中高壓變頻器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分析比較
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圖6ACS1000變頻器主電路結(jié)構(gòu)圖
率因數(shù)可達(dá)0.95以上,不必設(shè)置輸入濾波器和功率因數(shù)補(bǔ)償裝置。變頻器同一相的功率單元輸出相同的基波電壓,串聯(lián)各單元之間的載波錯(cuò)開(kāi)一定的相位,每個(gè)功率單元的IGBT開(kāi)關(guān)頻率若為600Hz,則當(dāng)5個(gè)功率單元串聯(lián)時(shí),等效的輸出相電壓開(kāi)關(guān)頻率為6kHz。功率單元采用低的開(kāi)關(guān)頻率可以降低開(kāi)關(guān)損耗,而高的等效輸出開(kāi)關(guān)頻率和多電平可以大大改善輸出波形。波形的改善除減小輸出諧波外,還可以降低噪聲、dv/dt值和電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。所以這種變頻器對(duì)電機(jī)無(wú)特殊要求,可用于普遍籠型電機(jī),且不必降額使用,對(duì)輸出電纜長(zhǎng)度也無(wú)特殊限制。由于功率單元有足夠的濾波電容,變頻器可承受-30%電源電壓下降和5個(gè)周期的電源喪失。這種主電路結(jié)構(gòu)雖然使器件數(shù)量增加,但由于IGBT驅(qū)動(dòng)功率很低,且不必采用均壓電路、吸收電路和輸出濾波器,可使變頻器的效率高達(dá)96%以上。
單元串聯(lián)多重化變頻器的優(yōu)點(diǎn)是:
1)由于采用功率單元串聯(lián),可采用技術(shù)成熟,價(jià)格低廉的低壓IGBT組成逆變單元,通過(guò)串聯(lián)單元的個(gè)數(shù)適應(yīng)不同的輸出電壓要求;
2)完美的輸入輸出波形,使其能適應(yīng)任何場(chǎng)合及電機(jī)使用;
3)由于多功率單元具有相同的結(jié)構(gòu)及參數(shù),便于將功率單元做成模塊化,實(shí)現(xiàn)冗余設(shè)計(jì),即使在個(gè)別單元故障時(shí)也可通過(guò)單元旁路功能將該單元短路,系統(tǒng)仍能正?;蚪殿~運(yùn)行。
其缺點(diǎn)是:
1)使用的功率單元及功率器件數(shù)量太多,6kV系統(tǒng)要使用150只功率器件(90只二極管,60只IGBT),裝置的體積太大,重量大,安裝位置成問(wèn)題;
2)無(wú)法實(shí)現(xiàn)能量回饋及四象限運(yùn)行,且無(wú)法實(shí)現(xiàn)制動(dòng);
3)當(dāng)電網(wǎng)電壓和電機(jī)電壓不同時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)旁路切換控制。
用功率單元串聯(lián)構(gòu)成高壓變頻器的另一種改進(jìn)方案是采用高壓IGBT器件,以減少串聯(lián)的功率單元數(shù)。例如,用3300V耐壓的IGBT器件,用兩個(gè)功率單元串聯(lián)的變頻器可輸出4.16kV中壓;若要6kV輸出,只要三個(gè)單元串聯(lián)。功率單元和器件數(shù)量的減少,使損耗和故障也減少了,有利于提高裝置的效率和可靠性,縮小裝置體積。但由于電平級(jí)數(shù)的減少,輸出諧波增加,為獲得優(yōu)良的輸出波形,必須加輸出濾波器。另外由于高壓IGBT比普通低壓IGBT要貴得多,所以雖然功率器件減少了,但成本不一定下降。
4中性點(diǎn)鉗位三電平PWM變頻器
在PWM電壓源型變頻器中,當(dāng)輸出電壓較高時(shí),為了避免器件串聯(lián)引起的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)均壓?jiǎn)栴},同時(shí)降低輸出諧波及dv/dt的影響,逆變器部分可以采用中性點(diǎn)鉗位的三電平方式(Neutralpointclamped:NPC)。逆變器的功率器件可采用高壓IGBT或IGCT。ABB公司生產(chǎn)的ACS1000系列變頻器為采用新型功率器件——集成門極換流晶閘管(IGCT)的三電平變頻器,輸出電壓等級(jí)有2.2kV、3.3kV和4.16kV。圖6所示為ACS100012脈沖整流三電平電壓源變頻器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。西門子公司采用高壓IGBT器件,生產(chǎn)了與此類似的變頻器SIMOVERTMV系列。
整流部分采用12脈波二極管整流器,逆變部分采用三電平PWM逆變器。由圖6可以看出,該系列變頻器采用傳統(tǒng)的電壓型變頻器結(jié)構(gòu),通過(guò)采用高耐壓的IGCT功率器件,使得器件總數(shù)減少為12個(gè)。隨著器件數(shù)量的減少,成本降低,電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔,從而使體積縮小,可靠性更高。
由于變頻器的整流部分是非線性的,產(chǎn)生的高次諧波將對(duì)電網(wǎng)造成污染。為此,圖6所示的ACS1000系列變頻器的12脈波整流接線圖中,將兩組三相橋式整流電路用整流變壓器聯(lián)系起來(lái),其初級(jí)繞組接成三角形,其次級(jí)繞組則一組接成三角形,另一組接成星形,整流變壓器兩個(gè)次級(jí)繞組的線電壓相同,但相位則相差30°角,這樣5次、7次諧波在變壓器的初級(jí)將會(huì)有180°的相移,因而能夠互相抵消,同樣的17、19次諧波也會(huì)互相抵消。這樣經(jīng)過(guò)2個(gè)整流橋的串聯(lián)疊加后,即可得到12脈波的整流輸出波形,比6脈波更平滑,并且每個(gè)整流橋的二級(jí)管耐壓可降低一半。采用12相整流電路減少了特征諧波含量,由于
圖7三電平PWM變頻器輸出線電壓波形圖
圖8四電平逆變器結(jié)構(gòu)圖
特征諧波次數(shù)N=KP±1(P為整流相數(shù)、K為自然數(shù))。所以網(wǎng)側(cè)特征諧波只有11、13、23、25次等。如果采用24脈波整流電路,網(wǎng)側(cè)諧波將更進(jìn)一步被抑制。兩種方案均可使輸入功率因數(shù)在全功率范圍內(nèi)保證在0.95以上,不需要功率因數(shù)補(bǔ)償電容器。
變頻器的逆變部分采用傳統(tǒng)的三電平方式,所以輸出波形中會(huì)不可避免地產(chǎn)生比較大的諧波分量(THD達(dá)12.8%),這是三電平逆變方式所固有的,其線電壓波形見(jiàn)圖7。因此在變頻器的輸出側(cè)必須配置輸出LC濾波器才能用于普通的鼠籠型電機(jī)。經(jīng)過(guò)LC濾波器后,可使其THD1%。同樣由于諧波的原因,電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)和效率都會(huì)受到一定的影響,只有在額定工況點(diǎn)才能達(dá)到最佳的工作狀態(tài),隨著轉(zhuǎn)速的下降,功率因數(shù)和效率都會(huì)相應(yīng)降低。
三電平逆變器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,體積小,成本低,使用功率器件數(shù)量最少(12只),避免了器件的串聯(lián),提高了裝置的可靠性指標(biāo)。根據(jù)目前IGCT及高壓IGBT的耐壓水平,三電平逆變器的最高輸出電壓等級(jí)為4.16kV,當(dāng)輸出電壓要求6kV時(shí),采用12個(gè)功率器件已不能滿足要求,必須采用器件串聯(lián),除了增加成本外,必然會(huì)帶來(lái)均壓?jiǎn)栴},失去了三電平結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì),并且會(huì)大大影響系統(tǒng)的可靠性。若將來(lái)采用9kV耐壓的IGCT,則三電平變頻器可直接輸出6kV,但是諧波及dv/dt也相應(yīng)增加,必須加強(qiáng)濾波功能以滿足THD指標(biāo)?;蛘卟捎孟旅嬉v到的四電平逆變器。 在9kV耐壓的器件出現(xiàn)之前,對(duì)于6kV高壓電機(jī),可采用Y/△改接的辦法,將Y型接法的6kV電機(jī)改為△接法,線電壓為3.47kV,采用3.3kV或4.16kV輸出的變頻器即能滿足要求,同時(shí)也滿足了IGCT電壓型變頻器對(duì)電機(jī)的絕緣等級(jí)提高一級(jí)的要求,因此這個(gè)方案可能是最經(jīng)濟(jì)合理的。但在進(jìn)行Y/△改接后,電機(jī)電壓與電網(wǎng)電壓不一致,無(wú)法實(shí)現(xiàn)旁路功能,當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時(shí),又要保證生產(chǎn)的正常進(jìn)行,必須首先將電機(jī)改回Y型接法,再投入6kV電網(wǎng)。為此,電機(jī)的Y/△改接應(yīng)通過(guò)Y/△切換柜實(shí)現(xiàn),以便實(shí)現(xiàn)旁路功能。而ACS1000系列本身的旁路切換是在電機(jī)電壓與電網(wǎng)電壓一致時(shí)完成的。 若采用有源輸入前端,則可實(shí)現(xiàn)能量回饋及四象限運(yùn)行,但三電平結(jié)構(gòu)不易實(shí)現(xiàn)冗余設(shè)計(jì)。
5多電平高壓變頻器
隨著現(xiàn)代拓?fù)浼夹g(shù)的發(fā)展,多電平高壓變頻調(diào)速技術(shù)得到了實(shí)際的應(yīng)用。這種高壓變頻器的代表是法國(guó)阿爾斯通(ALSTOM)公司生產(chǎn)的ALSPAVDM6000系列高壓變頻器,其逆變器結(jié)構(gòu)如圖8所示。
由圖8可見(jiàn),功率器件不是簡(jiǎn)單地串聯(lián),而是結(jié)構(gòu)上的串聯(lián),通過(guò)電容鉗位,保證了電壓的安全分配。其主要特點(diǎn)是:
1)通過(guò)整體單元裝置的串并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以滿足不同的電壓等級(jí)(如3.3kV、4.16kV、6.6kV、10kV)的需要。
2)這種結(jié)構(gòu)可使系統(tǒng)普遍采用直流母線方案,以實(shí)現(xiàn)在多臺(tái)高壓變頻器之間能量互相交換。
3)這種結(jié)構(gòu)沒(méi)有傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的各級(jí)功率器件上的眾多分壓分流裝置,消除了系統(tǒng)的可靠性低的因素,從而使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單,可靠,易于維護(hù)。
4)輸出波形非常接近正弦波,可適用于普通感應(yīng)電機(jī)和同步電機(jī)調(diào)速,而無(wú)需降低容量,沒(méi)有dv/dt對(duì)電機(jī)絕緣等的影響,電機(jī)沒(méi)有額外的溫升,是一種技術(shù)先進(jìn)的高壓變頻器。輸出電壓和電機(jī)電流波形如圖9所示。
5)ALSPAVDM6000系列高壓變頻器可根據(jù)電網(wǎng)對(duì)諧波的不同要求采用12脈波,18脈波的二極管整流或晶閘管整流;若要將電能反饋回電網(wǎng),可用晶閘管整流橋;若要求控制電網(wǎng)的諧波、功率因數(shù),及實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行,可選擇有源前端。 6多電平+多重化變頻器
日本富士公司采用高壓IGBT開(kāi)發(fā)的中壓變頻器FRENIC4600FM4系列,它匯集了多電平和多重化變
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中高壓變頻器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分析比較
(b)電機(jī)電流
(a)輸出電壓
圖9ALSPAVDM6000輸出電壓電流波形
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