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高壓大功率變頻器的研制及應用
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上，綜合了國內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(guò)了省級科技成果及產(chǎn)品鑒定，成為國內生產(chǎn)高壓大功率變頻器的為數較少的幾個(gè)企業(yè)之一。
2 國內現生產(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構。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(jiǎn)稱(chēng)csml)和三電平(簡(jiǎn)稱(chēng)npc)方案，目前有的廠(chǎng)家生產(chǎn)的高壓大功率變頻器是采用的三電平方案，而大多數廠(chǎng)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)，主要表現在:
(1) 器件
采用csml方式，器件數量較多，但都是低壓器件，不但價(jià)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?jiǎn)?wèn)題(包括靜態(tài)均壓和動(dòng)態(tài)均壓)
均壓是影響高壓變頻器的重要因素。采用npc方式，當輸出電壓較高時(shí)(如6kv)，單用單個(gè)器件不能滿(mǎn)足耐壓要求，必須采用器件直接串聯(lián)，這必然帶來(lái)均壓?jiǎn)?wèn)題，失去三電平結構在均壓方面的優(yōu)勢，系統的可靠性也將受到影響。而采用csml方案則不存在均壓?jiǎn)?wèn)題。唯一存在的是當變頻器處于快速制動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機處于發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)，導致單元內直流母線(xiàn)電壓上升，各單元的直流母線(xiàn)電壓上升程度可能存在差異，通過(guò)檢測功率單元直流母線(xiàn)電壓，當任何單元的直流母線(xiàn)電壓超過(guò)某一閾值時(shí)，自動(dòng)延長(cháng)減速時(shí)間，以防止直流母線(xiàn)電壓上升，即所謂的過(guò)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
由于csml方式輸入整流電路的脈波數超過(guò)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方面也有一定的優(yōu)勢
(4) 輸出波形
npc方式輸出相電壓是三電平，線(xiàn)電壓是五電平。而csml方式輸出相電壓為11電平，線(xiàn)電壓為21電平(對五單元串聯(lián)而言)，而且后者的等效開(kāi)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(xiàn)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(xiàn)電壓，不會(huì )超過(guò)1kv，所以前者比后者的差距也是很明顯的。
(6) 系統效率
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，前者必須設置輸出濾波器，后者不必。而濾波器的存在大約會(huì )影響效率的0.5%左右。
(7) 四象限運行
npc方式當輸入采用對稱(chēng)的pwm整流電路時(shí)，可以實(shí)現四象限運行，可用于軋機、卷?yè)P機等設備;而csml方式則無(wú)法實(shí)現四象限運行。只能用于風(fēng)機、水泵類(lèi)負載。
(8) 冗余設計
npc方式的冗余設計很難實(shí)現，而csml方式可以方便的采用功率單元旁路技術(shù)和冗余功率單元設計方案，大大的有利于提高系統的可靠性。
(9) 可維護性
除了可靠性之外，可維護性也是衡量高壓大功率變頻器的優(yōu)劣的一個(gè)重要因素，csml方式采用模塊化設計，更換功率單元時(shí)只要拆除3個(gè)交流輸入端子和2個(gè)交流輸出端子，以及1個(gè)光纖插頭，就可以抽出整個(gè)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構簡(jiǎn)單，且可作成四象限運行的變頻器，應用范圍寬。如電壓等級較高時(shí)，采用器件直接串聯(lián)，帶來(lái)均壓?jiǎn)?wèn)題，且存在輸出諧波和dv/dt等問(wèn)題，一般要設置輸出濾波器，在電網(wǎng)對諧波失真要求較高時(shí)，還要設置輸入濾波器。而多重化pwm電壓型變頻器不存在均壓?jiǎn)?wèn)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、水泵類(lèi)一般不要求四象限運行的場(chǎng)合，csml變頻器有較廣闊的應用前景。這類(lèi)變頻器又被國內外設計者稱(chēng)之為完美無(wú)諧波變頻器。
我公司的設計人員經(jīng)過(guò)多方探討，綜合各種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，最后選定了完美無(wú)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(chǎng)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，無(wú)須輸出濾波器。
(2) 輸入側采用多重化移相整流技術(shù)，電流諧波小，功率因數高。
(3) 控制器與功率單元之間的通信用多路并行光纖實(shí)現，提高了抗干擾性及可靠性。
(4) 控制器中采用一套獨立于高壓源的電源供電系統，有利于整機調試和操作人員的培訓。
(5) 采用全中文的windows彩色液晶顯示觸摸界面。
(6) 主電路模塊化設計，安裝、調試、維護方便。
(7) 完整的故障監測和報警保護功能。
(8) 可選擇現場(chǎng)控制、遠程控制。
(9) 內置pid調節器，可開(kāi)環(huán)或閉環(huán)運行。
(10) 可根據需要打印輸出運行報表。
4 工作原理
4.1 基本原理
本變頻器為交-直-交型單元串聯(lián)多電平電壓源變頻調速器，原理框圖如圖1所示。單元數的多少視電壓高低而定，本處以每相為8單元，共24單元為例。每個(gè)功率單元承受全部的電機電流、1/8的相電壓、1/24的輸出功率。24個(gè)單元在變壓器上都有自立獨立的三相輸入繞組。功率單元之間及變壓器二次繞組之間相互絕緣。二次繞組采用延邊三角形接法，目的是實(shí)現多重化，降低輸入電流的諧波成分。24個(gè)二次繞組分成三相位組，互差為20°,以b相為基準，a相8個(gè)單元對應的8個(gè)二次繞組超前b相20°，c相8個(gè)單元對應的8個(gè)二次繞組落后b相20°，形成18脈沖整流電路結構。整機原理圖如圖2所示。
4.2 功率單元電路
圖1 方案原理框圖
圖2 整機原理圖（為了簡(jiǎn)明，圖中僅畫(huà)了18單元）
所有單元都有6支二極管實(shí)現三相全波整流，有4個(gè)igbt管構成單相逆變電路。功率單元的主電路如圖3所示，4個(gè)igbt管分別用t1、t2、t3、t4表示，它們的門(mén)極電壓分別是ug1、ug2、ug3、ug4、
每個(gè)功率單元的輸出都是一樣的pwm波。功率單元輸出波形如圖4所示。逆變器采用多電平移相pwm技術(shù)。同一相的功率單元輸出完全相同的基準電壓(同幅度、同頻率、同相位)。多個(gè)單元迭加后的 輸出波形如圖5所示。
4.3 系統結構與控制
(1) 系統結構
整個(gè)系統有隔離變壓器、3個(gè)變頻柜和1個(gè)控制柜組成，參見(jiàn)圖6。
圖3 功率單元主回路
圖4 單元電路波形圖
圖5 6個(gè)單元輸出迭加后的波形
圖6 系統結構圖
a) 隔離變壓器
原邊為星形接法，副邊共有24個(gè)獨立的三相繞組，為了適應現場(chǎng)的電網(wǎng)情況，變壓器原邊留有抽頭
b) 變頻柜
a、b、c三相分裝在3個(gè)柜內，可分別稱(chēng)為a柜、b柜、c柜
c) 控制柜
柜內裝有控制系統，柜前板上裝有控制面板、控制接線(xiàn)排等。由于電壓等級和容量的不同，不同機型的單元的數量不同，面板的布置也會(huì )有些不同。
4.4 系統控制
整機控制系統有16位單片機擔任主控，24個(gè)功率單元都有一個(gè)自己的輔助cpu，由8位單片機擔任，此外還有一個(gè)cpu，也是8位單片機，負責管理鍵盤(pán)和顯示屏。
(1) 利用三次諧波補償技術(shù)提高了電源電壓利用率。
(2) 控制器有一套獨立于高壓電源的供電體系，在不加高壓的情況下，設備各點(diǎn)的波形與加高壓情況相同，這給整機可靠性、調試帶來(lái)了很大方便。
(3) 系統采用了先進(jìn)的載波移相技術(shù)，它的特點(diǎn)是單元輸出的基波相迭加、諧波彼此相抵消。所以串聯(lián)后的總輸出波形失真特別小。
5 現場(chǎng)應用
本公司分別于2002年8月、10月和2003年3月、4月 分別在山東萊蕪鋼鐵股份有限公司煉鐵廠(chǎng)、遼河油田錦州采油廠(chǎng)、浙江永盛化纖有限公司應用了本公司生產(chǎn)的高壓大功率變頻器jd-bp37-630f 2臺、jd-bp38-355、jd-bp37-550f各1臺。從運行情況看:
(1) 變頻器結構緊湊，安裝簡(jiǎn)單
由于變頻器所有部分都裝在柜里，不需要另外的電抗器、濾波器、補償電容、啟動(dòng)設備等一系列其他裝置，所以體積小，結構緊湊，安裝簡(jiǎn)單，現場(chǎng)配線(xiàn)少，調試方便。
(2) 電機及機組運行平穩，各項指標滿(mǎn)足工藝要求。
由變頻器拖動(dòng)的電機均為三相普通的異步電動(dòng)機，在整個(gè)運行范圍內，電機始終運行平穩，溫升正常。風(fēng)機啟動(dòng)時(shí)的噪音及啟動(dòng)電流很小，無(wú)任何異常震動(dòng)和噪音。在調速范圍內，軸瓦的最高溫升均在允許的范圍內。
(3) 變頻器三相輸出波形完美，非常接近正弦波。
經(jīng)現場(chǎng)測試，變頻器的三相輸出電壓波形、電流波形非常標準，說(shuō)明變頻器完全可以控制一般的普通電動(dòng)機運行，對電機無(wú)特殊要求。
(4) 變頻器運行情況穩定，性能良好。
該設備投運以來(lái)，變頻器運行一直十分穩定。設備運行過(guò)程中，我公司技術(shù)人員對變頻器輸入變壓器的溫升，功率單元溫升定期巡檢，完全正常。輸出電壓及電流波形正弦度很好，諧波含量極少，效率均高于97%，優(yōu)于同類(lèi)進(jìn)口設備。
(5) 運行工況改善，工人勞動(dòng)強度降低。
變頻器可隨著(zhù)生產(chǎn)的需要自動(dòng)調節電動(dòng)機的轉速，達到最佳效果，工人工作強度大大降低。
(6) 變頻器操作簡(jiǎn)單，易于掌握及維護。
變頻器的起停，改變運行頻率等操作簡(jiǎn)便，操作人員經(jīng)過(guò)半個(gè)小時(shí)培訓就可以全面掌握。另外，變頻器各種功能齊全，十分完善，提高了設備可靠性，而且節電效果明顯。以山東萊鋼股份有限公司應用的jd-bp37-630f變頻器為例，該系統生產(chǎn)周期大約為1h，出鐵時(shí)間為20min，間隔約40min，系統配置電機的額定電流為80a，根據運行情況，及其它生產(chǎn)線(xiàn)的實(shí)際運行情況，預計該電機運行電流應在60a，以變頻器上限運行頻率45hz時(shí)，電流為45a，間隔時(shí)間運行頻率20hz時(shí)，電流為20a。根據公式測算節能效果達到42.7%。
6 結束語(yǔ)
從這幾臺這幾個(gè)月的運行情況看，我公司自行研制生產(chǎn)的高壓大功率變頻器，運行穩定可靠，節能效果顯著(zhù)，改善了工作人員的工作環(huán)境，降低了值班人員的勞動(dòng)強度。變頻器對電機保護功能齊全，減少了維修費用，延長(cháng)了電機及風(fēng)機的使用壽命，給用戶(hù)帶來(lái)了顯著(zhù)的經(jīng)濟效益，深得用戶(hù)好評。據專(zhuān)家估計我們國家6kv以上的高壓大功率電機約有3萬(wàn)多臺，約合650萬(wàn)kw，因此，高壓大功率變頻器的市場(chǎng)是極其廣闊的。
參考文獻
[1] 徐甫榮. 大功率風(fēng)機水泵調速節能運行的技術(shù)經(jīng)濟分析[j]. 變頻器世界,2001,(8).
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