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电气电子毕业设计论文
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毕业设计47高压变频的调速的设计,电气电子毕业设计论文
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徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 1 第一章 概述 我国高压电动机总容量在 1.5亿千瓦以上（不包括低压电动机），大部分为风机泵类负载，这些电动机大都由 6KV 驱动，它们大多工作在高能耗、低效率状态。覆盖电力、石油、化工、冶金、制造、环保、市政等行业，其耗电量占全国总用电量的 25左右。以发电厂为例，随着我国电网的扩大、机组装机容量的增加以及负荷峰谷差的拉大，发电机的负荷率降低，大型发电机组也要参加调峰运行，而为满负荷设计的大型辅机工况调节方法不适合于调峰运行方式，导致辅机和驱动的异步电动机都工作在低效率区域，造成大量的能源浪费，而且随着启停次数 的增多对辅机、电动机及电网的冲击也更频繁。 在我国火力发电厂中，各类泵和风机的用电量占火力发电 厂自用电量的 85%左右，例如引风机、送风机、一次风机、循环水泵、凝结水泵、给水泵、灰渣（浆）泵、排粉机等等，尤其是风机的裕量明显过大，如果采用挡板调节，即使在机组满负荷输出的挡板开度也较小。而水泵和风机的一个特点是负载转矩与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。如可根据所需的流量调节转速，就可以获得很好的节电效果，一般可节约用电20%50%。此外，大型电动机启动冲击问题也相对突出，从近年来华北地区发电厂厂 用电动机的故障统计结果看，约有 15是由启动时的大电流及对绕组上的过大电磁力直接引起的，定子绕组接头开焊、转子鼠笼断条等缺陷也与启动冲击有关，因而短的检修周期带来的检修费用也相当可观。美国电力研究院早在 1981 就开始研究电力电子调速传动在电厂大型异步电动机上的应用，并在 1984 1989年进行了连续 5 年的风机和泵类负载大型异步电动机变频调速现场试验，对大型变频调速装置的经济性和运行可靠性得出肯定的结论。目前我国大型异步电动机应用变频调速还刚刚起步，但国外已经广泛使用，而且随着电力电子器件的发展，高压变频 装置的型式多种多样。通过他们长期的运行实践表明：应用高压大功率变频调速系统的经济效益良好、其可靠性也可以得到保证。 随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，带动了交流传动技术日新月异的进步。目前，电气传动技术正面临着一场历史性的革命，即交流调速取代其它调速及计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。电机交流调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。 变频调速以其优异的调速、起动和制动性能、高效率、高功率因素和节电效果，广泛的适用范围及其它许多 优点而被国内外公认为是最有发展前途的调速方式。 nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 2 第二章 交流电机常用调速方式 2.1 常用调速方式分类 根据交流电动机的转速特性表达式可知，它的调速方式可分为三大类：频率调节、磁极对数调节和转差率调节。 基于节能角度，通常把交流调速分为高效调速和低效调速。 高效调速指基本上不增加转差损耗的调速方式，在调节电动机转速时转差率基本不变，不增加转差损失，或将转差功率以电能形式回馈电网或以机械能形式回馈机轴；低效调速则存在附加转差损失，在相同调速工况下其节能效果低于不存在转差损耗的调速方式。 属于高效调速方式的 主要有变极调速、串级调速和变频调速；属于低效调速方式的主要有滑差调速（包括电磁离合器调速、液力偶合器调速、液粘离合器调速）、转子串电阻调速和定子调压调速。其中，液力偶合器调速和液粘离合器调速属于机械调速，其他均属于电气调速。 变极调速和滑差调速方式适用于笼型异步电动机，串级调速和转子串电阻调速方式适用于绕线型异步电动机，定子调压调速和变频调速既适用于笼型，也适用于绕线型异步电动机。变频调速和机械调速除适用于异步电机外，还可用于同步电动机。 2.2 常用调速方式的特性 2.2.1 变极调速 变极调速是通过改 变定子绕组的极对数来改变旋转磁场同步转速进行调速的，是无附加转差损耗的高效调速方式。由于极对数 p 是整数，它不能实现平滑调速，只能有级调速。在供电频率 f 50Hz 的电网， p 1、 2、 3、 4 时，相应的同步转速 n0 3000、 1500、 1000、750r/min。改变极对数是用改变定子绕组的接线方式来完成的。双速电动机的定子是单绕组，三速和四速电动机的定子是双绕组。这种改变极对数来调速的笼型电动机，通常称为多速感应电动机或变极感应电动机。 多速电动机的优点是运行可靠，运行效率高，控制线路很简单，容易维护，对 电网无干扰，初始投资低。缺点是有级调速，而且调速级差大，从而限制了它的使用范围。适合于按 2 3 档固定调速变化的场合，为了弥补有级调速的缺陷，有时与定子调压调速或电磁离合器调速配合使用 。 nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 3 2.2.2 串级调速 串级调速是在绕线型感应电动机的转子电路中串入一个与转子电动势相反的附加电动势，用以减少转子电流，降低转子的转矩，从而达到调速的目的。这时，转子电路内不再串入外接附加电阻产生转差损耗，而是将转子的转差功率回馈电网或机轴，是一种高效调速方式。 串级调速的典型调速系统有两种：一种是电气串级调速系统，另一种是 电机串级调速系统。电气串级调速电路是由异步机转子一侧的整流器和电网一侧的晶闸管逆变器组成。用改变逆变器的逆变角来调节异步机转速，将整流后的直流通过逆变器变换成具有电网频率的交流，将转差功率回馈电网。电机串级调速电路是把转子整流后的直流作为电源接到一台直流电动机的电枢两端，用调节励磁电流来调节异步机转速，直流机与异步机同轴相接，将转差功率变为直流机的输入功率与异步机一起拖动负载，使转差功率回馈机轴。电机串级调速的调速范围不大，又增加了一台直流电动机，使系统复杂化，应用不多。电气串级调速系统比较简单，控制方便， 应用比较广泛。 串级调速的主要优点是调速效率高，可实现无级调速，初始投资不大。缺点是对电网干扰大、调速范围窄、功率因数也比较低、必须是绕线式转子等。与转子串电阻相比，主要是它的效率优势，串调系统的总效率一般在 80%左右。 另一种串级调速是内反馈串级调速，电机在原电机定子上增设一套三相对称绕组，称为调节绕组，附加电势由调节绕组从主绕组感应的电势所提供，通过变流系统将该电势串入电机的转子绕组，改变其串入电势的大小即可实现调速，并通过与转子旋转磁场相互作用产生正向的拖动转矩，这就使电机从电网吸收的有功功率减少，主 绕组的有功电流随转速正例比变化，达到调速节能的目的。内反馈串级调速系统含有内补偿装置，用以补偿调节绕组的滞后电流，减少损耗并提高功率因数，补偿装置还具有谐波滤出功能，以抑制对电网的谐波污染。 内反馈串级调速具有串级调速的所有优点，其缺点是必须更换专用电动机、调速范围窄、功率因数也比较低，由于该电动机结构较复杂，因此其投资也不低。 2.2.3 变频调速 变频调速是通过改变电动机定子供电频率来改变旋转磁场同步转速进行调速的，是无附加转差损耗的高效调速方式。变频调速系统的关键装置是频率变换器，即变频器，由它来提供 变频电源。变频器可分为交直交（交流直流交流）变频器和交交（交流nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 4 交流）变频器两大类。 变频调速的突出优点是调速效率高，启动能耗低，调速范围宽，可实现无级调速，动态响应速度快，调速精度很高，操作简便，且易于实现生产工艺控制自动化。此外，在装置发生故障后能可采取措施投入人工频运行，不会影响生产作业是它最显著的优点。由于它的调速性能优于其他调速技术，安装场地条件又比较灵活，应用范围广泛，是市场需求增长最快的调速方式。 2.3 常用调速方式性能比较 串级调速（包括内反馈） 变极调速 变频调速 功率因 数 低 一般 高 对电网干扰 较大 无 稍有 调速范围 窄 100 50， 0 100 0 对电机要求 绕线电机 级数可变 无 维护保养 较难 最易 易 可靠性 一般 可靠 可靠 性能 良好 一般 最好 初投资 较贵 最省 较贵 表一 常用调速方式性能比较 调 速 方 式 性 能 nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 5 第三章 高压变频调速的节能原理及社会经济效益 3.1 变频器的节能原理 异步感应电动机的转速 n 与电源频率 f、转差率 s、电机极对数 p 三个参数有关： p sfn )1(60 改变其中任何一个参数都可 以实现转速的改变。变频器是通过改变电源频率 f 的方式来改变电动机转速的。 对于泵和风机，由流体动力学理论可以知道，流体流量与泵或风机的转速一次方成正比： 0000QnnQnnQQ 其中 Q、 n 分别表示流量和转速。泵或风机的扭矩与转速二次方成正比，而泵或风机的功率N 则与转速三次方成正比： 030300NnnNnnNN 上述各式中，脚标“ 0”均表示额定工况参数。 当流量由额定值 Q0降至 Q 时，与额定功率 N0比较，采用转速调节的电机的功耗为： 030NnnN 如流量由 100%降到 70%，则转速相应降到 70%，压力降到 49%，而电机的功耗降到 34.3% ，也就是节约电能 65.7%。扣除阀门调节时的功耗与额定功耗的差、转速下降可能会引起电机和风机的效率下降等因素，节电效果也是非常显著的。以上就是风机、泵类变频器的节电原理。 所有的节能都是相比较而言的。通过与传统流量控制方法的比较，可以详细了解变频器的实际节电潜力。 目前，泵和风机的流量控制大部分是通过阀门或风门来实现的。下面以水泵为例，分析一下阀门控制流量和变频控制流量的能耗。 泵的轴功率： nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 6 1000PQN 其中 Q、 P、 分别表示流量、出口压力和总效率。则 000PQ PQN脚标“ 0”表示额定工况。 阀门控制流量时水泵扬程与流量的关系如图 1所示。从图中可以看出，当阀门关小一定量后，因阀门的节流作用，泵后管网流动阻力增加，水泵运行点沿恒定转速扬程流量曲线上的 A 点变到 B 点，从而使泵出口压力升高，流量减少。此时，电机能耗与流量与能量的关系发生了变化，但耗电总量变化不大。例如，当通过阀门控制流量从 100%减少到 70%时，则出口压力 P 将由 100%增到 112.5%， 总效率 由 0.98变为 0.812，而能耗只减少了 5%，平均起来每吨水的成本却 上升 了 35.7%。 但是通过变频控制流量时，由于只改变水泵转速，而不改变泵后管网阻力，因此当水泵转速降低时，水泵运行点将如沿图 2所示的管网阻力曲线由 A 点变到 C 点，从而使水泵流量减小，出口压力降低，而能耗也将大大减少。例如，当通过变频控制流量同样从 100%减少到 70%时，则出口压力减少到 56%，总效率由 0.98 减到 0.8，能耗却可下降到 52%。使用变频器控制水泵流量不仅使总运行费用下降，每吨水的成本也降低了。 nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 7 图 1 阀门流量控制下水泵的扬程与流量的关系 nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 8 图 2 变频器流量控制下水泵的扬程与流量的关系 nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 9 对于风机来说，用电机转速来控制其风量的节电效果比泵类的更好。以风门和叶轮等控制风量的风机与变频器控制风量的风机的能耗特性如图 3的曲线所示。 在图 3中我们可以看到，无论哪种常用的控制方式，风量为 100%时电机所消耗的能量是相同的。 图 3 不同控制方式下风机能耗特性 nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 10 在风量为 80%时风门控制用了电机额定功率的 93%，叶轮控制用了 70%，耦合器控制用了 67%，而变频器控制只用了 51%。 风机输出 50%的风量是很平常的。在此风量下，变频器控制用了额定功率的 15%，耦合器控制用了 29%，叶轮控制用了 49%，风门控制用了 73%，详见图 4。 图 4 变频控制的经济效益 如图 4所示，变频器控制的能耗曲线最接近风机的理论功耗曲线。其它各种控制方式与理论功耗曲线的差距就是它们各自多消耗的功率，也是变频器节能的潜力。所有这些控制方式提供同样的风量比变频调速器多付的功率纯粹就是浪费。采用变频器节能的理由也在于此。 以上图表和数据来源于国内外的政府刊物和使用单位的实测结 果。 nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 11 3.1.1 变频原理图 图 5 系统原理图 (1)为高压开关； (2)为干式移相隔离变压器； (3)为电动机； (4)为功率 单元； (5)为主控箱； (6)人机接口；(7)为可编程控制器； (8)为电流霍尔； (9)为电压检测 3.1.2 HVI 变频器工作原理 nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 12 IM控制回路电源3. 3 k v /6 . 6 k v / 5 6 0 v高电压多电平变频器脉冲多重变压器功率单元I G B T 逆变器图 6 HVI 变频器工作原理 图 7 HVI 变频器输入电流示意图 如图 6 所示，特殊设计的多重变压器二次线圈为每个功率单元提供相互隔离的、具有一 定相位差的输入电压，从而使供给整个变频器的输入电流为近似 的正弦波。由 IGBT 组成的 H 桥单相输出回路，输出电压为 620V，由 4 个或 8 个 H 桥输出回路串联成 1 相可组成线电压为3KV 或 6KV 高压输出回路。 nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 13 3.2 变频器的应用范围 变频器应用范围非常广，凡是使用电机作驱动，并需控制的任何电机设备均可使用。以前这些电机保持全速运行，而用阀门、风门、叶轮或其它机械装置来控制所需进程， 控制精度不高，电能利用效率低。 变频器分低压、中小功率变频器和高压、大功率变频器，用户可根据所控电机的电压和功率选配。变频器的应用领域主要有： 1. 电站：送风机、引风机、给水泵、循环泵、磨煤机、给煤机、各类泵等。 2. 冶金：轧钢机、高炉鼓风机、炼钢制氧机、除尘风机、矿山的排水泵、排风机等。 3. 石化：生产用的压缩机、各类泵等。 4. 轻工、生活用、酒厂、啤酒厂、玻璃厂、自来水厂的各类泵和风机等。 5. 工业炉窑：离心鼓风机和罗茨风机。瓷厂、小铁厂、铸管厂、暖气片厂铸造厂等。 6. 其它：电气化铁路的电力机车；楼宇、厂区或生活小区的恆压冷 热水系统；游泳池池水净化循环控制。 7. 宾馆饭店和办公楼：锅炉风机、冷热水系统和中央空调系统。中央空调系统安装变频器不仅可节约能源，也可降低噪音，更加精细地控制冷却塔的回流介质温度，防止夜间风机停转给细菌创造潮湿的繁殖环境。 8. 综合购物中心：由于顾客的数量变化很大，风机的总装机容量很大，采用温度参数来控制整个中央空调系统的运行可以取得很大的经济效益。 9. 地下停车场：大型烟雾排风系统。不论全场是否停满汽车或所有发动机是否关闭，以一氧化碳检出值控制风量是最合适的。检出石油蒸汽可使数台排风机全速运行。 10. 机场：风机。这是各 类建筑物中监控条件变化最大的一种。不论旅客是多是少，对环境的要求是严格的。一个大型机场可用 200多台变频器 。 3.3 使用变频器的效益分析 一般而言，成熟的变频器产品不需要定期维修。完好运行只要求一个无腐蚀和无导电灰尘的环境。变频器需要的保养只是定期检查变频器的各项设定参数和设备的一般情况，隔一段时间清除散热器上的灰尘而已。 nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 14 3.3.1 节电显著 根据国家权威部门的统计，在需要变流量控制的场合，变频器的一般效果是节电 30%至 60%。变频器可以明显地提高设备节能水平，很少有哪种节能方法可与之相比。 图 5 几 种常见的交流电机启动方法的电流曲线 3.3.2 解决了电机启动时的大电流冲击问题 电机直接启动的最大启动电流为额定电流的 7倍；星角启动为 4.5倍；电机软启动器也要达到 2.5倍。仔细观察变频器起动的负荷曲线，可以发现它基本没有启动冲击，电流从零开始，仅是随着转速增加而上升，不管怎样都不会超过额定电流。因此，随时启动电机都可以，它不会对供电设备的容量提出过高的要求。同时，安装新设备时，有了变频调速器，所有启动辅助设备都可不要，还可节省一笔投资。此外，使用变频调速器进行电机启动，nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 15 消除了对电机、传动系统和主机的冲击应力，大 大降低日常的维护保养费用。 使用变频器可使电机转速变化沿风机或液泵的加减速特性曲线变化。没有应力负载作用于皮带或轴承上。对机组的保养简单到只在规定的时间间隔内润滑一下机组而已。没有停车和启动时的打滑和尖叫了，皮带损坏也慢了，轴承的寿命延长了，费用自然就降低了。 3.3.3 延长设备寿命 降低机组转速的同时，机组的寿命也大幅度地增加。以滚子轴承为例，寿命与转速的倒数成正比，降低机组转速可成倍地提高寿命。 3.3.4 降低噪音 在需要考虑噪音影响的场合，如电厂的给水泵、风机；宾馆饭店、办公大楼或住宅，变频器可以起到重要的作用。降 低水泵、风机的转速运行的同时，噪音将大幅度地降低。转速降低 50%，噪音可减少几十个绝对分贝左右。这种变化是相当可观的。 3.3.5 控制负荷 当某个单位的电力负荷接近或超过供电设备最大负荷时，要求在紧急时刻切断某些设备的电源，以防止超负荷太久，如此难免发生某些问题。使用变频器可以解决这个问题。如在恆压供水系统和空调系统中，当电力负荷接近或超过供电设备最大负荷时，控制柜就给变频器一个新的给定频率，降低电机转速。电机功率按转速三次方的规律立刻下降，使供电设备最大负荷不会被突破。当电力负荷远小于供电设备最大负荷时，电机又再 次加速到它的正常值，从而实现负荷控制。特别是在供水、空调系统中，负荷控制所带来的变化是不易察觉的。 总之，在以大功率电动机为动力的大中型企业中，普遍推广使用高电压变频调速器，可以大幅度降低能耗和单位产品成本，有利于缓解企业流动资金短缺问题。同时，还对弥补我国能源供求之间的矛盾、促进国民经济持续、健康、稳定、快速发展有着十分现实的重大意义；可使多年来困扰我国国民经济发展的能源问题得以较大程度改善，使增扩建厂与节能并举发展的规划得到较好的实现。继而推动产业结构进一步优化调整，促进国民经济的发展。 对于电厂而言， 使用变频器，可降低厂用电率，降低发电成本，提高竞价上网的竞争能力。 nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 16 3.3.6 投资效益 以某 350MW 火电机组为例，假设只改造送风机、引风机和一次风机等的 6台电机，并假定了三种平均运行负荷，估计所需投资额及其回收期如下表所列： 送风机 引风机 一次风机 合计占发电量比例备 注2 2 26 6 61140 1420 5502280 2840 1100 6220 1.8%平均 80% 负荷时 1112.6 1385.9 536.8 3035.4 0.9%平均 70% 负荷时 1498.0 1865.9 722.7 4086.5 1.2%平均 50% 负荷时 1995.0 2485.0 962.5 5442.5 1.6%8000 8000 8000380 380 380平均 80% 负荷时 3382.4 4213.2 1631.9 9227.5平均 70% 负荷时 4553.8 5672.3 2197.0 12423.1平均 50% 负荷时 6064.8 7554.4 2926.0 16545.2330 330 330平均 80% 负荷时 111.6 139.0 53.9 304.5平均 70% 负荷时 150.3 187.2 72.5 410.0平均 50% 负荷时 200.1 249.3 96.6 546.0456 568 220 1244.0平均 80% 负荷时 4.1 4.1 4.1平均 70% 负荷时 3.0 3.0 3.0平均 50% 负荷时 2.3 2.3 2.3台数电压等级（ kV ）单台功率（ kW ）相当于标煤费用（万元）估计投资回收期（年）某 3 5 0 M W 火 电 机 组 风 机 变 频 控 制 效 益 分 析标煤价格（人民币元）估计投资额（万元）总功率（ kW ）变频后可节省功率（ kW ）年运行小时数（小时）机组平均煤耗（g / k W ）相当于标煤耗量（吨）表二 某 350MW 火电机组风机变频控制效益分析 3.3.7 社会效益 国产化高压变频装置的社会效益显著，主要有：节能，从而节约资源、减少环境污染、消除电动机的启动冲击以及对电网的冲击，降低电动机和设备故障率，提高控制精度和自nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 17 动化程 度。 3.3.8 经济效益 3.3.8.1 用户投资回报 对于泵和风机，流体流量与转速一次方成正比，转矩与转速的二次方成正比，而功率与转速的三次方成正比，转速降低，电机功耗将以三次方下降，因此变频调速的节电效果非常显著。如果流量由 100%降到 70%，则转速降到 70%，压头降到 49%，而电机的功耗降到34.3%，理论上节能 65.7%。如果原本采用风门、阀门调节，流量降低、压头增加，电机功率减少 5%，这样，变频调速比风门、阀门类调节节能 60%左右。以 1250KW、 6KV 风机采用变频调速为例，采用国产化高压变频 调速装置，如在石化、钢铁行业按售电电价计算，一年即可收回投资；如在发电厂按发电成本计算， 2-3 年可收回投资。而且如果在建厂初期就考虑采用高压变频调速，则厂用电总容量大幅度降低，发电量增加，总投资实际上比不采用变频调速还低。除了节能增效外，对于不同的负载，还有一些间接的经济效益，主要有：功率因数得以提高；实现软起动；减少起动力矩对电机的电气机械损伤；控制平滑、稳定、精度高。 3.3.8.2 生产单位效益 我国的各类电动机的装机容量在 4 亿 KW 以上，而高压电动机的总装机容量在 1.5 亿千瓦以上，其中一半以上 是拖动风机、泵类的电动机，装机容量在 0.8亿千瓦。它们的用电量约占全国用电量的 30%，而这类电动机往往能耗大、效率低，多数运行在电低负荷区加上部分风机、泵需要调节流量，如采用通常的风门、挡板、阀门调节，将使效率降得更低，是变频改造效益最显著的用户。 目前我国高压变频应用刚刚起步，各行各业密切关注高压变频技术的发展，不少用户已经接受该类型产品的使用，估计在今后几年，高压变频领域将有较快的发展。 nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 18 第四章 不同型式的高压变频器 高压变频器，按其主电路结构可分为交交方式和交直交方式两大类，从电机控制原理上可分为定子控制型和转子控制型，定子控制型包括常规的交交以及交直交方式，转子控制型又称串极调速，有电网反馈型串极调速和定子反馈型串极调速 (内反馈 )两种。交直交变频方式按中间直流滤波环节的不同可分为：电流源型、三电平 PWM 电压源型（也称中点嵌位型）、单元串联多电平 PWM 电压源型、电压浮动箝位式多电平电压源型、高低高电压源型、直接高高型。 4.1 交交变频调速 交交变频器线路简单可靠，功率等级大，但不能实现连续调频控制、功率因素低，转矩脉动大。 4.2 串级调速 转子控制型 (串极调速 )调速分为变压器反馈和内反馈两种形式，不需要处理很大的功率即可实现调速，而且处理的电压较低，但是这两种调速方式存在下列缺陷： 1）内反馈必须更换特制的电动机，变压器反馈仅适用于绕线式异步电动机，不能控制鼠笼式电动机运行，因此其成本优势不明显。 2） 调速范围不大（一般为 2:1），不能低速运行。 3） 由于电动机有电刷，因此维护工作量增大，故障率升高。 4） 启动性能不如变频调速，不能实现软起动。 5） 功率因素低。 4.3 高低高型 高 低 高变频调速控制方案是将高压通过降压变压器使变频器的 输入电压降低，然后将变频器的输出电压通过升压变压器使输出电压提高到较高的电压等级，以满足交流电动机的电压要求。这种高压变频调速方式的实质还是低压变频，只不过是从电网和电动机两端来看是高压，因其存在着中间低压环节，有着电流大、结构复杂、效率低、可靠性差等缺点，该方式是高压变频技术发展中的一种由低压变频向高压变频过渡的方式；当然，nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 19 其也有方案成熟、在改造项目中原有电机电缆无须改动等优点。但其系统构成环节较多，为抑制谐波分量而加装的滤波器还带来附加损耗，故其长期运行费用相对较高。随着高压变频技术的发展，特别是新的大 功率可关断器件的研制成功，高 低 高变频调速方式由于其自身的缺点，在今后的发展中有被淘汰的趋势 。 4.4 直接器件串联二电平 直接高高型变频调速原理如下 : 这样的线路没有高压变压器，如器件不串联，则目前最高输出电压只能达到 2300V，而且输入输出谐波大，输出 dv/dt 最高，对电动机的安全运行最为不利。如采用管子串联方法，则线路复杂程度大为提高，可靠性降低，而且输入和输出谐波均需进行抑制，无法实现冗余。 4.5 电流型 电流源型高压变频器回路中有大容量电感，可采用开关频率不高的器件，其输出谐波低，但输入 谐波需加以抑制，且低频运行特性较差，功率因素低，转矩响应速度慢，难以实现冗余。 4.6 三电平型 三电平 PWM 电压源型是一种直接采用高压 IGBT 或 IGCT 功率器件的电压源型高压逆变器，它采用了传统的交 直 交变频器结构，整流部分采用 12 脉冲或 24 脉冲二极管整流器，逆变部分采用三电平 PWM 逆变器。 三电平方式为电压源型高高变频器，其运行功率因素高，响应速度快，由于采用了耐压较高的开关器件，器件数量少，从而使制造成本降低、柜体尺寸减小，单机运行可靠性提高。 与普通的二电平 PWM 变频器相比，由于输 出线电压电平数由 2 个增加到 3 个，每个电平幅值相对较低，由整个直流母线电压降低为一半的直流母线电压，输出 dv/dt 也相应下降；在同等开关频率的前提下，采用三电平结构还可使输出波形质量有较大的改善。但是，从元件不串联的原则出发，目前三电平方式还不能直接输出 6000V电压，以高压 IGBT 或 IGCT nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 20 为例，目前实用的电压等级最高为 6500V，输出交流电压最高为 4.6KV。若要求更高的输出电压，只能采用器件直接串联或采用输出侧升压变压器，而器件直接串联时就带来稳态和动态均压问题，这样就失去了三电平变频器本身不 存在动态均压问题的优点，降低了系统的可靠性；输出采用升压变压器则无疑增加了装置成本，系统效率和功率因素降低。 三电平变频器输出线电压只有三个电平，如不设置输出滤波器，则输出电压总谐波失真较高，谐波电流会引起电动机附加发热、转矩脉动。其输出 dv/dt 虽然相对普通二电平变频器有所下降，但仍旧较大，会影响电动机的绝缘，所以一般需配特殊电动机。如使用普通电动机，则必须附加输出的滤波器，但滤波器会导致系统效率降低。另一个方面，由于三电平方式采用高压开关器件，其开关频率一般在几百赫兹，因此输出电压含有很高的高次谐波， 如不采取滤波措施，必然导致电动机发热。三电平变频器的整流电路标准配置为 12 脉冲整流电路（输入变压器采用双输出型，两组输出绕组的接线组别应使对应相电压之间的相位角互差 /6，从而使整流后的电压波形具有 12 个脉冲），但还是不能满足国标或 IEEE 推荐的谐波抑制标准，因此，仍须在输入侧采用谐波滤波器。如输入也采用对称的三电平 PWM 整流结构，可以做到输入功率因数可调，输入谐波很低，且可四象限运行，系统具有较高的动态性能，当然成本和复杂性也大大增加。三电平变频器的冗余设计比较困难，由于逆变器桥臂中 4 个位置的开 关作用各不相同，所以冗余设计意味着增加 12 个逆变功率器件，而且很难实现。如不采用冗余设计，只要有一个功率器件故障，整个系统就会停机。 4.7 单元串联多电平型 单元串联多电平 PWM 电压源型变频器 (Cell Series Multi-level PWM: CSML)采用若干个低压 PWM 变频功率单元串联的方式实现直接高压输出。该变频器具有对电网谐波污染小、可实现冗余、输入功率因数高、不必采用输入谐波滤波器和功率因数补偿装置，输出波形质量好、不存在谐波引起的电动机附加发热和转矩脉动 dv/dt 低等特点，不 必加装输出滤波器就可以用于普通异步电动机。 移相隔离变压器三相高压电动机 电网电压（如 6KV）经过多绕组移相整流变压器降压后给功率单元供电，功率单元为三相输入，单相输出的交直交 PWM 电压源型逆变器结构，相邻功率单元的输出端串联起来，形成 Y 形结构，实现变压变频的高压直接输出，供给高压电动机。以 6KV 输出电压等级 15 个功率单元为例，每相由 5 个额定电压为 690V 的功率nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 21 单元串联而成，输出相电压 3460V，线电压 6000V，每个功率单元电动机线电流，但只提供1/5 的相电压和 1/15 的输出功率。每个功 率单元分别由输入变压器的一组副边供电，功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘。二次绕组采用移相接法，实现多重化，以达到降低输入电流谐波的目的，同时，变频器输入的综合功率因数可达到 0.95 以上。 逆变器输出采用多电平移相式 PWM 技术，输出电压非常接近正弦波。输出电压每个电平台阶只有单元直流母线电压大小，所以 dv/dt 很小，从输出电压电平数上看，相电压为 6 电平，线电压为 11 电平，这有利于改善输出波形，降低输出谐波，由谐波引起的电动机发热、噪音和转矩脉动都大大降低，所以这种变频器对电动机没有特殊要求， 可直接用于普通异步电动机。 此外，单元串联多电平方式另一个重要优点是可以实现冗余功能，如某一相的某个功率单元因故障退出运行，则此功率单元将自动旁路，变频器仍可继续运行，此时此相的输出由其余 4 个功率单元承担，采取自动平衡技术后，输出线电压可维持在 94以上，仍可满足额定运行工况。与采用高压器件直接串联的变频器相比，由于不是采用传统的器件串联的方式来实现高压输出，而是采用整个功率单元串联，器件承受的最高电压为单元内直流母线的电压，可直接使用低压功率器件，器件不必串联，不存在器件串联引起的均压问题。当然，采用这 种主电路拓扑结构会使器件的数量增加，但功率单元采用低压 IGBT 功率模块，驱动电路简单，技术成熟可靠。 另外，功率单元采用模块化结构，同一变频器内的所有功率单元可以互换，维修也非常方便。采用单元串联结构后，整个装置的等效开关频率是单个单元的 5 倍，而单元的开关频率可以做得更高，从这个角度出发，输出电压的高次谐波含量也相当低。但由于单元输入采用二极管整流电路，能量不能回馈电网，变频器不能四象限运行。 nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 22 4.8 各种高压变频装置类型的比较 类型 单元串联多电平型 三电平型 电流型 高低高型 电网内反馈串极型 直接型 无变压器型 输入 低 较高 较高 较高 低 高 高 谐波输出 低 较高 低 较低 低 高 高 谐波冗余 容易 难 难 难 难 难 难 设计开关 高 较低 低 高 高 低 高 频率效率 较高 高 高 低 低 高 高 功率因素 高 高 较低 较低 较低 高 较低 调频范围 宽 宽 宽 宽 小 宽 小 适用电动机 各种交流电动机 各种交流电动机 各种交流电动机 各种交流电动机 绕线转子电动机 各种交流电动机 各种交流电动机 输出dv/dt 低 较高 低 较低 低 高 低 响 应速度 高 高 低 高 高 高 高 所用功率器件 IGBT IGBT IGCT GTO SGCT IGBT IGBT IGBT IGCT SCR 器件数量 多 较多 较多 少 少 较少 少 器件不串联时输出电压 6000V 4600V 4600V 6000V10000V 6000V10000V 2300V 3000V 10000V 其他特征 单元一致，维护简单 输入、输出均有变压器 控制功率小 无输入变压器 无变压器 表四 各种高压变频装置类型的比较 nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 23 第五章 高压变频关键技术 5.1 电力电子器件 5.1.1 当前电力电子器件水平 可用于高压变频的电力电子器件有 IGBT、 IGCT、 GTO、 SGCT、 SCR、 GTR等，先比较如下： IGBT：目前最高水平为 6500V、 600A 和 1700V、 3600A，应用上以 1700V以下最为成熟，其优点是电压控制、驱动简单，开关频率高、开关损耗小，可实现短路保护。缺点有导通损耗稍高 (1700V 器件为 2-3V)、封装热阻大、损坏后可能产生开路。 IGCT：新型器件，目前最高水平为 6500V、 4000A，实 验室水平电压等级达 10000V，其优点是电压 /电荷控制、开关频率较高、开关损耗小，导通损耗低， 缺点有驱动较复杂，目前应用尚不太成熟，价格高。 GTO：目前最高应用水平为 6500V，电流等级可高达 6000A，优点是导通损耗小，缺点是电流驱动、驱动电流复杂，开关频率低，开关损耗高。 GTO 在超高功率 (10MVA 以上 )、四象限变频器中应用广泛，在其它情况下不具有优势。 SGCT： GTO 的改进型。 SCR：目前最高应用水平为 8000V、 8000A，交直交型高压变频器中不适用。 GTR：达林顿管，电流驱动， 在高压变频应用中与 IGBT 相比不具有优势。 这些电力电子器件现列表比较如下： 器件类型 最高水平 驱动情况 开关频率 开关损耗 导通损耗 热阻 其他情况 IGBT 6500V 600A 电压驱动线 路简单 高 低 稍高2V 3V 大 技术成熟性价比高 IGCT 6500V 4000A 电压电荷驱动线路较复杂 高 低 低 小 技术市场不成熟 GTO 6500V 6000A 电流驱动线 路复杂 低 高 低 小 适合超高功率 GTR 在高压变频应用中与 IGBT 相比不具有优势 SGCT GTO 改进型 SCR 交 -直 -交型高压变频中不适用 nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 24 5.1.2 电力电子器件耐压问题 目前，适合高压变频装置的电力电子器件有： GTO（门极可关断晶闸管）、 IGBT、 IGCT。GTO 耐压的最高应用水平为 6500V， IGBT 为 6500V， IGCT 为 6500V， SCR（晶闸管）也只有8000V。以线电压 6300V 为例，如直接进行三相桥式整流，则直流电压为 8910V，整流二极管和开关管均须承受 8910V 的工作电压，如果按 2 倍余量计算，则整流二极管和开关管的耐压须达 17820V。然而，目前水平的电力电子器件尚无 法承受这样高等级的电压。因此，首先要考虑的问题是：采取措施解决电力电子器件的耐压不够问题。 5.2 电力电子应用技术 电力电子目前已成为一门专业学科，除了研究其结构和制造工艺外，应用技术也很关键，主要包括： 1） 驱动技术 2） 过电压过电流吸收技术 3） 散热技术 4） 保护技术 5.3 冗余运行和可靠性问题 高压变频产品的可靠性是用户能否最终接受该产品最重要的因素。高压变频装置结构和电路复杂，电力电子器件工作在高压大电流硬开关状态，控制部分工作在强电磁场干扰的环境，要保证长期运行可靠 性，应尽量解决以下问题： 1)、实现冗余，自动切换，允许器件损坏，不停机运行。 2)、带电维护、维修。 3)、各项保护功能要保证在各种异常工况下设备不损坏，但是，在正常工况 下，保护不能误动作。 4)、高寿命设计 5)、内部电源系统冗余设计 5.4 高电压及隔离技术 变频装置需连续调节输出电压的频率和大小，对于 6000V 等级变频器，如前所述，往nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 25 往须采取一些措施解决电力电子器件耐压不够的问题，例如三电平方式、单元串联多电平方式等，需控制的电力电子器件数量多，因此控制方法及控制时序变得相当复杂。随着微处理器技 术的发展， CPU 的处理速度大大提高，外设功能大为增强，如采用带多相 PWM 脉冲产生电路的微处理器，高压变频装置实现全数字式控制变为可能。 电力电子器件均工作在相当高的电位之下，最高可达交流 6000V，直流 8400V，而这些电力电子器件均需在主控制器的统一协调下工作，因此高压隔离问题也比较突出。 目前，一般采用光纤通讯或信号传输技术解决高压隔离问题。 5.5 保护技术 在高压变频产品中，电力电子器件的保护以及装置的综合保护相当重要，既要保证装置在过载、过压、过温甚至短路等工况下不损坏，又要保证装置在正常运 行时保护不误动作。高压变频装置应具有下列保护功能： 1） 过载保护（应具有反时限特性） 2） 过压保护 3） 短路保护 4） 过温保护 5） 电动机保护 5.6 电磁兼容技术 电力电子器件在导通和截止时所产生的 dv/dt 相当高，如不加以限制可达 10000V/ S，在这样高的 dv/dt 下，每一皮法的分布电容将导致 10mA 的耦合干扰电流，因此电场干扰很大。在高压变频装置中，无论是采用单元串联多电平方式，还是三电平和其它方式，其内部 di/dt 相当高，可达 3000A/ S，因此磁场变化 率非常高，在其相邻回路中感应的干扰电压很高。一般采取屏蔽、接地以及合理布线解决电磁干扰问题。 5.7 谐波抑制技术 6KV 等级高压设备比 380V 等级设备对谐波抑制的要求更高，主要是考核输入电流谐波和输出电压谐波两项指标。输入电流谐波反映了设备对电网的干扰程度，除满足国标规定nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 26 外，最好还满足 IEEE STD-1992 推荐标准以及在电力系统中对谐波控制的要求；输出电压谐波对电动机的运行将产生影响，谐波越大，电动机谐波电流越大、转矩脉动增大、额外损耗也增大，输出电压谐波越小则电动机运行平稳并且额外的损耗小。 单元串联多电平型高压变频器输入端采用了多绕组移相整流变压器，输入整流波头数在 30 以上，不需要采取其它措施，输入电流谐波即可在规定范围之内；而对于三电平或电流型变频器，一般须在输入端接入电抗器。单元串联多电平高压变频器输出为多电平多重化输出，例如每项 5 单元串联时，输出线电压有 11 电平，输出电压谐波也较低；对于三电平型变频器，一般应在输出端接入电抗器。 变频器输出 dv/dt 对电动机绝缘有一定影响，如不采取措施，即使是单元串联多电平输出， dv/dt 也可达 4000V/uS，三电平和二电平更高，这对电动机 绝缘有一定的损害，而且很高次的谐波也引起电动机额外损耗。因此，如何降低变频 器的输出 dv/dt 也是值得研究的课题。 5.8 高压变频装置结构 高压变频装置体积太大也成为推广应用的障碍之一，由于是高压电气设备且结构复杂，输入一般还有变压器，因此应尽量优化结构、减小装置体积。 5.9 高压变频装置试验 高压变频装置的试验设备投资较大，尤其在产品开发阶段，测试和试验相当困难，不能实现在线监测，因此难以查找问题和进行故障诊断。 所需的特殊设备有： 1） 高压供电线路、开关设备和并网装置 2） 高压 1:1 容量电动机 -发电机组 3） 大容量负载 5.10 其它关键技术 1)、微处理器技术 2)、电机拖动及节能运行技术 nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 27 主要有：电机控制技术； 风机泵类负载特性及节能技术； nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 28 第六章 高压变频产品情况 6.1 高压变频调速的发展 交流调速的最理想方法还是变频调速。交流静止调速的起步大约在 70 年代， 80 年代低压变频技术逐步得到推广应用，而高压变频由于其大功率、高电压等特殊要求，世界上也是在 90 年代中期，才开始得到发展，而得到规模推广是世纪交界之时。 6.2 国 外高压变频产品情况 许多大型集团公司对高压变频的开发研究极其重视，尤其对风机泵类负载电动机的高压变频装置的开发更是如此。经过多年的发展，国外高压变频调速装置向电压源型高 -高变频方式趋势发展，目前，最常见的高压变频类型有：单元串联多电平型、三电平型、电流型。国外最具代表性的产品有： 1） SIEMENS 公司： IGBT 三电平方式。 2） ROBICON 公司： IGBT 单元串联多电平方式。 3） ROCKWALC（ AB）公司： SGCT 电流型和 GTO 电流型。 4） ABB 公司： IGCT 三电平方式。 除此之外， 通用电气、阿尔斯通、三菱、东芝、富士和日立等公司近期也有类似产品推出。 6.3 国内高压变频产品情况 我国政府部门和行业内生产研究单位对变频调速技术也相当重视的，国务院和国家经委曾先后发文推广变频调速新技术。一些生产研究单位看到了高压变频潜在的市场和发展前景，数年前就开始进行了深入的研究和开发，目前几家单位已成功推出了自主产权的高压变频产品：上海发电设备成套设计研究所和上海科达机电控制有限公司的高压变频产品为 IGBT 单元串联多电平方式，具有多项创新技术；北京利德华福技术有限公司、成都凯奇和北京凯奇公司为 IGBT 单元串联多电平方式，清华大学也正在研究开发三电平方式的高压变频产品。 nts徐州建筑职业技术学院毕业设计说明书 29 第七章 高压变频发展方向 在高压变频领域，目前以单元串联多电平方式和三电平方式发展最为迅速， 其最新技术以及今后发展方向主要有： 1)、全数字式系统，由微处理器控制每个开关管的导通和截止以输出正弦调制波，因此输出频率和电压相当准确、稳定。 2)、运行控制接口丰富，既有就地控制，又有远端控制；既有通讯接口，又有模拟量数字量接口，用户可选择的余地相当大。 3)、光纤通讯和信号传输技术，既可以解决高电压隔离问题，又可以提高通讯速度、增强抗干扰能力。 4)、采用最新的导通压降低和开关损耗小的器件，提高系统效率，改善通风冷却设计，例如 ABB 公司的 6500V 等级 IGCT 器件导通压降在 4V 以下、其开关损耗也较低，最新的TRENCH 工艺或 SPT 工艺
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