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高壓大功率變頻器的研制及應(yīng)用
1、引言
山東風(fēng)光電子有限公司是在多年研制中低壓變頻器的基礎(chǔ)上,綜合了國內(nèi)外高壓大功率變頻器的多種方案的優(yōu)缺點(diǎn),采用最優(yōu)方案研制成功的,并于2002年12月通過了省級科技成果及產(chǎn)品鑒定,成為國內(nèi)生產(chǎn)高壓大功率變頻器的為數(shù)較少的幾個企業(yè)之一。
2、國內(nèi)現(xiàn)生產(chǎn)的高壓大功率變頻器的方案及優(yōu)缺點(diǎn)
目前,國內(nèi)生產(chǎn)的高壓大功率變頻器中,以2種方案占主流:一種是功率單元串聯(lián)形成高壓的多重化技術(shù);另一種是采用高壓模塊的三電平結(jié)構(gòu)。而其他的采用高-低-高方案的,由于輸出升壓變壓器技術(shù)難度高,成本高,占地面積大,都已基本被淘汰。因此采用高-高方案是高壓大功率變頻器的主要發(fā)展方向。
而高-高方案又分為多重化技術(shù)(簡稱CSML)和三電平(簡稱NPC)方案,目前有的廠家生產(chǎn)的高壓大功率變頻器是采用的三電平方案,而大多數(shù)廠家則是采用低壓模塊、多單元串聯(lián)的多重化技術(shù)。這2種方案比較,各有優(yōu)缺點(diǎn),主要表現(xiàn)在:
?。?) 器件采用CSML方式,器件數(shù)量較多,但都是低壓器件,不但價格低,而且易購置,更換方便。低壓器件的技術(shù)也較成熟。而NPC方案,采用器件少,但成本高,且購置困難,維修不方便。
(2) 均壓問題(包括靜態(tài)均壓和動態(tài)均壓)
均壓是影響高壓變頻器的重要因素。采用NPC方式,當(dāng)輸出電壓較高時(如6kV),單用單個器件不能滿足耐壓要求,必須采用器件直接串聯(lián),這必然帶來均壓問題,失去三電平結(jié)構(gòu)在均壓方面的優(yōu)勢,系統(tǒng)的可靠性也將受到影響。而采用CSML方案則不存在均壓問題。唯一存在的是當(dāng)變頻器處于快速制動時,電動機(jī)處于發(fā)電制動狀態(tài),導(dǎo)致單元內(nèi)直流母線電壓上升,各單元的直流母線電壓上升程度可能存在差異,通過檢測功率單元直流母線電壓,當(dāng)任何單元的直流母線電壓超過某一閾值時,自動延長減速時間,以防止直流母線電壓上升,即所謂的過壓失速防止功能。這種技術(shù)在低壓變頻器中被廣泛采用,非常成功。
(3) 對電網(wǎng)的諧波污染和功率因數(shù)由于CSML方式輸入整流電路的脈波數(shù)超過NPC方式,前者在輸入諧波方面的優(yōu)勢很明顯,因此在綜合功率因數(shù)方面也有一定的優(yōu)勢
?。?) 輸出波形NPC方式輸出相電壓是三電平,線電壓是五電平。而CSML方式輸出相電壓為11電平,線電壓為21電平(對五單元串聯(lián)而言),而且后者的等效開關(guān)頻率大大高于前者,所以后者在輸出波形的質(zhì)量方面也高于前者。
(5) dv/dt NPC方式的輸出電壓跳變臺階為高壓直流母線電壓的一半,對于6kV輸出變頻器而言,為4kV左右。CSML方式輸出電壓跳變臺階為單元的直流母線電壓,不會超過1kV,所以前者比后者的差距也是很明顯的。
?。?) 系統(tǒng)效率就變壓器與逆變電路而言,NPC方式與CSML方式效率非常接近。但由于輸出波形質(zhì)量差異,若采用普通電機(jī),前者必須設(shè)置輸出濾波器,后者不必。而濾波器的存在大約會影響效率的0.5%左右。
?。?) 四象限運(yùn)行NPC方式當(dāng)輸入采用對稱的PWM整流電路時,可以實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行,可用于軋機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)等設(shè)備;而CSML方式則無法實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行。只能用于風(fēng)機(jī)、水泵類負(fù)載。
?。?) 冗余設(shè)計(jì)NPC方式的冗余設(shè)計(jì)很難實(shí)現(xiàn),而CSML方式可以方便的采用功率單元旁路技術(shù)和冗余功率單元設(shè)計(jì)方案,大大的有利于提高系統(tǒng)的可靠性。
?。?) 可維護(hù)性除了可靠性之外,可維護(hù)性也是衡量高壓大功率變頻器的優(yōu)劣的一個重要因素,CSML方式采用模塊化設(shè)計(jì),更換功率單元時只要拆除3個交流輸入端子和2個交流輸出端子,以及1個光纖插頭,就可以抽出整個單元,十分方便。而NPC方式就不那么方便了。
總之,三電平電壓形變頻器結(jié)構(gòu)簡單,且可作成四象限運(yùn)行的變頻器,應(yīng)用范圍寬。如電壓等級較高時,采用器件直接串聯(lián),帶來均壓問題,且存在輸出諧波和dv/dt等問題,一般要設(shè)置輸出濾波器,在電網(wǎng)對諧波失真要求較高時,還要設(shè)置輸入濾波器。而多重化PWM電壓型變頻器不存在均壓問題,且在輸入諧波及dv/dt等方面有明顯優(yōu)勢。對于普通的風(fēng)機(jī)、水泵類一般不要求四象限運(yùn)行的場合,CSML變頻器有較廣闊的應(yīng)用前景。這類變頻器又被國內(nèi)外設(shè)計(jì)者稱之為完美無諧波變頻器。
我公司的設(shè)計(jì)人員經(jīng)過多方探討,綜合各種方案的優(yōu)缺點(diǎn),最后選定了完美無諧波變頻器的CSML方案作為我們的最佳選擇,這就是我們向市場推出的JD-BP37和JD-BP38系列的高壓大功率變頻器。
3、變頻器的性能特點(diǎn)
(1) 變頻器采用多功率單元串聯(lián)方案,輸出波形失真小,可配接普通交流電機(jī),無須輸出濾波器。
?。?) 輸入側(cè)采用多重化移相整流技術(shù),電流諧波小,功率因數(shù)高。
?。?) 控制器與功率單元之間的通信用多路并行光纖實(shí)現(xiàn),提高了抗干擾性及可靠性。
?。?) 控制器中采用一套獨(dú)立于高壓源的電源供電系統(tǒng),有利于整機(jī)調(diào)試和操作人員的培訓(xùn)。
?。?) 采用全中文的Windows彩色液晶顯示觸摸界面。
?。?) 主電路模塊化設(shè)計(jì),安裝、調(diào)試、維護(hù)方便。
?。?) 完整的故障監(jiān)測和報警保護(hù)功能。
?。?) 可選擇現(xiàn)場控制、遠(yuǎn)程控制。
?。?) 內(nèi)置PID調(diào)節(jié)器,可開環(huán)或閉環(huán)運(yùn)行。
(10) 可根據(jù)需要打印輸出運(yùn)行報表。
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