IGBT高壓變頻調(diào)速電源PowerSupply(PS)ofIGBTHigh-voltageFrequencyConversionGovernor
摘要:提出用于高壓電動機(jī)變頻調(diào)速電源需考慮的串聯(lián)、諧波和效率等幾個問題;介紹由全控型電力電子器件IGBT按多重化PWM控制技術(shù)構(gòu)成、目前已商品化的高壓變頻器,可用于中、高壓交流電動機(jī)的直接變頻調(diào)速。
Abstract:This paper pointed out a few problems of series,harmonic and efficiency etc.,to be needed considering,it introduced constructed by all-controlling power electronics device IGBT by means of multi-PWM control technology,and this kind of convertor can be the used for direct frequency conversion governorof midolle/high-voltageA.C mo tors.
關(guān)鍵詞:交流調(diào)速電源高壓變頻IGBT多重化PWM
Keywords:A.C.governor'sPS,High-voltage frequency conversion,IGBT,Multi-PWM
1 引言
眾所周知,電力傳動中,交流電動機(jī)較直流電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、價格便宜、維修方便,因而被大量使用。然而在起動和調(diào)速性能方面,交流機(jī)較直流機(jī)麻煩或困難。
交流電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速??梢?,只要能連續(xù)地改變供電電源的頻率f,便能平滑地調(diào)節(jié)交流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速(式中p為電機(jī)的極對數(shù),只能有級且有限地改變)。
由于電力電子技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)在由電力半導(dǎo)體器件構(gòu)成的靜止式變頻器已很成熟,因而交流電動機(jī)的變壓變頻(VVVF)調(diào)速已日益普及,其優(yōu)越性亦廣為人們所熟知。
但是變頻調(diào)速至今主要還是應(yīng)用在中、小容量和低壓電機(jī)上,而在礦山、冶金、化工、石油、建材等工業(yè)部門和水廠、電廠,使用著大量的中、高壓風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)和攪拌機(jī)等,這些機(jī)械功率都在幾百千瓦以上,有的高達(dá)數(shù)千甚至上萬千瓦,它們消耗的電能是非常可觀的。
此前,這類機(jī)械大多采用恒速交流傳動,而以擋板、閥門或空放回流的辦法進(jìn)行輸出量的調(diào)節(jié),白白損失大量的電能。因此,在這類機(jī)械上采用變頻調(diào)速,根據(jù)輸出量的要求用電氣手段改變輸出功率,對節(jié)能有著巨大意義。
2 高壓變頻調(diào)速電源的幾個問題
(1)串聯(lián)
按理,在裝置要求高壓而器件耐壓能力有限的情況下,可采用器件串聯(lián)的辦法來滿足。但是器件的串聯(lián)使用,因各器件的動態(tài)電阻和極電容不同,而存在穩(wěn)態(tài)和動態(tài)均壓問題。如采取與器件并R和RC的均壓措施,會使電路復(fù)雜,損耗增加;同時,器件串聯(lián)對驅(qū)動電路的要求也大大提高,要盡量做到串聯(lián)器件同時導(dǎo)通和關(guān)斷。否則,由于各器件開、斷時間不一,承受電壓不均,會導(dǎo)致器件損壞甚至整個裝置崩潰。
(2)諧波
這是所有交直交變頻器的共同問題,但是在大功率變頻調(diào)速中更為突出。諧波污染電網(wǎng),將殃及同一電網(wǎng)上的其它設(shè)備,甚至影響電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行,諧波電流也使電機(jī)發(fā)熱,損耗增加,功率因數(shù)下降,不得不?降額?使用。
(3)效率
裝置功率愈大,效率問題也愈益重要。為提高效率,必須設(shè)法盡量減少功率開關(guān)器件和變頻電源中的損耗。
基于上述幾方面的考慮,用全控型電力電子器件IGBT組成的、用于交流電動機(jī)變頻調(diào)速的高壓變頻器,采用"功率單元"串接的新型結(jié)構(gòu),即用多個低壓的脈寬調(diào)制(PWM)逆變器作功率單元,將它們按多重化格式組成高壓變頻器,能較好地解決這幾個問題。
3 IGBT高壓變頻器
圖1(a),(b)是一臺6000V變頻器的主電路拓樸和連接圖。每相由5個額定電壓為690V的功率單元串聯(lián),因此相電壓為5×690V=3450V,所對應(yīng)的線電壓為6000V(如果每相用4個480V的功率單元串接時,輸出線電壓則為3300V)。每個功率單元由輸入隔離變壓器的15個二次繞組分別供電,15個二次繞組分成5組,每組之間存在一個相位差。圖1(b)中以中間△接法為參考(0°),上下方各有兩套分別超前(+)和滯后(-)12°,24°的4組繞組。所需相差角度可通過變壓器的不同聯(lián)接組別來實現(xiàn)。
圖1中的每個功率單元都是由絕緣門雙極晶體管(IGBT)構(gòu)成的三相輸入、單相輸出的低壓PWM電壓型逆變器,主電路見圖2。每個功率單元輸出電壓為1,0,-1三種狀態(tài)電平,每相5個單元疊加,就可產(chǎn)生11種不同的電平等級,分別為±5,±4,±3,±2,±1和0。圖3為一相合成的正弦輸出電壓波形。用這種多重化方法構(gòu)成的高壓變頻器,也稱為單元串聯(lián)多電平PWM電壓型變頻器。
圖1所示高壓變頻器,由于每相由5個690V的功率單元串聯(lián)而成,不是用傳統(tǒng)的器件串聯(lián)來實現(xiàn)高壓輸出,所以不存在器件均壓問題。每個功率單元承受全部的輸出電流,但僅承受1/5的輸出相電壓和1/15的輸出功率。變頻器采用多重化PWM技術(shù),圖1變頻器由5對(每對含正反相信號)依次相移12°的三角載波對基波電壓進(jìn)行調(diào)制。對A相基波調(diào)制所得的5個信號,分別控制A1~A55個功率單元,經(jīng)疊加即可得圖3所示具有11級階梯的相電壓波形。它相當(dāng)于30脈波變頻,理論上29次以下的諧波都可以抵消,總的電壓和電流失真可分別低至1.2%和0.8%,堪稱"完美無諧波"(Harmony)變頻器。它的輸入功率因數(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。該系列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開一定的相位,每個功率單元的IGBT開關(guān)頻率若為600Hz,則當(dāng)每相有5個功率單元串聯(lián)時,等效的輸出相電壓開關(guān)頻率為6kHz。功率單元采用低的開關(guān)頻率可以降低開關(guān)損耗,而高的等效輸出開關(guān)頻率和多電平可大大改善輸出波形。波形改善除減小輸出諧波外,還可降低噪音、du/dt值和電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動。所以這種變頻器用于調(diào)速電源對電機(jī)無特殊要求,可用于普通的高壓電機(jī),且不必降額,對輸出電纜長度也沒有特殊限制。
電壓型功率單元由于有足夠的濾波電容,變頻器可承受-30%電源電壓下降和5個周期電源喪失。這種主電路拓樸結(jié)構(gòu)雖然使器件數(shù)量增加,但由于IGBT驅(qū)動功率很低(峰值為5W左右,平均不到1W),且不必采用均壓電路、吸改電路和輸出濾波器,使變頻器效率高達(dá)96%以上。
由功率單元構(gòu)成高壓變頻器的另一種方案是采用高壓IGBT器件,以減少串聯(lián)功率單元。例如,用3.3kVIGBT器件,由兩個功率單元串聯(lián)的PWM電壓源變頻器,可輸出4160V中壓;若欲6000V高壓輸出,則只要用三單元串聯(lián)。功率單元和器件數(shù)量減少,損耗和故障率也減少。圖4為由兩功率單元串聯(lián)的變頻器電氣連接圖。由于輸出電壓電平級數(shù)減少,為獲得優(yōu)良性能,這時變頻器需帶有輸出濾波器。
上述變頻器的每一功率單元都從一個由微處理器構(gòu)成的中央控制器接受命令,控制和通訊信號由光導(dǎo)纖維傳送,能維持5kV的絕緣并保證良好的抗干擾性和可靠性。另外,由于采用模塊化結(jié)構(gòu),所有功率單元完全相同,可以互換,每個功率單元與裝置的聯(lián)系僅為3個交流輸入、2個交流輸出及三路通信插頭,單元的維修更換十分方便;如采用功率單元旁路技術(shù),可使變頻器在功率單元損壞的情況下繼續(xù)降額運(yùn)行。
4 結(jié)語
工業(yè)中,中、高壓電動機(jī)有著大量的應(yīng)用。要實現(xiàn)變頻調(diào)速,以前多采用所謂"高低高"方案,即中間仍采用低壓變頻器,而在它的輸入和輸出兩邊分別用降壓和升壓變壓器來適配電壓等級。這樣可利用價格相對較低、使用已很普遍的低壓變頻器。但這種方式,中間環(huán)節(jié)電流大,加上升降壓變壓器的損耗,系統(tǒng)效率低,體積龐大,可靠性下降?,F(xiàn)在,已有了上述兩種結(jié)構(gòu)的高壓變頻器產(chǎn)品,采用直接變頻調(diào)速,特別是1000kW以上的大功率電動機(jī),無疑是更為合理的選擇。而且可以預(yù)計,隨著技術(shù)的進(jìn)步,在電力傳動領(lǐng)域,二十一世紀(jì)將是高壓變頻器大顯神威的年代。
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