高压大功率变频器的研制及应用

《高压大功率变频器的研制及应用》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高压大功率变频器的研制及应用（8页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、高压大功率变频器的研制及应用 1 引言山东风光电子有限企业是在多年研制中低压变频器的基础上，综合了我国外高压大功率变频器的多个方案的优缺点，采取最优方案研制成功的，并于2021年12月经过了省级科技结果及产品判定，成为我国生产高压大功率变频器的为数较少的多个企业之一。2 我国现生产的高压大功率变频器的方案及优缺点现在，我国生产的高压大功率变频器中，以2种方案占主流:一个是功率单元串联形成高压的多重化技术;另一个是采取高压模块的三电平结构。而其它的采取高低高方案的，因为输出升压变压器技术难度高，成本高，占地面积大，全部已基础被淘汰。所以采取高高方案是高压大功率变频器的关键发展方向。而高高方案又分

2、为多重化技术(简称CSML)和三电平(简称NPC)方案，现在有的厂家生产的高压大功率变频器是采取的三电平方案，而大多数厂家则是采取低压模块、多单元串联的多重化技术。这2种方案比较，各有优缺点，关键表现在:(1) 器件采取CSML方法，器件数量较多，但全部是低压器件，不仅价格低，而且易购置，更换方便。低压器件的技术也较成熟。而NPC方案，采取器件少，但成本高，且购置困难，维修不方便。(2) 均压问题(包含静态均压和动态均压)均压是影响高压变频器的主要原因。采取NPC方法，当输出电压较高时(如6kV)，单用单个器件不能满足耐压要求，必需采取器件直接串联，这必定带来均压问题，失去三电平结构在均压方面

3、的优势，系统的可靠性也将受到影响。而采取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，造成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，经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出某一阈值时，自动延长减速时间，以预防直流母线电压上升，即所谓的过压失速预防功效。这种技术在低压变频器中被广泛采取，很成功。(3) 对电的谐波污染和功率因数因为CSML方法输入整流电路的脉波数超出NPC方法，前者在输入谐波方面的优势很显著，所以在综合功率因数方面也有一定的优势(4) 输出波形NPC方法输出相电压是三电平，线电压是五电平。而CS

4、ML方法输出相电压为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，因此后者在输出波形的质量方面也高于前者。(5) dv/dtNPC方法的输出电压跳变台阶为高压直流母线电压的二分之一，对于6kV输出变频器而言，为4kV左右。CSML方法输出电压跳变台阶为单元的直流母线电压，不会超出1kV，因此前者比后者的差距也是很显著的。(6) 系统效率就变压器和逆变电路而言，NPC方法和CSML方法效率很靠近。但因为输出波形质量差异，若采取一般电机，前者必需设置输出滤波器，后者无须。而滤波器的存在大聚会影响效率的0.5%左右。(7) 四象限运行NPC方法当输入采取对称的P

5、WM整流电路时，能够实现四象限运行，可用于轧机、卷扬机等设备;而CSML方法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方法的冗余设计极难实现，而CSML方法能够方便的采取功率单元旁路技术和冗余功率单元设计方案，大大的有利于提升系统的可靠性。(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主要原因，CSML方法采取模块化设计，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，和1个光纤插头，就能够抽出整个单元，十分方便。而NPC方法就不那么方便了。总而言之，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

6、级较高时，采取器件直接串联，带来均压问题，且存在输出谐波和dv/dt等问题，通常要设置输出滤波器，在电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等方面有显著优势。对于一般的风机、水泵类通常不要求四象限运行的场所，CSML变频器有较宽广的应用前景。这类变频器又被我国外设计者称之为完美无谐波变频器。我企业的设计人员经过多方探讨，综合多种方案的优缺点，最终选定了完美无谐波变频器的CSML方案作为我们的最好选择，这就是我们向市场推出的JDBP37和JDBP38系列的高压大功率变频器。3 变频器的性能特点(1) 变频器采取多功率单元串联方

7、案，输出波形失真小，可配接一般交流电机，无须输出滤波器。(2) 输入侧采取多重化移相整流技术，电流谐波小，功率因数高。(3) 控制器和功率单元之间的通信用多路并行光纤实现，提升了抗干扰性及可靠性。(4) 控制器中采取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) 采取全汉字的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效。(8) 可选择现场控制、远程控制。(9) 内置PID调整器，可开环或闭环运行。(10) 可依据需要打印输出运行报表。4 工作原理4.1 基础原理本变频器为交直交型单元串联多电平电

8、压源变频调速器，原理框图图1所表示。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个单元在变压器上全部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。二次绕组采取延边三角形接法，目标是实现多重化，降低输入电流的谐波成份。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。整机原理图图2所表示。4.2 功率单元电路图1 方案原理框图图2 整机原理图（为了简明，图中仅画了18

9、单元）全部单元全部有6支二极管实现三相全波整流，有4个IGBT管组成单相逆变电路。功率单元的主电路图3所表示，4个IGBT管分别用T1、T2、T3、T4表示，它们的门极电压分别是U本篇论文是由为您在络上搜集整理的，论文版权属原作者，请不要用于商业用途或剽窃，仅供参考学习之用，不然后果自负，假如此文侵犯您的正当权益，烦请联络我们。G1、UG2、UG3、UG4、每个功率单元的输出全部是一样的PWM波。功率单元输出波形图4所表示。逆变器采取多电平移相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 输出波形图5所表示。4.3 系统结构和控制(1) 系统结

10、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。图3 功率单元主回路图4 单元电路波形图图5 6个单元输出迭加后的波形图6 系统结构图a) 隔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。因为电压等级和容量的不一样，不一样机型的单元的数量不一样，面板的部署也会有些不一样。4.4 系统控制整机控制系统有16位单片机担任主控，24个功率单元全部有一个自己的辅助CPU，由8位单片机担任，另外还有一个CPU，

11、也是8位单片机，负责管理键盘和显示器。(1) 利用三次谐波赔偿技术提升了电源电压利用率。(2) 控制器有一套独立于高压电源的供电体系，在不加高压的情况下，设备各点的波形和加高压情况相同，这给整机可靠性、调试带来了很大方便。(3) 系统采取了优秀的载波移相技术，它的特点是单元输出的基波相迭加、谐波相互相抵消。因此串联后的总输出波形失真尤其小。5 现场应用本企业分别于2021年8月、10月和2021年3月、4月 分别在山东莱芜钢铁股份有限企业炼铁厂、辽河油田锦州采油厂、浙江永盛化纤有限企业应用了本企业生产的高压大功率变频器JDBP37630F 2台、JDBP38355、JDBP37550F各1台。

12、从运行情况看:(1) 变频器结构紧凑，安装简单因为变频器全部部分全部装在柜里，不需要另外的电抗器、滤波器、赔偿电容、开启设备等一系列其它装置，因此体积小，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一般的异步电动机，在整个运行范围内，电机一直运行平稳，温升正常。风机开启时的噪音及开启电流很小，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许可的范围内。(3) 变频器三相输出波形完美，很靠近正弦波。经现场测试，变频器的三相输出电压波形、电流波形很标准，说明变频器完全能够控制通常的一般电动机运行，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，我企业技术人员对变频器输入变压器的温升，功率单元温升定时巡检，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) 运行工况改进，工人劳动强度降低。变频器可伴随生产的需要自动调整电动机的转速，达成最好效果，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?