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高壓大功率變頻器的研制及應用

10-04 19:53:40  瀏覽次數:413次  欄目:建筑電氣
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  1、引言

  山東風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缺點,采用最優方案研制成功的,并于2002年12月通過了省級科技成果及產品鑒定,成為國內生產高壓大功率變頻器的為數較少的幾個企業之一。

  2、國內現生產的高壓大功率變頻器的方案及優缺點

  目前,國內生產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形成高壓的多重化技術;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展方向。

  而高-高方案又分為多重化技術(簡稱CSML)和三電平(簡稱NPC)方案,目前有的廠家生產的高壓大功率變頻器是采用的三電平方案,而大多數廠家則是采用低壓模塊、多單元串聯的多重化技術。這2種方案比較,各有優缺點,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,不但價格低,而且易購置,更換方便。低壓器件的技術也較成熟。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(包括靜態均壓和動態均壓)

  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(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,這必然帶來均壓問題,失去三電平結構在均壓方面的優勢,系統的可靠性也將受到影響。而采用CSML方案則不存在均壓問題。唯一存在的是當變頻器處于快速制動時,電動機處于發電制動狀態,導致單元內直流母線電壓上升,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。這種技術在低壓變頻器中被廣泛采用,非常成功。

 。3) 對電網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NPC方式,前者在輸入諧波方面的優勢很明顯,因此在綜合功率因數方面也有一定的優勢

 。4) 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(對五單元串聯而言),而且后者的等效開關頻率大大高于前者,所以后者在輸出波形的質量方面也高于前者。

 。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。

 。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的PWM整流電路時,可以實現四象限運行,可用于軋機、卷揚機等設備;而CSML方式則無法實現四象限運行。只能用于風機、水泵類負載。

 。8) 冗余設計NPC方式的冗余設計很難實現,而CSML方式可以方便的采用功率單元旁路技術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劣的一個重要因素,CSML方式采用模塊化設計,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構簡單,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,采用器件直接串聯,帶來均壓問題,且存在輸出諧波和dv/dt等問題,一般要設置輸出濾波器,在電網對諧波失真要求較高時,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問題,且在輸入諧波及dv/dt等方面有明顯優勢。對于普通的風機、水泵類一般不要求四象限運行的場合,CSML變頻器有較廣闊的應用前景。這類變頻器又被國內外設計者稱之為完美無諧波變頻器。

  我公司的設計人員經過多方探討,綜合各種方案的優缺點,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

 。1) 變頻器采用多功率單元串聯方案,輸出波形失真小,可配接普通交流電機,無須輸出濾波器。

 。2) 輸入側采用多重化移相整流技術,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) 可選擇現場控制、遠程控制。

 。9) 內置PID調節器,可開環或閉環運行。

 。10) 可根據需要打印輸出運行報表。

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