動(dòng)功能，延長(zhǎng)了電機(jī)壽命，大大減少了沖渣泵故障發(fā)生率;

　　提高了自動(dòng)化水平，節(jié)約了大量工業(yè)用水;

　　由上述可知，綜合經(jīng)濟(jì)效益每年可達(dá)60多萬元，一年即可全部收回成本。

　　5.5 結(jié)論

　　由于IGBT直接串聯(lián)高壓變頻器無輸入輸出變壓器、體積小、性價(jià)比高、綜合性能好等方面均超過了國(guó)內(nèi)外其它產(chǎn)品，是新一代高性能高 壓變頻產(chǎn)品的代表，為高壓變頻調(diào)速技術(shù)在廠內(nèi)其它工序的技術(shù)改造提供了一條可行的途徑，在高壓變頻改造領(lǐng)域具有極大的推廣價(jià)值。