高压变频器

第二部分高压大功率变频器常识,前言一、定义二、基本原理三、功用四、应用场合五、电路构成六、构成高压变频器的功率器件的类型七、高压变频技术分类八、高-高变压器的种类九、用户关心的问题,前言,变频器：利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一种频率的电能控制装置。,变频器主要用于交流电动机（异步电机或同步电机）转速的调节，是公认的交流电动机最理想、最有前途的调速方案。,前言,按国际标准（IEC60038:1983）和中国国家标准（GB156-2003）的规定，把电压分为245kV四个等级。在135kV电压段，我国使用3kV、6kV、10kV和35kV四个标准电压。我们习惯上将3kV、6kV、10kV电机称为高压电机。在欧美地区，在此电压区段常见的标准电压有3.3kV、6.6kV、11kV、4.16kV(该电压仅适用于北美洲)等多种。,一、定义,用来驱动1kV以上交流电动机的中、大容量变频器称为高压变频器。,二、基本原理,结论：如果平滑地改变加到异步电动机定子绕组的交流电的频率f，就可以平滑地调节异步电动机的转子转速n。,三、功用,1、可实现无级调速，变传统电机为智能电机,2、显著的节能效益,我国能源现状：能源后备储量有限；能源利用率低；节能是必走之路。,三、功用,能源后备储量有限：,据1998年中国矿产资源储备战略研究公布的数据，我国石油和天然气的可采储量在1115年之后将所剩无几；煤炭的可采储量仅够85年。可想而知，如果不再增加新的探明量和厉行节约能量，我国将在21世纪内面临矿物质能源几乎枯竭的严重局面。,三、功用,能源利用率低：,据世界经济统计年鉴和中国统计年鉴公布的数据测算，2005年发达国家每万美元国内生产总值（GDP）的耗能如下：瑞士为1.6t标煤，意大利为2.0t标煤，日本为2.3t标煤，德国、法国为2.7t标煤，英国为3.0t标煤，美国为4.8t标煤；而我国为18.5t标煤。,在能源消费结构中我国产业的能源消费占78.3%，而发达国家之占30%40%。我国主要工业产品的能源单耗比世界先进水平高出30%90%，这是摆在我国面前亟待解决的实际问题。,三、功用,占工业用电30以上的各种风机、泵类负载全国约4700万台，总功率为1.3亿千瓦（KW）。由于此类负载工况变化较大，如采用交流调速技术实现变速运行，节能效果明显。以平均节电20计算，对全国来说年节电500亿度，同时可以相应减少2000万吨发电用煤，50万吨二氧化硫和1200万吨二氧化碳的排放。,根据有关部门的统计，我国发电量的6070左右用于推动电动机做功，其中90的电机是交流电机，大部分为40040000Kw，310Kv的大功率高压交流电动机。由于采用直接恒速拖动，每年造成大量的能源浪费。,节能潜力：,三、功用,由流体力学原理知：输出流量Q与转速n成正比：Q1/Q2=n1/n2（1）输出压力H与转速n2成正比:H1/H2=(n1/n2)2（2）输出轴功率P与转速n3成正比:P1/P2=(n1/n2)3（3）,80%转速-80%流量-64%压力-51%输出轴功率,100%转速-100%流量-100%压力-100%输出轴功率,结论：当输出轴的转速下降20%时，输出轴的功率下降49%。,三、功用,三、功用,三、功用,三、功用,三种不同调节方式下的电机输入电流变化（A),电机为200MW发电机组的引风机：额定值1250KW，6KV、142A、额定效率95、额定转速742RPM、额定功率因素0.85。,节能分析电力设计院数据,按机组年运行300日7200小时，平均负荷为80%（160MW）计，应用变频调速年节电405万度，而应用液力耦合器年节电216万度。,三、功用,1、可实现无级调速，变传统电机为智能电机,2、显著的节能效益,采用变频调速后，可以避免因通过阀门控制使泵过多偏离额定工作区而引起的振动，这种振动严重时会引起悬臂泵轴头断裂。由于启动缓慢及转速的降低，相应地延长了许多零部件如密封、轴承的寿命，特别是减轻了起动机械转矩对电机机械损伤，有效的延长了电机的使用寿命，减少了检修维护开支，节约大量维护费用。,3、节省了维护费用,三、功用,1、可实现无级调速，变传统电机为智能电机,2、显著的节能效益,3、节省了维护费用,当采用变频调速时，50Hz满载时功率因数为接近1，工作电流比电机额定电流值要低许多，这是由于变频装置的内滤波电容产生的改善功率因数的作用，可以为电网节约容量。,4、节约了电网容量,三、功用,1、可实现无级调速，变传统电机为智能电机,2、显著的节能效益,3、节省了维护费用,4、节约了电网容量,5、提高生产效率和机组自动化水平,由于调速系统在运转设备与备用设备之间实现计算机联锁控制，机组实现自动运行和相应的保护及故障报警，操作工作由手动转变为监控，完全实现生产的自动化控制，大大降低了劳动强度，提高了生产效率，为优化运营提供了可靠保证。,四、应用范围,电力工业：锅炉引风机、凝结泵、送风机、循环水泵、给水泵等；冶金行业：高炉鼓风机、炼钢制氧机、除尘风机、轧机等；石化行业：大型输油泵、化工生产的压缩机等；采矿行业：排水泵、排风扇、提升机等；水泥行业：窑头风机、窑尾风机；城市建设：自来水供水泵、集中空调压缩机等；交通工业：机车电气传动、轨道交通电气传动等。,五、电路构成,六、构成高压变频器的功率器件的类型,六、构成高压变频器的功率器件的类型,当今的主流器件是IGBT和IGCT,七、高压变频技术分类,主回路结构,储能方式,电平数,控制方式,七、高压变频技术分类,七、高压变频技术分类,七、高压变频技术分类,七、高-高变频技术分类,应用场合,一般的风机、水泵类负载设备。,提升机等四象限运行的设备。,轧钢机等负载变化较大的设备。,七、高-高变频技术分类,交-直-交,交-交,电流源型,电压源型,压频比控制,多电平,三电平,二电平,直接转矩控制,矢量控制,主回路结构,储能方式,电平数,控制方式,八、高-高变频器的种类,1、三电平电压源型变频器,采用二极管整流，电容储能，IGBT或IGCT逆变。三电平的逆变形式，采用二极管钳位的方式，解决了两个器件串联的难题，技术上比两个器件简单直接串联容易，同时，增加了一个输出电平，使输出波形比两电平好。,特点：受器件限制，电压无法达到6kv；电压电平数少，dv/dt大，需要输出滤波器，或特殊电机；器件故障时，不能带故障旁路运行。,应用场合：输出电压不高的一些特殊领域，如轧钢机、提升机、轮船驱动、机车牵引等，这些领域的电机是特殊定制的，电压一般不是标准电压。,八、高-高变频器的种类,2、两电平电流源型变频器,特点：输入功率因数低（与速度成正比）对电网电压波动敏感；可以实现能量回馈；器件故障时不能旁路运行；变压器可以异地安装；有6kv产品，无10kv产品；器件串联的可靠性差；整流桥串联可靠性低。,输入侧采用可控硅进行整流，采用电感储能，逆变侧用SGCT作为开关元件，直接串联解决耐压问题。由于器件的耐压水平有限，必须采用多个器件串联。目前的技术水平可以做到7.2kv输出电压。,应用场合：在一些超大功率场合，仍是使用的主角。,八、高-高变频器的种类,3、功率单元串联型多电平变频器,采用多个低压的功率单元串联实现高压，输入侧的降压变压器采用移相方式，可消除对电网的谐波污染，输出侧采用多电平正弦PWM技术，可适用于任何电压的普通电机。,八、高-高变频器的种类,八、高-高变频器的种类,3、功率单元串联型多电平变频器,特点：输入谐波少，功率因数高；电机侧谐波和dv/dt少，适用普通电机；功率电路模块化，维护方便；部分电路故障可继续运行；系统故障可旁路到电网运行；功率器件备品备件属于通用产品；可做成10KV产品；交流环节复杂，功率器件数目多，体积略大一些。,应用场合：适合于任何电压等级的产品。已在国内市场占到了90%以上。,九、用户关心的问题,1、PWM技术,PWM是英文“PulseWidthModulation”的缩写，即脉冲宽度调制。PWM技术是通过对电力电子器件的导通和关断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替需要的波形。,利用PWM技术，按一定的规则对高压变频器逆变电路中电力电子器件导通、关断的脉冲宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变其输出频率。,九、用户关心的问题,1、PWM技术,令V1、V4导通，V2、V3截止，则负载ZL上所得电压为a“+”、b“-”,设这时的电压为“+”；令V1、V4截止，V2、V3导通，则负载ZL上所得电压为a“-”、b“+”,设这时的电压为“-”。令V1、V3截止，V2、V4导通，则负载ZL上所得电压为0。,九、用户关心的问题,1、PWM技术,通过调节脉冲宽度和各脉冲的“占空比”来调节频率和电压，所得到的波形即被称为PWM波形。,九、用户关心的问题,1、PWM技术,PWM技术应用于高压变频器上，具有下列优点：1、不必控制直流侧，仅控制逆变侧，因而大大简化了电路；2、由于电力电子器件仅仅工作在开关状态，主电路损耗较小，系统的效率较高；3、由于开关频率高，系统的调速范围宽，因此快速响应性能好，抗干扰能力强；4、由于PWM波形的谐波含量少，所以使电动机产生的的损耗和发热都较小。,九、用户关心的问题,2、电平数和dv/dt幅值的关系（dv/dt影响电机绕组的绝缘）,二电平、三电平的dv/dt大。,单元串联多电平的dv/dt小,九、用户关心的问题,3、功率单元旁路时的电压输出能力,同级旁路：以5级串联为例，旁路一级后，系统电压下降1/5，即电压为80%；系统可补偿5%，系统功率为85%，如果调速范围在80%以内，则不受影响。,B,九、用户关心的问题,3、功率单元旁路时的电压输出能力,B,单模块旁路：以5级串联为例，旁路一个功率模块后，系统电压下降1/15，即电压为92%；系统可补偿5%，如果调速范围在95%以内，则不受影响。旁路二个功率模块后，系统电压下降2/15，即电压为87%，系统可补偿5%，如果调速范围在90%以内，则不受影响。,九、用户关心的问题,4、电网侧的谐波污染及其处理方式,对主电网而言，高压变频器的开关特性将形成一个非线性负载。这种非线性负载改变了交流电路中电流的正旋波特性，从而会在交流电路中产生有害的高次谐波。,九、用户关心的问题,4、电网侧的谐波污染及其处理方式,（1）采用谐波滤波器,（2）采用整流变压器的移相绕法高压变频器在电网侧一般都有整流变压器，可以利用整流变压器的副边相移来消除谐波。这种消除谐波的基本理论是如果m个六脉冲整流单元，通过变压器的这种处理，6m1次以下的谐波都被消除。,九、用户关心的问题,4、电网侧的谐波污染及其处理方式,九、用户关心的问题,4、电网侧的谐波污染及其处理方式,（1）采用谐波滤波器,（2）采用整流变压器的移相绕法高压变频器在电网侧一般都有整流变压器，可以利用整流变压器的副边相移来消除谐波。这种消除谐波的基本理论是如果m个六脉冲整流单元，通过变压器的这种处理，6m1次以下的谐波都被消除。,（3）通过双PWM的方法消除谐波双PWM方法，即整流和逆变采用相同的电路和控制方法，此时整流侧必须采用完全可控的器件，如IGBT或IGCT等。由于整流侧采用了PWM控制，其电流波形可以控制为正弦波，这样基本对电网没有谐波污染。,九、用户关心的问题,4、电网侧的谐波污染及其处理方式,九、用户关心的问题,5、变频器损耗的构成,整体损耗的构成：整流变压器、元件的导通损耗、元件的开关损耗、电感损耗、滤波器损耗、电容损耗（忽略）、散热风机损耗、控制电源损耗；电机损耗。,变频器内的主要损耗构成：整流变压器约50%，器件的开关损耗和导通损耗约50%；电流源型的电感损耗：与设计有关滤波器损耗（如果有）：与设计有关,九、用户关心的问题,6、异步电动机低速运行发热问题,低速时，电机自带的风扇散热能力下降；对于风机、水泵类负载，低速时负载也低，发热量少，不用考虑散热问题；恒转矩负载要考虑强迫风冷；应考虑低速的轴承润滑问题。,九、用户关心的问题,7、变频器容量的选择,高压变频器的容量无固定规律，定制模式，与输出电流、电机实际功率有关：电压源型：只与电机的功率有关电流源型：与电机的功率和电流都有关,什么是变频器的容量?（1）加速或恒速操作时：变频器的效能是输出流量，也就是能给电机提供多少电流。（2）减速操作时：此时，能量的流动是从电机流向变频器，使端电压升高。,九、用户关心的问题,9、高压变频器与现场控制系统的连接方式,（1）硬连接通过继电器节点和420mA的模拟量进行连接。,继电器节点表示开关状态；420mA的模拟量表示连续的物理量。,（2）通讯协议通过数据通讯进行连接。,如MODBUS、PROFIBUS、DEVICENET、TCP/IP工业以太网协议。,九、用户关心的问题,10、四象限运行,九、用户关心的问题,11、整流变压器的保护,（1）过流速断保护高压开关的过流速断保护值一般不需要做特殊改动。,（2）过流保护通过功率单元内部的检测电路实现。,（3）过载保护与变频器的过载保护是一致的。,（4）接地保护分为原边绕组和副边绕组的接地保护两种形式。,原边绕组接地保护是通过电路检测，并报警；或者延时一段时间后跳用户网侧的高压开关。,副边绕组接地保护是通过检测功率单元的故障而间接实现的。,（5）过热保护对整流变压器绕组的运行温度进行监测及报警控制。,九、用户关心的问题,12、变频器自身的保护功能,输出过载输出过流电网失电直流母线过电压直流母线欠电压变压器过热光纤故障,缺相控制电源掉电驱动故障功率器件过热散热风机故障DCS给定掉线接地故障,九、用户关心的问题,13、变压器的绝缘等级,B级绝缘：130F级绝缘：155（环氧浇注式）H级绝缘：185,九、用户关心的问题,14、电气环境要求,（1）防静电