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变频器的系统构成

2018-08-03 11:00:01 阅读()

       一、几种变频器的系统构成
       目前世界上的高压变频器不像低压变频器那样具有成熟的、一致性的拓扑结构,限于采用目前电压耐量的功率器件,高压变频器主电路结构不尽一致,但都较为成功地解决了高电压大容量这一难题。当然,在性能指标及价格上也有差异。典型产品有美国罗宾康CROBI∞N)公司生产的完美元谐波变频器,洛克韦尔CAB)公司生产的Bulletin1557和PowerFlex7000系列变频器、德国西门子公司生产的SIMOVERTMV中压变频器,瑞典ABB公司生产的ACS1000系列变频器,意大利ANSALDO公司生产的SILCOIVERT-TH变频器,日本三菱、富士公司生产的完美无谐波变频器,国内北京的凯奇、先行、利德华福公司和成都佳灵公司生产的高压变频器等。目前最常用的是美国罗宾康(ROBICON)公司生产的完美元谐波变频器和德国西门子公司生产的SIMOVERTMV中压变频器,下面分
别进行介绍。
       1单元串联多重化电压源型变频器
       美国罗宾康公司利用单元串联多重化技术,生产出功率为315kW~10MW的完美元谐波高压变频器,其特点是:①元需输出变压器即实现了直接3.3kV或6kV高压输出;②首家在高压变频器中采用了先进的IGBT功率开关器件,
达到了完美无谐波的输出波形,无需外加滤波器即可满足各国供电部门对谐波的严格要求;③输入功率因数可达0.95以上, THD<1%,总体效率(包括输入隔离变压器在内)高达97%。达到这么高指标的原因是采用了三项新的高压变
频技术:①在输出逆变部分采用了具有独立电源的单相桥式SPWM逆变器直接串联叠加技术;②在输入整流部分采用了多相多重叠加整流技术;③在结构上采用了功率单元模块化技术。柜体的基本组成如图所示。
                       
       所谓多重化技术,就是每相由几个低压PWM功率单元串联组成,各功率单元由一个多绕组的隔离变压器供电,用高速微处理器实现控制和以光导纤维隔离驱动。多重化技术从根本上解决了一般6脉冲和12脉冲变频器所产生的谐波问题,可实现完美无谐波变频。图4-3为6kV变频器的主电路拓扑结构图,每组由5个额定电压为690V的功率单元串联,因此相电压为690V X 5 = 3450V,所对应的线电压为6000V。每个功率单元由输入隔离变压器的15个二次绕组分别供电, 15个二次绕组分成5组,每组之间存在12º的相位差。
                   
        图4-4所示的5功率单元串联变频器以中间A接法为参考(0°),上下方各有2套分别超前(+12。、十24°)和滞后(-12。、-24°)的4组绕组。所需相差角度可通过变压器的不同联结组别来实现。每个功率单元都是由低压绝缘栅双极型晶体管CIGBT)构成的三相输入、单相输出的低压PWM电压型逆变器。
               
       功率单元电路如图4-5所示,每个功率单元输出电压为1、0、-1三种状态电平,每相5’个单元叠加,就可产生11种不同的电平等级,分别为土5、土4、士3、±2、+1和0。
                   
       5功率单元串联输出电压波形如图4-6所示。用这种多重化技术构成的高压变频器,也称为单元串联多电平PWM电压型变频器,采用功率单元串联,而不是用传统的器件串联来实现高压输出,所以不存在器件均压问题。每个功率单元承受全部的输出电流,但仅承受1/5的输出相电压和1/15的输出功率。变频器由于采用多重化PWM技术,由5对依次相移12º的三角载波对基波电压进行调制。对A相基波调制所得的5个信号,分别控制A1~A5这5个功率单元,经叠加可得图4-6所示的具有11级阶梯电平的相电压波形。线电压波形具有21阶梯电平,它相当于30脉波变频。理论上19次以下的谐波都可以抵消,总的电压和电流失真率可分别低于1.2%和0.8%,堪称完美无谐波变频器。它的输入功率因数可达O. 95以上,不必设置输入滤波器和功率因数补偿装置。变频器同一相的功率单元输出相同的基波电压,串联各单元之间的载波错开一定的相位。每个功率单元的IGBT开关频率若为600Hz,则当5个功率单元串联时,等效的输出相电压开关频率为6kHz。功率单元采用低的开关频率可以降低开关损耗,而高的等效输出开关频率和多电平可以大大改善输出波形。波形的改善除减小输出谐波外,还可以降低噪声、du/dt值和电机的转矩脉动。所以这种变频器对电机无特殊要求,可用于普遍笼型电机,且不必降额使用,对输出电缆长度也无特殊限制。由于功率单元有足够的滤波电容,变频器可承受30%电源电压下降和5个周期的电源丧失。这种主电路拓扑结构虽然使器件数量增加,但由于IGBT驱动功率很低,且不必采用均压电路、吸收电路和输出滤波器,因此变频器的效率高达96%以上。
                     
       单元串联多重化变频器的优点有:
       (1)由于采用功率单元串联,可采用技术成熟、价格低廉的低压IGBT组成逆变单元,通过串联单元的个数适应不同的输出电压要求。
       (2)具有完美的输入输出波形,使其能适应任何场合及电机使用。
       (3)多功率单元具有相同的结构及参数,因此便于将功率单元做成模块化,实现冗余设计。即使个别单元故障,也可通过单元旁路功能将该单元短路,系统仍能正常或降额运行。
       其缺点有:
       (1)使用的功率单元及功率器件数量太多, 6kV系统要使用150只功率器件(90只二极管, 60只IGBT),装置的体积太大、重量大,安装位置成问题。
       (2)无法实现能量回馈及四象限运行,且无法实现制动。
       (3)当电网电压和电机电压不同时,无法实现旁路切换控制。用功率单元串联构成高压变频器的另一种改进方案是采用高压IGBT器件,以减少串联的功率单元数。例如,使用3300V耐压的IGBT器件,用2个功率单元串联的变频器可输出4. 16kV中压;若要6kV输出,只要3个单元串联。功率单元和器件数量减少,损耗和故障也减少了,有利于提高装置的效率和可靠性,缩小装置体积。但由于电平级数的减少,输出谐波增加,为获得优良的输出波形,必须增加输出滤波器。另外,由于高压IGBT比普通低压IGBT贵得多,所以虽然功率器件减少了,但成本不一定下降。
       二、中性点钳位三电平PWM变频器
       在PWM电压源型变频器中,当输出电压较高时,为了避免器件串联引起的静态和动态均压问题,同时降低输出谐波及du/dt的影响,逆变器部分可以采用中性点钳位的三电平方式(NPC)。逆变器的功率器件可采用高压IGBT或
IGCT。ABB公司生产的ACS1000系列变频器就采用新型功率器件集成门极换流晶闸管(IGCT)的三电平变频器,其输出电压等级有2. 2、3. 3、4. 16kV。图4-7所示为ACS1000系列12脉冲整流三电平电压源变频器的主电路拓扑结构。西门子公司采用高压IGBT器件,生产了与此类似的变频器SIMOVERTMV系列。其整流部分采用12脉波二极管整流器,逆变部分采用三电平PWM逆变器。
          
       由图4-7可以看出, ACSI000系列变频器采用传统的电压型变频器结构,通过采用高耐压的IGCT功率器件,使得器件总数减少为12个。随着器件数量的减少,成本降低,电路结构简洁,体积减小,可靠性更高。
       由于变频器的整流部分是非线性的,其产生的高次谐波将对电网造成污染。为此,图4-7所示的接线图中,将2组三相桥式整流电路用整流变压器联系起来,其一次绕组接成三角形,二次绕组则一组接成三角形,另一组接成星形。整流变压器两个二次绕组的线电压相同,但相位则相差30°角,这样5、7次谐波在变压器的一次侧将会有180º的相移,因而能够互相抵消。同样的, 17、19次谐波也会互相抵消。这样经过2个整流桥的串联叠加后,即可得到12脉波的整流输出波形,其比6脉波更平滑,并且每个整流桥的二极管耐压可降低一半。采用12相整流电路减少了特征谐波含量,由于特征谐波次数N=KP±l(P为整流相数,K为自然数),所以网侧特征谐波只有11、13、23、25次等。如果采用24脉波整流电路,网侧谐波将更进一步被抑制。两种方案均可使输入功率因数在全功率范围内保证在0.95以上,因此不需要功率因数补偿电容器。
       变频器的逆变部分采用传统的三电平方式,所以输出波形中不可避免地会产生比较大的谐波分量(THD达12.8%),这是三电平逆变方式所固有的。其线电压波形如图4-8所示。因此,在变频器的输出侧必须配置输出LC滤波器,才能用于普通的鼠笼型电动机。经过LC滤波器后,可使其THD<1%。同样由于谐波的原因,电动机的功率因数和效率都会受到一定的影响,只有在额定工况点才能达到最佳的工作状态。随着转速的下降,功率因数和效率都会相应降低。                       
       三电平逆变器的结构简单,体积小,成本低,使用功率器件数量最少(12只),避免了器件的串联,提高了装置的可靠性指标。根据目前IGCT及高压IGBT的耐压水平,三电平逆变器的最高输出电压等级为4. 16kV。当输出电压
要求达到他V时,采用12个功率器件已不能满足要求,必须采用器件串联。这样除了增加成本外,必然会带来均压问题,导致失去了三电平结构的优势,并且会大大影响系统的可靠性。若将来采用9kV耐压的IGCT,则三电平变频器可直接输出6kV,但是谐波及du/dt也相应增加,必须加强滤波功能才能满足THD指标。或者采用下面要讲到的四电平逆变器。在9kV耐压器件出现之前,对于6kV高压电机,可采用Y/6改接的方法,将Y接法的6kV电机改为A接法,这样线电压为3.47kV,采用3.3kV或4. 16kV输出的变频器即能满足要求。同时,也满足了IGCT电压型变频器对电机的绝缘等级提高一级的要求。因此,这个方案可能是最经济合理的。但在进行Y/6改接后,电机电压与电网电压不一致,无法实现旁路功能,当变频器出现故障时,又要保证生产的正常进行,必须首先将电机改回Y接法,再投入6kV电网。为此,电机的Y/6改接应通过Y/6切换柜实现,以便实现旁路功能。而ACSIOOO系列本身的旁路切换是在电机电压与电网电压一致时完成的。
       若采用有源输入前端,则可实现能量回馈及四象限运行。但三电平结构不易
实现冗余设计。
       高压变频系统功能比较齐备,由高压隔离开关及过流保护单元、切分单元、AC/配转换单元、电压检测与直流制动单元、电位叠加单元及保护单元、检测单元、控制电源单元、检测转换单元、保护单元、电平转换与隔离驱动单元、输出量检测单元、模拟量输人与转换单元、中央控制单元、数字/模拟输出单元、显示(CRT/LCD/LED)单元、数字量输入单元、远程通信单元等部分组成。系统各部分功能简述如下。
       (1)高压隔离开关及过流保护单元功能。实现输入及输出高压电的切分转换,从而使系统可以工作于在线、离线或旁路(变频器旁路,电机直合电网电源)状态。
       (2)切分单元功能。将输入的三相交流6000V高压电切分成多个中间交流输出。为减少对输人网侧的谐波干扰,切分单元采用移相技术,从而实现对电网的144波头均衡取电。
       (3) AD/I兀转换单元功能。将切分单元输出的中间交流电压信号转换为直流电压信号输出。
       (4)电压检测与直流制动单元功能。实现直流侧电压信号的检测,当直流侧发生过电压时通知中央控制单元输出控制信号,将直流制动功能接人。
       (5)电位叠加及保护单元功能。利用堆波技术和波形连续变换技术将各路中间直流电压信号叠加,从而在输出侧输出三相交流信号,其幅值可以在零至额定值之间无级调节。保护单元用于实现对装置及负载的过流及过载保护。
       (6)检测单元功能。用来检测输出信号的工作状态,并将检测结果通知中央控制单元。
       (7)控制电源单元功能。为装置的各检测单元及工作单元提供工作电源。
       (8)检测转换单元功能。用来将各检测单元的输出信号进行转换,并将转换后的信号送人中央控制单元进行相应处理。
       (9)保护单元功能。将中央控制单元保护信号的输出进行相应的转换,并控制相应的保护单元进行动作。
       (10)电平转换与隔离驱动单元功能。用于对中央控制单元输出的控制信号进行电平转换及隔离驱动,以控制系统主电路相应部分的工作。由于电压较高,在系统中采用光纤进行隔离,从而保证了高度的绝缘性以及很小的信号衰减,保证了控制信号的可靠传出。
       (11)输出量检测单元功能。用于对整个系统的实际输出量(被控量)进行接收、检测和转换,并将转换结果输入主机,从而方便构成闭环系统。
       (12)模拟量输入与转换单元功能。将各种以模拟量方式输入系统的控制信号进行相应的转换,并将结果通知中央控制单元,从而实现模拟控制量的输入接口。
       (13)中央控制单元功能。本单元是整个系统的主控制单元,为保证系统工作的高可靠性和信号处理的及时性,采用了高性能、高可靠性的工业级PC机,并在其外围扩展了必要的接口电路。本单元主要用来完成系统运行的控制和各种运行状态的监控,以及远程通信和输入/输出接口等功能。
       (14)数字/模拟输出单元功能。为提高系统的通用性,将现场可能用到的一些信号输出,方便用户应用。
       (15)显示(CRT/LCD/LED)单元功能。提供用户现场可能用到的一些信号输出,方便用户应用。
       (16)数字量输入单元功能。将各数字量的输人信号、各种开关量和按键的输入信号以及数字量的反馈信号进行相应的隔离转换,便于现场控制与系统的连接以及参数设定。
       (17)远程通信单元功能。实现HVF系统与远地服务器之间的串行通信,从而实现变频器的异地监护和远程参数设定及远程运行控制等功能,方便系统的运行与维护,使系统的可靠性、可行性、维护成本及故障处理及时性均得到极大提高。

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