電源設(shè)計(jì)指南:拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(二)
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中高壓變頻器主電路拓?fù)?/strong>結(jié)構(gòu)的分析比較
摘要:對中高壓變頻器幾種常見的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析比較,對不同電路結(jié)構(gòu)的中高壓變頻器的可靠性、冗余設(shè)計(jì)、諧波含量及dv/dt等指標(biāo)進(jìn)行了深入的討論,并對中高壓變頻器的發(fā)展方向提出了自己的看法。
1前言
眾所周知,大功率風(fēng)機(jī)、水泵的變頻調(diào)速方案,可以收到顯著的節(jié)能效果,其直接經(jīng)濟(jì)效益很大,宏觀經(jīng)濟(jì)效益及社會效益則更大??梢灶A(yù)計(jì),大功率交流電機(jī)變頻調(diào)速新技術(shù)的發(fā)展是我國節(jié)能事業(yè)的主導(dǎo)方向之一。目前,阻礙變頻調(diào)速技術(shù)在高壓大功率交流傳動(dòng)中推廣應(yīng)用的主要問題有兩個(gè):一是我國大容量(200kW以上)電動(dòng)機(jī)的供電電壓高(6kV、10kV),而組成變頻器的功率器件的耐壓水平較低,造成電壓匹配上的難題;二是高壓大功率變頻調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)含量高,難度大,成本也高,而一般的風(fēng)機(jī)、水泵等節(jié)能改造都要求低投入、高回報(bào),從而造成經(jīng)濟(jì)效益上的難題。這兩個(gè)世界性的難題阻礙了高壓大容量變頻調(diào)速技術(shù)的推廣應(yīng)用,因此如何解決高壓供電和用高技術(shù)生產(chǎn)出低成本高可靠性的變頻調(diào)速裝置是當(dāng)前世界各國相關(guān)行業(yè)競相關(guān)注的熱點(diǎn)。一般來講,在高壓供電而功率器件耐壓能力有限的情況下,可采用功率器件串聯(lián)的方法來解決。但是器件在串聯(lián)使用時(shí),因?yàn)楦髌骷膭?dòng)態(tài)電阻和極電容不同,而存在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)均壓的問題。如果采用與器件并聯(lián)R和RC的均壓措施,會使電路復(fù)雜,損耗增加;同時(shí),器件的串聯(lián)對驅(qū)動(dòng)電路的要求也大大提高,要盡量做到串聯(lián)器件同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷,否則由于各器件開斷時(shí)間不一,承受電壓不均,會導(dǎo)致器件損壞甚至整個(gè)裝置崩潰。
諧波問題是所有變頻器的共同問題,尤其在大功率變頻調(diào)速中更為突出。諧波會污染電網(wǎng),殃及同一電網(wǎng)上的其它用電設(shè)備,甚至影響電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行;諧波還會干擾通訊和控制系統(tǒng),嚴(yán)重時(shí)會使通訊中斷,系統(tǒng)癱瘓;諧波電流也會使電動(dòng)機(jī)損耗增加,因而發(fā)熱增加,效率及功率因數(shù)下降,以至不得不“降額”使用。
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中高壓變頻器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分析比較
還有效率問題,變頻調(diào)速裝量的容量愈大,系統(tǒng)的效率問題也就愈加重要。采用不同的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),使用的功率器件的種類、數(shù)量的多少,以及變壓器,濾波器等的使用,都會影響系統(tǒng)的效率。為了提高系統(tǒng)效率,必須設(shè)法盡量減少功率開關(guān)器件和變頻調(diào)速裝置的損耗。
可靠性和冗余設(shè)計(jì)問題,一般的高壓大功率拖動(dòng)系統(tǒng)都要求很高的系統(tǒng)可靠性,尤其是國民經(jīng)濟(jì)的重要部門如電力、能源、冶金、礦山和石化等行業(yè),一旦出現(xiàn)故障,將會造成人民生命財(cái)產(chǎn)的巨大損失,因此高壓變頻裝置設(shè)計(jì)中是否便于采用冗余設(shè)計(jì)及旁路控制功能也是至關(guān)重要的。
目前世界上的高壓變頻器不象低壓變頻器那樣具有成熟的、一致性的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),而是限于采用目前電壓耐量的功率器件,如何面對高壓使用條件的要求,國內(nèi)外各變頻器生產(chǎn)廠商八仙過海,各有高招,因此其主電路結(jié)構(gòu)不盡一致,但都較為成功地解決了高電壓大容量這一難題。當(dāng)然在性能指標(biāo)及價(jià)格上也各有差異。如美國羅賓康(ROBICON)公司生產(chǎn)的完美無諧波變頻器;洛克韋爾(AB)公司生產(chǎn)的Bulletin1557和PowerFlex7000系列變頻器,德國西門子公司生產(chǎn)的SIMOVERTMV中壓變頻器;瑞典ABB公司生產(chǎn)的ACS1000系列變頻器;意大利ANSALDO公司生產(chǎn)的SILCOVERT?TH變頻器以及日本三菱、富士公司生產(chǎn)的完美無諧波變頻器和國內(nèi)北京的凱奇、先行、利德華福公司和成都佳靈公司生產(chǎn)的高壓變頻器等。
本文對中高壓變頻器幾種常用的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析比較,對不同電路結(jié)構(gòu)的中高壓變頻器的可靠性、冗余設(shè)計(jì)、諧波含量以及dv/dt等指標(biāo)進(jìn)行了深入的討論,并對中高壓變頻器的發(fā)展方向提出了自己的看法。
2功率器件串聯(lián)二電平電流型高壓變頻器
美國洛克韋爾公司的中壓變頻器Bulletin1557系列,其電路結(jié)構(gòu)為交?直?交電流源型,采用功率器件GTO串聯(lián)的兩電平逆變器。其控制方式采用無速度傳感器直接矢量控制,電機(jī)轉(zhuǎn)矩可快速變化而不影響磁通,綜合了脈寬調(diào)制和電流源結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn),其運(yùn)行效果近似直流傳動(dòng)裝置。該公司可提供幾種方案以滿足諧波抑制的要求,如標(biāo)準(zhǔn)的12脈沖和18脈沖及PWM整流器,標(biāo)準(zhǔn)的諧波濾波器及功率因數(shù)補(bǔ)償器,以使其諧波符合IEEE519?1992標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。圖1所示為18脈沖整流器的Bulletin1557變頻器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。
AB公司于近期推出新一代的中壓變頻器PowerFlex7000系列,用新型功率器件——對稱門極換流晶閘管(SGCT)代替原先的GTO,使驅(qū)動(dòng)和吸收電路簡化,系統(tǒng)效率提高,6kV系統(tǒng)每個(gè)橋臂采用三只耐壓為6500V的SGCT串聯(lián)。
電流源變頻器的優(yōu)點(diǎn)是易于控制電流,便于實(shí)現(xiàn)能量回饋和四象限運(yùn)行;缺點(diǎn)是變頻器的性能與電機(jī)的參數(shù)有關(guān),不易實(shí)現(xiàn)多電機(jī)聯(lián)動(dòng),通用性差,電流的諧波成分大,污染和損耗較大,且共模電壓高,對電機(jī)的絕緣有影響。
AB公司的變頻器采用功率器件串聯(lián)的二電平逆變方案,結(jié)構(gòu)簡單,使用的功率器件少,但器件串聯(lián)帶來均壓問題,且二電平輸出的dv/dt會對電機(jī)的絕緣造成危害,要求提高電機(jī)的絕緣等級;且諧波成分大,需要專門設(shè)計(jì)輸出濾波器,才能供電機(jī)使用,即使如此其總諧波畸變THD也僅能達(dá)到4%左右。
輸入端采用可控器件實(shí)現(xiàn)PWM整流,便于實(shí)現(xiàn)能量回饋和四象限運(yùn)行,但同時(shí)使網(wǎng)側(cè)諧波增大,需加進(jìn)線電抗器濾波才能滿足電網(wǎng)的要求,這也增加了體積和成本。
因?yàn)槭侵苯痈邏鹤冾l,電網(wǎng)電壓和電機(jī)電壓相同,容易實(shí)現(xiàn)旁路控制功能,以便在裝置出現(xiàn)故障時(shí)將電機(jī)投入電網(wǎng)運(yùn)行。
3單元串聯(lián)多重化電壓源型變頻器美國羅賓康公司利用單元串聯(lián)多重化技術(shù),生產(chǎn)出功率為315kW~10MW的完美無諧波(PERFECTHARMONY)高壓變頻器,無須輸出變壓器實(shí)現(xiàn)了直接3.3kV或6kV高壓輸出;首家在高壓變頻器中采用了先進(jìn)的IGBT功率開關(guān)器件,達(dá)到了完美無諧波的輸出波形,無須外加濾波器即可滿足各國供電部門對諧波的嚴(yán)格要求;輸入功率因數(shù)可達(dá)0.95以上,THD<1%,總體效率(包括輸入隔離變壓器在內(nèi))高達(dá)97%。達(dá)到這么高指標(biāo)的原因是采用了三項(xiàng)新的
圖1Bulletin1557變頻器主電路結(jié)構(gòu)圖
圖2多重化變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖
圖3五功率單元串聯(lián)變頻器的電氣連接
高壓變頻技術(shù):一是在輸出逆變部分采用了具有獨(dú)立電源的單相橋式SPWM逆變器的直接串聯(lián)疊加;二是在輸入整流部分采用了多相多重疊加整流技術(shù);三是在結(jié)構(gòu)上采用了功率單元模塊化技術(shù)。
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所謂多重化技術(shù)就是每相由幾個(gè)低壓PWM功率單元串聯(lián)組成,各功率單元由一個(gè)多繞組的隔離變壓器供電,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)。多重化技術(shù)從根本上解決了一般6脈沖和12脈沖變頻器所產(chǎn)生的諧波問題,可實(shí)現(xiàn)完美無諧波變頻。圖2為6kV變頻器的主電路拓?fù)鋱D,每組由5個(gè)額定電壓為690V的功率單元串聯(lián),因此相電壓為690V×5=3450V,所對應(yīng)的線電壓為6000V。每個(gè)功率單元由輸入隔離變壓器的15個(gè)二次繞組分別供電,15個(gè)二次繞組分成5組,每組之間存在一個(gè)12°的相位差。圖3中以中間△接法為參考(0°),上下方各有兩套分別超前(+12°、+24°)和滯后(-12°、-24°)的4組繞組。所需相差角度可通過變壓器的不同聯(lián)接組別來實(shí)現(xiàn)。
圖3中的每個(gè)功率單元都是由低壓絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)構(gòu)成的三相輸入,單相輸出的低壓PWM電壓型逆變器。功率單元電路見圖4。每個(gè)功率單元輸出電壓為1、0、-1三種狀態(tài)電平,每相5個(gè)單元疊加,就可產(chǎn)生11種不同的電平等級,分別為±5、±4、±3、±2、±1和0。圖5為一相合成的正波輸出電壓波形。用這種多重化技術(shù)構(gòu)成的高壓變頻器,也稱為單元串聯(lián)多電平PWM電壓型變頻器,采用功率單元串聯(lián),而不是用傳統(tǒng)的器件串聯(lián)來實(shí)現(xiàn)高壓輸出,所以不存在器件均壓的問題。每個(gè)功率單元承受全部的輸出電流,但僅承受1/5的輸出相電壓和1/15的輸出功率。變頻器由于采用多重化PWM技術(shù),由5對依次相移12°的三角載波對基波電壓進(jìn)行調(diào)制。對A相基波調(diào)制所得的5個(gè)信號,分別控制A1~A5五個(gè)功率單元,經(jīng)疊加可得圖5所示的具有11級階梯電平的相電壓波形,線電壓波型具有21階梯電平,它相當(dāng)于30脈波變頻,理論上19次以下的諧波都可以抵消,總的電壓和電流失真率可分別低于1.2%和0.8%,堪稱完美無諧波變頻器。它的輸入功
圖4功率單元電路
圖5五功率單元串聯(lián)輸出電壓波形
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中高壓變頻器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分析比較
圖6ACS1000變頻器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖
率因數(shù)可達(dá)0.95以上,不必設(shè)置輸入濾波器和功率因數(shù)補(bǔ)償裝置。變頻器同一相的功率單元輸出相同的基波電壓,串聯(lián)各單元之間的載波錯(cuò)開一定的相位,每個(gè)功率單元的IGBT開關(guān)頻率若為600Hz,則當(dāng)5個(gè)功率單元串聯(lián)時(shí),等效的輸出相電壓開關(guān)頻率為6kHz。功率單元采用低的開關(guān)頻率可以降低開關(guān)損耗,而高的等效輸出開關(guān)頻率和多電平可以大大改善輸出波形。波形的改善除減小輸出諧波外,還可以降低噪聲、dv/dt值和電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。所以這種變頻器對電機(jī)無特殊要求,可用于普遍籠型電機(jī),且不必降額使用,對輸出電纜長度也無特殊限制。由于功率單元有足夠的濾波電容,變頻器可承受-30%電源電壓下降和5個(gè)周期的電源喪失。這種主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)雖然使器件數(shù)量增加,但由于IGBT驅(qū)動(dòng)功率很低,且不必采用均壓電路、吸收電路和輸出濾波器,可使變頻器的效率高達(dá)96%以上。
單元串聯(lián)多重化變頻器的優(yōu)點(diǎn)是:
1)由于采用功率單元串聯(lián),可采用技術(shù)成熟,價(jià)格低廉的低壓IGBT組成逆變單元,通過串聯(lián)單元的個(gè)數(shù)適應(yīng)不同的輸出電壓要求;
2)完美的輸入輸出波形,使其能適應(yīng)任何場合及電機(jī)使用;
3)由于多功率單元具有相同的結(jié)構(gòu)及參數(shù),便于將功率單元做成模塊化,實(shí)現(xiàn)冗余設(shè)計(jì),即使在個(gè)別單元故障時(shí)也可通過單元旁路功能將該單元短路,系統(tǒng)仍能正?;蚪殿~運(yùn)行。
其缺點(diǎn)是:
1)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,安裝位置成問題;
2)無法實(shí)現(xiàn)能量回饋及四象限運(yùn)行,且無法實(shí)現(xiàn)制動(dòng);
3)當(dāng)電網(wǎng)電壓和電機(jī)電壓不同時(shí)無法實(shí)現(xiàn)旁路切換控制。
用功率單元串聯(lián)構(gòu)成高壓變頻器的另一種改進(jìn)方案是采用高壓IGBT器件,以減少串聯(lián)的功率單元數(shù)。例如,用3300V耐壓的IGBT器件,用兩個(gè)功率單元串聯(lián)的變頻器可輸出4.16kV中壓;若要6kV輸出,只要三個(gè)單元串聯(lián)。功率單元和器件數(shù)量的減少,使損耗和故障也減少了,有利于提高裝置的效率和可靠性,縮小裝置體積。但由于電平級數(shù)的減少,輸出諧波增加,為獲得優(yōu)良的輸出波形,必須加輸出濾波器。另外由于高壓IGBT比普通低壓IGBT要貴得多,所以雖然功率器件減少了,但成本不一定下降。
4中性點(diǎn)鉗位三電平PWM變頻器
在PWM電壓源型變頻器中,當(dāng)輸出電壓較高時(shí),為了避免器件串聯(lián)引起的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)均壓問題,同時(shí)降低輸出諧波及dv/dt的影響,逆變器部分可以采用中性點(diǎn)鉗位的三電平方式(Neutralpointclamped:NPC)。逆變器的功率器件可采用高壓IGBT或IGCT。ABB公司生產(chǎn)的ACS1000系列變頻器為采用新型功率器件——集成門極換流晶閘管(IGCT)的三電平變頻器,輸出電壓等級有2.2kV、3.3kV和4.16kV。圖6所示為ACS100012脈沖整流三電平電壓源變頻器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。西門子公司采用高壓IGBT器件,生產(chǎn)了與此類似的變頻器SIMOVERTMV系列。
整流部分采用12脈波二極管整流器,逆變部分采用三電平PWM逆變器。由圖6可以看出,該系列變頻器采用傳統(tǒng)的電壓型變頻器結(jié)構(gòu),通過采用高耐壓的IGCT功率器件,使得器件總數(shù)減少為12個(gè)。隨著器件數(shù)量的減少,成本降低,電路結(jié)構(gòu)簡潔,從而使體積縮小,可靠性更高。
由于變頻器的整流部分是非線性的,產(chǎn)生的高次諧波將對電網(wǎng)造成污染。為此,圖6所示的ACS1000系列變頻器的12脈波整流接線圖中,將兩組三相橋式整流電路用整流變壓器聯(lián)系起來,其初級繞組接成三角形,其次級繞組則一組接成三角形,另一組接成星形,整流變壓器兩個(gè)次級繞組的線電壓相同,但相位則相差30°角,這樣5次、7次諧波在變壓器的初級將會有180°的相移,因而能夠互相抵消,同樣的17、19次諧波也會互相抵消。這樣經(jīng)過2個(gè)整流橋的串聯(lián)疊加后,即可得到12脈波的整流輸出波形,比6脈波更平滑,并且每個(gè)整流橋的二級管耐壓可降低一半。采用12相整流電路減少了特征諧波含量,由于
圖7三電平PWM變頻器輸出線電壓波形圖
圖8四電平逆變器結(jié)構(gòu)圖
特征諧波次數(shù)N=KP±1(P為整流相數(shù)、K為自然數(shù))。所以網(wǎng)側(cè)特征諧波只有11、13、23、25次等。如果采用24脈波整流電路,網(wǎng)側(cè)諧波將更進(jìn)一步被抑制。兩種方案均可使輸入功率因數(shù)在全功率范圍內(nèi)保證在0.95以上,不需要功率因數(shù)補(bǔ)償電容器。
變頻器的逆變部分采用傳統(tǒng)的三電平方式,所以輸出波形中會不可避免地產(chǎn)生比較大的諧波分量(THD達(dá)12.8%),這是三電平逆變方式所固有的,其線電壓波形見圖7。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)。經(jīng)過LC濾波器后,可使其THD<1%。同樣由于諧波的原因,電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)和效率都會受到一定的影響,只有在額定工況點(diǎn)才能達(dá)到最佳的工作狀態(tài),隨著轉(zhuǎn)速的下降,功率因數(shù)和效率都會相應(yīng)降低。
三電平逆變器的結(jié)構(gòu)簡單,體積小,成本低,使用功率器件數(shù)量最少(12只),避免了器件的串聯(lián),提高了裝置的可靠性指標(biāo)。根據(jù)目前IGCT及高壓IGBT的耐壓水平,三電平逆變器的最高輸出電壓等級為4.16kV,當(dāng)輸出電壓要求6kV時(shí),采用12個(gè)功率器件已不能滿足要求,必須采用器件串聯(lián),除了增加成本外,必然會帶來均壓問題,失去了三電平結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢,并且會大大影響系統(tǒng)的可靠性。若將來采用9kV耐壓的IGCT,則三電平變頻器可直接輸出6kV,但是諧波及dv/dt也相應(yīng)增加,必須加強(qiáng)濾波功能以滿足THD指標(biāo)?;蛘卟捎孟旅嬉v到的四電平逆變器。在9kV耐壓的器件出現(xiàn)之前,對于6kV高壓電機(jī),可采用Y/△改接的辦法,將Y型接法的6kV電機(jī)改為△接法,線電壓為3.47kV,采用3.3kV或4.16kV輸出的變頻器即能滿足要求,同時(shí)也滿足了IGCT電壓型變頻器對電機(jī)的絕緣等級提高一級的要求,因此這個(gè)方案可能是最經(jīng)濟(jì)合理的。但在進(jìn)行Y/△改接后,電機(jī)電壓與電網(wǎng)電壓不一致,無法實(shí)現(xiàn)旁路功能,當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時(shí),又要保證生產(chǎn)的正常進(jìn)行,必須首先將電機(jī)改回Y型接法,再投入6kV電網(wǎng)。為此,電機(jī)的Y/△改接應(yīng)通過Y/△切換柜實(shí)現(xiàn),以便實(shí)現(xiàn)旁路功能。而ACS1000系列本身的旁路切換是在電機(jī)電壓與電網(wǎng)電壓一致時(shí)完成的。若采用有源輸入前端,則可實(shí)現(xiàn)能量回饋及四象限運(yùn)行,但三電平結(jié)構(gòu)不易實(shí)現(xiàn)冗余設(shè)計(jì)。
5多電平高壓變頻器
隨著現(xiàn)代拓?fù)浼夹g(shù)的發(fā)展,多電平高壓變頻調(diào)速技術(shù)得到了實(shí)際的應(yīng)用。這種高壓變頻器的代表是法國阿爾斯通(ALSTOM)公司生產(chǎn)的ALSPAVDM6000系列高壓變頻器,其逆變器結(jié)構(gòu)如圖8所示。
由圖8可見,功率器件不是簡單地串聯(lián),而是結(jié)構(gòu)上的串聯(lián),通過電容鉗位,保證了電壓的安全分配。其主要特點(diǎn)是:
1)通過整體單元裝置的串并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以滿足不同的電壓等級(如3.3kV、4.16kV、6.6kV、10kV)的需要。
2)這種結(jié)構(gòu)可使系統(tǒng)普遍采用直流母線方案,以實(shí)現(xiàn)在多臺高壓變頻器之間能量互相交換。
3)這種結(jié)構(gòu)沒有傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的各級功率器件上的眾多分壓分流裝置,消除了系統(tǒng)的可靠性低的因素,從而使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)非常簡單,可靠,易于維護(hù)。
4)輸出波形非常接近正弦波,可適用于普通感應(yīng)電機(jī)和同步電機(jī)調(diào)速,而無需降低容量,沒有dv/dt對電機(jī)絕緣等的影響,電機(jī)沒有額外的溫升,是一種技術(shù)先進(jìn)的高壓變頻器。輸出電壓和電機(jī)電流波形如圖9所示。
5)ALSPAVDM6000系列高壓變頻器可根據(jù)電網(wǎng)對諧波的不同要求采用12脈波,18脈波的二極管整流或晶閘管整流;若要將電能反饋回電網(wǎng),可用晶閘管整流橋;若要求控制電網(wǎng)的諧波、功率因數(shù),及實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行,可選擇有源前端。6多電平+多重化變頻器
日本富士公司采用高壓IGBT開發(fā)的中壓變頻器FRENIC4600FM4系列,它匯集了多電平和多重化變
中高壓變頻器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分析比較
(b)電機(jī)電流
(a)輸出電壓
圖9ALSPAVDM6000輸出電壓電流波形
頻器的許多優(yōu)點(diǎn),它以多個(gè)中壓三電平PWM逆變器功率單元多重化串聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)直接高壓輸出,因此構(gòu)成了一個(gè)雙完美無諧波系統(tǒng):對電網(wǎng)為多重疊加整流,諧波符合IEEE519?1992的要求;對電動(dòng)機(jī)為完美無諧波正弦波輸出,可以直接驅(qū)動(dòng)任何品牌的交流鼠籠型電動(dòng)機(jī)。
該型變頻器由于采用了高壓整流二極管和高壓IGBT,因此系統(tǒng)主電路使用的器件大為減少,可靠性提高,損耗降低,體積縮小。變頻器的綜合效率可達(dá)98%,功率因數(shù)高達(dá)0.95,不需要加設(shè)進(jìn)相電容器或交直流電抗器,也不需要輸出濾波器,使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大為簡化。圖10所示為FRENIC4600FM4的主電路及功率單元結(jié)構(gòu)圖。
但是仔細(xì)分析,該型變頻器的性能價(jià)格優(yōu)勢并不大,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,反而顯得有些不倫不類。因?yàn)椋萌娖郊夹g(shù)構(gòu)成單相逆變功率單元,在器件數(shù)量上并不占優(yōu)勢,要比同樣電壓和功率等級的三電平三相逆變器足足多用一倍的器件,同樣比普通單相逆變功率單元也正好多出一倍的器件。例如:用3300V耐壓的IGBT器件,采用單元串聯(lián)多重化電路6kV系統(tǒng)每相需三個(gè)單元串聯(lián),總共9個(gè)單元,共需54只整流二極管,36只IGBT;而采用三電平功率單元,每相需兩個(gè)單元串聯(lián),總共6個(gè)單元,共需72只整流二極管,48只IGBT,足足多用了1/3的器件并且使功率單元的冗余成本增加了一倍,降低了多重化變頻器冗余性能好的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)增加了裝置的成本。所以該型變頻器實(shí)際上并不可取。
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7變壓器耦合輸出高壓變頻器
中高壓變頻器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),除了前面提到的二電平、多電平和單元串聯(lián)多重化方案外,1999年,有人提出了一種新型的變壓器耦合式單元串聯(lián)高壓變頻器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其主要思想是用變壓器將三個(gè)由高壓IGBT或IGCT構(gòu)成的常規(guī)二電平三相逆變器單元的輸出疊加起來,實(shí)現(xiàn)更高電壓輸出,并且這三個(gè)常規(guī)逆變器可采用普通低壓變頻器的控制方法,使得變頻器的電路結(jié)構(gòu)及控制方法都大大簡化。
圖11是這種新型高壓變頻器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖,該
圖11變壓器耦合輸出變頻器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖
(a)3相AC6600V主電路
(b)富士完美無諧波功率單元
圖10富士FRENIC4600FM4變頻器電路結(jié)構(gòu)圖
方案由下列部分組成:
——一個(gè)18脈波的輸入變壓器,可基本實(shí)現(xiàn)輸入電流無諧波;
——三個(gè)常規(guī)兩電平的三相DC/AC逆變器;
——三個(gè)變化為1:1的輸出變壓器;
——高壓電機(jī)。
下面從幾個(gè)方面分析其工作原理。
1)電壓關(guān)系
考慮電機(jī)的線電壓,可得:
UKL=Ua1b1+Ub1a2+Ua2b2
ULM=Ub2c2+Uc2b3+Ub3c3(1)
UMK=Uc3a3+Ua3c1+Uc1a1
由于輸出變壓器的變比為1:1,也就是
Ub1a2=Ua3b3,Uc2b3=Uc1b1,
Uc1a3=Ua2b2,于是可得到,
UKL=Ua1b1+Ua2b2+Ua3b3
ULM=Ub1c1+Ub2c2+Ub3c3(2)
UMK=Uc1a1+Uc2a2+Uc3a3電壓間的這種關(guān)系體現(xiàn)在圖12中。每個(gè)逆變器都采用SPWM或空間電壓矢量PWM(SVPWM)控制方法,每個(gè)逆變器輸出線電壓的有效值為〔〕aE,其中E為逆變器輸入直流電壓,a為調(diào)制深度,在諧波注入SPWM和SVPWM中a最大可為1.15。由式(2)可得電機(jī)線電壓的有效值為〔〕aE。
對線電壓為2300V的高壓電機(jī),E=1090V,采用額定電壓為1700V的IGBT就可構(gòu)成本系統(tǒng);對線電壓為4160V的高壓電機(jī),E=1970V,可采用額定電壓為3300V的IGBT;而當(dāng)高壓電機(jī)的線電壓為6600V時(shí),E=3130V,則應(yīng)采用額定電壓為4500V的IGCT;因此本方案具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。
2)電流關(guān)系
設(shè)電機(jī)三相電流平衡,電流的有效值為I,在不考慮電流諧波的情況下ia1=Isin(ωt)ib2=Isin(ωt-120°)(3)ic3=Isin(ωt+120°)
在圖12中,ia1=i4-i6,ib2=i6-i2,i2+i4+i6=0,從而有ia1=Isin(ωt+90°)ib2=Isin(ωt-30°)(4)ic3=Isin(ωt-150°)
考慮到輸出變壓器原邊和副邊電流相等,可計(jì)算得到第一個(gè)逆變器的三個(gè)輸出電流為,ia1=Isin(ωt)ib1=Isin(ωt-120°)(5)ic1=Isin(ωt+120°)
另外兩個(gè)逆變器的三個(gè)輸出電流也滿足以上關(guān)系,即:ia1=ia2=ia3=Isin(ωt)ib1=ib2=ib3=Isin(ωt-120°)(6)ic1=ic2=ic3=Isin(ωt+120°)
也就是說三個(gè)逆變器輸出電流完全平衡。
3)功率關(guān)系在得出電壓電流關(guān)系式后,我們很容易得到該高壓變頻器各部分間的功率關(guān)系。很顯然三個(gè)逆變器的視在功率VA1,VA2,VA3為VA1=VA2=VA3=〔〕aEI,而整個(gè)高壓變頻器的視在功率VA為VA=〔〕aEI,也就是說三個(gè)逆變器均分了整個(gè)變頻器的輸出。
4)PWM策略
由于三個(gè)逆變器電壓、電流和功率完全對稱,因此三個(gè)逆變器可采用完全相同的控制規(guī)律,這時(shí)加在電機(jī)的線電壓等于一個(gè)逆變器輸出線電壓的三倍,相當(dāng)于一個(gè)兩電平的PWM高壓變頻器,這種方法雖然簡單,但由于dv/dt太大,不宜采用。
一種比較好的方法是將三個(gè)逆變器的PWM信號相互錯(cuò)開1/3個(gè)開關(guān)周期,對SPWM來說就是三個(gè)逆變器各自采用一個(gè)三角波,且這三個(gè)三角波之間相位互差120°。圖13是采用這種方法后得到的電機(jī)線電壓波形,其中電壓頻率為40Hz,注入了15%的三
中高壓變頻器主電路拓?fù)?/strong>結(jié)構(gòu)的分析比較
次諧波??梢钥闯鲞@就是一個(gè)線電壓為7電平的高壓變頻器,相當(dāng)于四電平變頻器的線電壓波形。
5)輸出變壓器輸出變壓器在本方案中起著十分重要的作用,也可能是本方案的薄弱環(huán)節(jié),因?yàn)樘笕萘康淖儔浩鲿拗扑膽?yīng)用。一般情況下該變壓器可采用圖14所示結(jié)構(gòu)。從前面分析知道,輸出變壓器各繞組間的電壓有效值都為〔〕aE,且流過各繞組的電流相等,有效值都為,于是可得到該變壓器的容量為〔〕aE,也就是說輸出變壓器的容量為變頻器總?cè)萘康?/3,比高-低-高方案中的輸出變壓器的容量要小的多。
這種高壓變頻器方案具有如下突出的優(yōu)點(diǎn):
1)以三個(gè)常規(guī)的變頻器為核心可構(gòu)成高壓變頻器;
2)三個(gè)常規(guī)變頻器平衡對稱運(yùn)行,各自分擔(dān)總輸出功率的1/3;
3)整個(gè)變頻器的輸出可等效為7電平PWM輸出波形優(yōu)于普通三電平變頻器,與四電平變頻器相同??傊C波畸變THD<0.3%,dv/dt也較低;
4)輸出變壓器的容量只需總?cè)萘康?/3,可以內(nèi)置,也可以外裝;
5)18脈波輸入二極管整流器,網(wǎng)側(cè)諧波小,功率因數(shù)高。8結(jié)語
功率器件串聯(lián)二電平電流型變頻器由于其本身的缺點(diǎn),使用越來越受到限制。
單元串聯(lián)多重化變頻器是由于當(dāng)時(shí)功率器件耐壓太低的產(chǎn)物,系統(tǒng)復(fù)雜,器件數(shù)量多,體積龐大,故障率高;但卻歪打正著,贏得了無可比美的輸入輸出波形,堪稱“完美無諧波”;改進(jìn)的方法是用高壓IGBT或IGCT組成功率單元,以減少單元數(shù),縮小體積,但卻是以犧牲波形為代價(jià)的,要加輸出濾波器,使諧波達(dá)標(biāo)。
采用高壓IGBT、IGCT的三電平變頻器具有結(jié)構(gòu)簡單,可靠性高,器件數(shù)量少,效率高的優(yōu)點(diǎn),在高壓供電面前,能用多電平,誰還會去用多重化呢?但波形稍差,需加LC輸出濾波器,即使如此其成本也比多重化變頻器低。目前由于器件耐壓的限制,輸出電壓只能達(dá)到4.16kV,若要輸出6kV,可采用電機(jī)Y/△改接的辦法,看來這是6kV電機(jī)節(jié)能改造最經(jīng)濟(jì)合理的方案。
變壓器耦合輸出高壓變頻器,有望用目前耐壓水平的器件實(shí)現(xiàn)6kV、10kV高壓輸出,是一種很有前途的新型高壓變頻方案。
隨著功率器件的不斷發(fā)展,在中等功率高壓變頻器中,GTO即將退出舞臺,而高壓IGBT、IGCT是很有發(fā)展前途的器件,是解決中高壓變頻的希望;IGCT由于其導(dǎo)通壓降低、損耗小而占有一定的優(yōu)勢,將成為高壓變頻器的主要功率器件。