高压大功率变频器的研制及应用.docx

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1、高压大功率变频器的研制及应用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，单用单个器件不能知足耐压要求，必须采用器件直接串联，这必然带来均压问题，失去三电平构造在均压方面的优势，系统的可靠性也将受到影响。而采用CSML方案那么不存在均压问题。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

2、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。5dv/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

3、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，假设采用普通电机，前者必须设置输出滤波器，后者不必。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方式那么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，大大的有利于进步系统的可靠性。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撤除3个

4、沟通输入端子和2个沟通输出端子，和1个光纤插头，就可以抽出整个单元，特别方便。而NPC方式就不那么方便了。总之，三电平电压形变频器构造简单，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，且在输入谐涉及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太多方讨论，综合各种方案的优缺

5、点，最后选定了完美无谐波变频器的CSML方案作为我们的最正确选择，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，可配接普通沟通电机，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誉多路并行光纤实现，进步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完好的故障监测和报警保护功能。8可选择现场控制、远程控制

6、。9内置PID调节器，可开环或者闭环运行。10可根据需要打印输出运行报表。4工作原理4.1根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上下而定，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互相绝缘。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个二次绕组落后B相

7、20，形成18脉冲整流电路构造。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一样的基准电压同幅度、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系统构造与控制1系统构造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。align=center /aligna

8、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进步了电源电压利用率。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，设备各点的波形与加高压情况一样

9、，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十分小。5现场应用本公司分别于2002年度8月、10月和2003年度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消费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变频器构造紧凑，安装简单由于变频器所有局部都装在柜里，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置，所以体积小，构造紧凑，安装简单，现场配线少，调

10、试方便。2电机及机组运行平稳，各项指标知足工艺要求。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，讲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，变频器运行一直特别稳定。设备运行经过中，我公司技术人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

11、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。变频器可随着消费的需要自动调节电动机的转速，到达最正确效果，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，特别完善，进步了设备可靠性，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，该系统消费周期大约为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，及其它消费线的实际运行情况，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到达42.7%。6完毕语从这几台这几个月的运行情况看，我公司自行研制消费的高压大功率变频器，运行稳定可靠，节能效果显著，改善了工作人员的工作环境，降低了值班人员的劳动强度。变频器对电机保护功能齐全，减少了维修费用，延长了电机及风机的使用寿命，给用户带来了显著的经济效益，深得用户好评。据专家估计我们国家6kV以上的高压大功率电机约有3万多台，约合650万kW，因此，高压大功率变频器的市场是极其广阔的。1徐甫荣.大功率风机水泵调速节能运行的技术经济分析J.变频器世界,2001,8.0