高压变频器介绍.ppt

2020/6/11,1,基于水循环冷却散热的高压变频装置研究,2020/6/11,2,主要内容,第一部分基本情况第二部分主电路和散热系统第三部分监控系统设计第四部分厂内试验与测试第五部分现场运行情况,2020/6/11,3,第一部分基本情况,2020/6/11,4,高压变频器,电压等级：2.3kV、3.3kV、4.16kV、6kV、6.6kV和10kV等容量范围：200kW-5000kW应用对象：高压大容量异步电动机，如风机、水泵等的节能调速运行应用领域：电厂、水厂、油田、冶金等行业,2020/6/11,5,节能效果,据现场实测试验报告表明，高压电动机采用变频调速技术节能效果非常显著，其中风机类：2869；泵类：1841火力发电厂各辅机容量裕度太大，相当于1.682.54倍实际所需功率大部分时间机组处于低负荷率运行，“大马拉小车”现象严重对风机和水泵类负载，节电率在40左右,2020/6/11,6,变频调速装置的分类,交直交电流型变频调速高低高电流型变频器高高电流型变频器交直交电压型变频调速高低高电压型变频器两电平电压型变频器二极管箝位式多电平电压型变频器H桥级联式多电平电压型变频器悬浮电容式多电平电压型变频器,直接高压,2020/6/11,7,基于多电平逆变器的高压变频器,二极管箝位式；H桥级联式；悬浮电容式,输出电平数多，具有较低的dv/dt；采用低压功率器件即可实现更高等级的电压输出；通过多电平的组合逼近参考波形，输出电压具有更好的谐波性能,2020/6/11,8,H桥级联多电平逆变器,模块化设计，维护简单。输入侧功率因数高，有很好的输出波形，dv/dt小需要多个独立直流电源，输入的隔离变压器设计复杂,多个低压变频单元串联组成高压大容量多电平输出,2020/6/11,9,第二部分主电路和散热系统,2020/6/11,10,主电路设计,采用移相隔离变压器将三相6kV高压交流电，变换成35组错相的三相690V低压交流电，分别经功率单元整流、逆变、串联叠加形成06kV、050Hz的变频高压交流电压输出至异步电动机。由于移相对电网侧形成了30脉动整流，即产生的谐波主要为29次和31次，输入电压、电流谐波的含量仅有1.2%左右远低于GB/T1454993规定小于4%的要求。在20%以上负载情况下功率因数均能达到0.95，效率高达96%；5个PWM波形的叠加使输出电压的谐波含量很小，电流波形近似为正弦波，几乎没有脉动转矩。,2020/6/11,11,主要参数,额定输入电压：交流6kV，50Hz。额定输入电流：154A。输入功率因数：0.95。额定输入容量：1600kVA。输出电压：交流06kV，050Hz。输出电流：额定141.5A。输出功率：额定1250kW。系统效率：0.96。功率单元的直流电容电压：975V。,2020/6/11,12,装置原理框图,三部分主电路选用H桥级联多电平逆变器技术方案监控系统选用DSP和FPGA等大规模集成电路，提高可靠性和抗干扰能力水循环冷却散热系统,监控系统,主电路,2020/6/11,13,装置组成,变压器柜、功率柜、控制柜、水冷柜,旁路柜、输入开关柜、输出开关柜,2020/6/11,14,移相变压器设计,将输入的三相6KV交流电变换成35组互差12电角度的690V低压三相交流电分别供给功率逆变器的15个整流逆变功率单元变压器参数：额定容量：1600KVA额定电压：6KV/0.69KV一次侧为三相单绕组，有+5%和-5%的抽头；二次侧为三相15绕组，每组移相互差12,2020/6/11,15,变压器绕组匝数计算,相位超前,相位滞后,A1=B1=C1;a(i)=b(i)=c(i)，其中i=210A1:a6=8.7:1A1:a2=41.61:1;A1:a3=18.524:1;A1:a4=14.08:1;A1:a5=36.24:1A1:a7=6.5:1;A1:a8=36.24:1;A1:a9=5.377:1;A1:a10=18.524:1,2020/6/11,16,功率逆变器有15个整流逆变功率单元，按A、B、C三相分成三组。每组5个功率单元输出串联在一起叠加成一相输出，最终形成06kV，050Hz可调的三相近似正弦的交流电输出。,功率逆变器,2020/6/11,17,功率单元,整流单元,充电和滤波电路,逆变电路,旁路电路,电源、控制、保护和驱动电路,2020/6/11,18,充电电路的仿真分析,选择阻值较小的充电电阻、容值较小的吸收电容和阻值较大的吸收电阻，可减小上电瞬间的充电晶闸管两端的尖峰电压,2020/6/11,19,功率单元试验,模块的输出电压和输出电流,电阻型负载，满功率：输出电压基波有效值约为690V；输出电流有效值约为190A，幅值约为300A。,2020/6/11,20,功率单元结构,2020/6/11,21,水循环冷却散热系统,水风循环散热方式散热器通过水循环来散热，外部则采用强迫风冷来给循环水散热；保证绝缘，采用去离子水；水冷系统散热功率50kW；,2020/6/11,22,水循环冷却散热技术要求,电气性能电源发生瞬时跌落，水冷设备能重新启动循环水电阻率5Mcm，去离子处理热性能各种运行条件下都不冻结或结露，循环冷却水添加乙二醇防冻机械性能循环水系统出口压力不小于0.4MPa，管路满足机械耐压要求可靠性两台水泵备用，具有多种报警功能腐蚀问题要求选择正确的材料，减少系统的腐蚀，不对系统的工作寿命带来太大的影响,2020/6/11,23,水冷散热器设计,铸铝散热器，埋铜管工艺处理清洗，目的是为了清洁铝散热器表面的油污，防止油分子对电子产品带来的危害以及阻碍热传递表面抛光处理，一方面可以去除铝表面的一些杂质，另一方面与功率器件散热面的接触更好，减小热阻，提高散热传导能力在紫铜管内表面和螺纹连接处做化学镀镍处理，可获得良好的耐蚀性和导热性，能提高水冷铝散热器的使用寿命,2020/6/11,24,密闭式水冷散热循环系统,主循环冷却回路付循环去离子水回路缓冲单元补水单元绝缘配水管路控制系统,2020/6/11,25,第三部分监控系统设计,2020/6/11,26,基于双DSP和FPGA的监控系统,基于双DSP和FPGA一DSP负责对变频器的监测；一DSP实现对变频器和异步电机的控制；基于FPGA器件实现的脉冲发生器；监控系统由主控制器、脉冲发生器、信号编码解码电路、信号处理电路和控制电源组成,2020/6/11,27,主控制器,主处理器为两DSPTMS320F2407；外围电路逻辑处理，通讯、信号接口等,2020/6/11,28,脉冲发生器,脉冲发生器的核心器件是三片FPGA芯片每芯片实现一相的脉冲发生和移相功能通过数据总线、地址总线和控制信号与控制器DSP实现数据交换,2020/6/11,29,信号编码解码电路,为监控系统与功率单元之间的光纤通讯提供接口将来自控制器的电信号编码转化为光信号传送给功率单元将来自功率单元的光信号解码转化为电信号送给控制器,2020/6/11,30,信号处理电路,包括交流插件和开入开出插件交流插件将输入电压、输入电流、输出电流、直流电压和直流电流等模拟信号经过隔离、采样、转换和限幅等措施后，传到监测器；接收监测器经过DA转换后的模拟信号，经过隔离和转换后输出到外部端子；开入开出插件外部端子输入的开关量信号经过隔离和转换等措施后，输出到监测器；接收监测器输出的开关量信号，经过隔离后通过继电器触点输出。,2020/6/11,31,控制电源系统,为提高可靠性，电源系统中所有电源都采用两路冗余热备用。24V，12V和5V电源,2020/6/11,32,软件控制算法,变频器的软件主要包括四个部分运行于监测器的监测程序运行于控制器的控制算法PWM脉冲发生程序人机界面程序,2020/6/11,33,监测程序,数据采集与呈现功能提供实时运行信息，完成对系统的操作和控制。同时，实现运行状态的切换控制。软件保护功能。实现独立于硬件保护的第二级保护。远程控制处理功能。实现本地和远程控制功能的切换。负载的闭环控制功能。,2020/6/11,34,变频器运行状态切换,待机状态,带电运行状态,2020/6/11,35,远程/本地控制切换,本地控制时可以进行简单的加减速控制，选择远程控制方式则可选择开环和闭环的控制功能,2020/6/11,36,流量闭环控制,若需要对负载做更精确的控制，可选择采用风量或流量闭环控制，采用PI调节器对风量或流量进行闭环调节。,2020/6/11,37,控制程序,系统控制功能自动控制系统的启动、停机，完成调速等功能。实现v/f比恒定控制策略和矢量控制策略。异常状态下的控制功能输入电压波动控制瞬时停电控制功能功率单元故障的旁路控制PWM脉冲发生功能与脉冲发生器相配合，对参考电压进行采样并将采样数据发送给脉冲发生器,2020/6/11,38,瞬时停电控制,减速能量回溃法受负载类型，电容大小，最小允许设定频率和系统效率等因素的影响减速周期和每个降速周期内的减速幅度需要根据实际系统进行现场调试确定,2020/6/11,39,减速能量回溃法分析,变频器和电动机视为一个系统，在瞬时停电时间t内，系统在受控状态下所能提供的最大能量为停电过程变频器电机系统消耗的总能量为,实现瞬时停电控制,系统效率系统最小频率直流电容容量,2020/6/11,40,旁路控制,一旦功率单元发生故障，可以通过旁路开关的动作，使其退出运行。旁路会降低装置的最大的可输出电压和功率。为了在旁路后保持输出的线电压对称，要求每相旁路相同数量的单元，不管是否出现故障。,2020/6/11,41,对称旁路控制,2020/6/11,42,旁路封锁对输出电流的影响仿真,旁路封锁时间的长短和电动机的负载轻重情况会影响解封锁瞬间的输出电流变化,电机空载,电机带载,1ms,20ms,2020/6/11,43,基于直接PWM方法的脉冲发生器,由等面积法则，令图中阴影部分H1的面积与阴影部分H0a和H0b的面积之和相等,根据逆变器PWM算法在伏秒平均意义上的等效原则,2020/6/11,44,基于FPGA的PWM实现,参考电压采样,功率单元1,功率单元2,功率单元M,2020/6/11,45,第四部分试验和测试,2020/6/11,46,实验结果与分析,整机调试的流程主电路不上电，监控系统和功率单元联调交流380V功能调试试验额定电流测试试验调压器升压调试试验6kV交流电机试验,2020/6/11,47,变频装置空载输出波形与分析,10Hz,20Hz,50H