高压大功率变频器应用管理论文_优秀论文

1、 高压大功率变频器应用管理论文1引言山东风光电子有限公司是在多年研制中低压变频器的基础上, 综合了国内外高压大功率变频器的多种方案的优缺点, 采用最优方案研制成功的, 并于2002年12月通过了省级科技成果及产品鉴定, 成为国内生产高压大功率变频器的为数较少的几个企业之一。2国内现生产的高压大功率变频器的方案及优缺点目前, 国内生产的高压大功率变频器中, 以2种方案占主流:一种是功率单元串联形成高压的多重化技术;另一种是采用高压模块的三电平结构。而其他的采用高-低-高方案的, 由于输出升压变压器技术难度高, 成本高, 占地面积大, 都已基本被淘汰。因此采用高-高方案是高压大功率变频器的主要发展

2、方向。而高-高方案又分为多重化技术(简称CSML)和三电平(简称NPC)方案, 目前有的厂家生产的高压大功率变频器是采用的三电平方案, 而大多数厂家则是采用低压模块、多单元串联的多重化技术。这2种方案比较, 各有优缺点, 主要表现在:(1)器件采用CSML方式, 器件数量较多, 但都是低压器件, 不但价格低, 而且易购置, 更换方便。低压器件的技术也较成熟。而NPC方案, 采用器件少, 但成本高, 且购置困难, 维修不方便。(2)均压问题(包括静态均压和动态均压)均压是影响高压变频器的重要因素。采用NPC方式, 当输出电压较高时(如6kV), 单用单个器件不能满足耐压要求, 必须采用器件直接串

3、联, 这必然带来均压问题, 失去三电平结构在均压方面的优势, 系统的可靠性也将受到影响。而采用CSML方案则不存在均压问题。唯一存在的是当变频器处于快速制动时, 电动机处于发电制动状态, 导致单元内直流母线电压上升, 各单元的直流母线电压上升程度可能存在差异, 通过检测功率单元直流母线电压, 当任何单元的直流母线电压超过某一阈值时, 自动延长减速时间, 以防止直流母线电压上升, 即所谓的过压失速防止功能。这种技术在低压变频器中被广泛采用, 非常成功。(3)对电网的谐波污染和功率因数由于CSML方式输入整流电路的脉波数超过NPC方式, 前者在输入谐波方面的优势很明显, 因此在综合功率因数方面也有

4、一定的优势(4)输出波形NPC方式输出相电压是三电平, 线电压是五电平。而CSML方式输出相电压为11电平, 线电压为21电平(对五单元串联而言), 而且后者的等效开关频率大大高于前者, 所以后者在输出波形的质量方面也高于前者。(5)dv/dtNPC方式的输出电压跳变台阶为高压直流母线电压的一半, 对于6kV输出变频器而言, 为4kV左右。CSML方式输出电压跳变台阶为单元的直流母线电压, 不会超过1kV, 所以前者比后者的差距也是很明显的。(6)系统效率就变压器与逆变电路而言, NPC方式与CSML方式效率非常接近。但由于输出波形质量差异, 若采用普通电机, 前者必须设置输出滤波器, 后者不

5、必。而滤波器的存在大约会影响效率的0.5%左右。(7)四象限运行NPC方式当输入采用对称的PWM整流电路时, 可以实现四象限运行, 可用于轧机、卷扬机等设备;而CSML方式则无法实现四象限运行。只能用于风机、水泵类负载。(8)冗余设计NPC方式的冗余设计很难实现, 而CSML方式可以方便的采用功率单元旁路技术和冗余功率单元设计方案, 大大的有利于提高系统的可靠性。(9)可维护性除了可靠性之外, 可维护性也是衡量高压大功率变频器的优劣的一个重要因素, CSML方式采用模块化设计, 更换功率单元时只要拆除3个交流输入端子和2个交流输出端子, 以及1个光纤插头, 就可以抽出整个单元, 十分方便。而N

6、PC方式就不那么方便了。总之, 三电平电压形变频器结构简单, 且可作成四象限运行的变频器, 应用范围宽。如电压等级较高时, 采用器件直接串联, 带来均压问题, 且存在输出谐波和dv/dt等问题, 一般要设置输出滤波器, 在电网对谐波失真要求较高时, 还要设置输入滤波器。而多重化PWM电压型变频器不存在均压问题, 且在输入谐波及dv/dt等方面有明显优势。对于普通的风机、水泵类一般不要求四象限运行的场合, CSML变频器有较广阔的应用前景。这类变频器又被国内外设计者称之为完美无谐波变频器。我公司的设计人员经过多方探讨, 综合各种方案的优缺点, 最后选定了完美无谐波变频器的CSML方案作为我们的最

7、佳选择, 这就是我们向市场推出的JD-BP37和JD-BP38系列的高压大功率变频器。3变频器的性能特点(1)变频器采用多功率单元串联方案, 输出波形失真小, 可配接普通交流电机, 无须输出滤波器。(2)输入侧采用多重化移相整流技术, 电流谐波小, 功率因数高。(3)控制器与功率单元之间的通信用多路并行光纤实现, 提高了抗干扰性及可靠性。(4)控制器中采用一套独立于高压源的电源供电系统, 有利于整机调试和操作人员的培训。(5)采用全中文的Windows彩色液晶显示触摸界面。(6)主电路模块化设计, 安装、调试、维护方便。(7)完整的故障监测和报警保护功能。(8)可选择现场控制、远程控制。(9)

8、内置PID调节器, 可开环或闭环运行。(10)可根据需要打印输出运行报表。4工作原理4.1基本原理本变频器为交-直-交型单元串联多电平电压源变频调速器, 原理框图如图1所示。单元数的多少视电压高低而定, 本处以每相为8单元, 共24单元为例。每个功率单元承受全部的电机电流、1/8的相电压、1/24的输出功率。24个单元在变压器上都有自立独立的三相输入绕组。功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘。二次绕组采用延边三角形接法, 目的是实现多重化, 降低输入电流的谐波成分。24个二次绕组分成三相位组, 互差为20,以B相为基准, A相8个单元对应的8个二次绕组超前B相20, C相8个单元对应的8个

9、二次绕组落后B相20, 形成18脉冲整流电路结构。整机原理图如图2所示。4.2功率单元电路所有单元都有6支二极管实现三相全波整流, 有4个IGBT管构成单相逆变电路。功率单元的主电路如图3所示, 4个IGBT管分别用T1、T2、T3、T4表示, 它们的门极电压分别是UG1、UG2、UG3、UG4、每个功率单元的输出都是一样的PWM波。功率单元输出波形如图4所示。逆变器采用多电平移相PWM技术。同一相的功率单元输出完全相同的基准电压(同幅度、同频率、同相位)。多个单元迭加后的输出波形如图5所示。4.3系统结构与控制(1)系统结构整个系统有隔离变压器、3个变频柜和1个控制柜组成, 参见图6。a)隔

10、离变压器原边为星形接法, 副边共有24个独立的三相绕组, 为了适应现场的电网情况, 变压器原边留有抽头b)变频柜A、B、C三相分装在3个柜内, 可分别称为A柜、B柜、C柜c)控制柜柜内装有控制系统, 柜前板上装有控制面板、控制接线排等。由于电压等级和容量的不同, 不同机型的单元的数量不同, 面板的布置也会有些不同。4.4系统控制整机控制系统有16位单片机担任主控, 24个功率单元都有一个自己的辅助CPU, 由8位单片机担任, 此外还有一个CPU, 也是8位单片机, 负责管理键盘和显示屏。(1)利用三次谐波补偿技术提高了电源电压利用率。(2)控制器有一套独立于高压电源的供电体系, 在不加高压的情

11、况下, 设备各点的波形与加高压情况相同, 这给整机可靠性、调试带来了很大方便。(3)系统采用了先进的载波移相技术, 它的特点是单元输出的基波相迭加、谐波彼此相抵消。所以串联后的总输出波形失真特别小。5现场应用本公司分别于2002年8月、10月和2003年3月、4月分别在山东莱芜钢铁股份有限公司炼铁厂、辽河油田锦州采油厂、浙江永盛化纤有限公司应用了本公司生产的高压大功率变频器JD-BP37-630F2台、JD-BP38-355、JD-BP37-550F各1台。从运行情况看:(1)变频器结构紧凑, 安装简单由于变频器所有部分都装在柜里, 不需要另外的电抗器、滤波器、补偿电容、启动设备等一系列其他装

12、置, 所以体积小, 结构紧凑, 安装简单, 现场配线少, 调试方便。(2)电机及机组运行平稳, 各项指标满足工艺要求。由变频器拖动的电机均为三相普通的异步电动机, 在整个运行范围内, 电机始终运行平稳, 温升正常。风机启动时的噪音及启动电流很小, 无任何异常震动和噪音。在调速范围内, 轴瓦的最高温升均在允许的范围内。(3)变频器三相输出波形完美, 非常接近正弦波。经现场测试, 变频器的三相输出电压波形、电流波形非常标准, 说明变频器完全可以控制一般的普通电动机运行, 对电机无特殊要求。(4)变频器运行情况稳定, 性能良好。该设备投运以来, 变频器运行一直十分稳定。设备运行过程中, 我公司技术人

13、员对变频器输入变压器的温升, 功率单元温升定期巡检, 完全正常。输出电压及电流波形正弦度很好, 谐波含量极少, 效率均高于97%, 优于同类进口设备。(5)运行工况改善, 工人劳动强度降低。变频器可随着生产的需要自动调节电动机的转速, 达到最佳效果, 工人工作强度大大降低。(6)变频器操作简单, 易于掌握及维护。变频器的起停, 改变运行频率等操作简便, 操作人员经过半个小时培训就可以全面掌握。另外, 变频器各种功能齐全, 十分完善, 提高了设备可靠性, 而且节电效果明显。以山东莱钢股份有限公司应用的JD-BP37-630F变频器为例, 该系统生产周期大约为1h, 出铁时间为20min, 间隔约40min, 系统配置电机的额定电流为80A, 根据运行情况, 及其它生产线的实际运行情况, 预计该电机运行电流应在60A, 以变频器上限运行频率45HZ时, 电流为45A, 间隔时间运行频率20HZ时, 电流为20A。根据公式测算节能效果达到42.7%。6结束语从这几台这几个月的运行情况看, 我公司自行研制生产的高压大功率变频器