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变 频与传动高压变频器原理及应用

电 机是工业生产中主要的耗电设备,高 压大功率电动机的应用更为突出,而 这些设备大部分都存在很大的节能潜力。所 以大力发展高压大功率变频调速技术具有时代的必要性和迫切性。

目前,随 着现代电力电子技术和微电子技术的迅猛发展,高压大 功 率变频调速装置不断地成熟起来,原 来一直难于解决的高压问题,近 年来通过器件串联或单元串联得到了很好的解决。其 应用领域和范围也越来越为广范,这为工矿企业高效、合理地利用能源(尤其是电能)提供了技术先决条件。

几 种常用高压变频器的主电路分析:

(1)单 元串联多重化电压源型高压变频器

单 元串联多重化电压源型高压变频器利用低压单相变频器串联,弥补功率器件IGBT的耐压能力的不足。所谓多重化,就 是每相由几个低压功率单元串联组成,各 功率单元由一个多绕组的移相隔离变压器供电,用 高速微处理器实现控制和以光导纤维隔离驱动。但其存在以下缺点:

a)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 装位置和基建投资成问题;

b)所需高压电缆太多,系 统的内阻无形中增大,接线太多,故障点相应的增多;

c)一个单元损坏时,单元可旁路,但 此时输出电压不平衡中心点的电压是浮动的,造成电压、电流不平衡,从 而谐波也相应的增大,勉强运行时终 究 会导致电动机的损坏;

d)输 出电压波形在额定负载时尚好,低于25Hz以下畸变突出;

e)由 于系统中存在着变压器,系 统效率再提高不容易实现;移相变压器中,6kV 三相6绕组×3(10kV时需12绕组×3)延边三角形接法,在三相电压不平衡(实 际上三相电压是不可能绝对平衡的)时,产生的内部环流,必将引起内阻的 增加和电流的损耗,也 相应的就造成了变压器的铜损增大。此时,再 加上变压器的铁芯的固有损耗,变 压器的效率就会降低,也 就影响了整个高压变频器的效率。这 种 情况在越低于额定负荷运行时,越是显著。10kV时,变压器有近400个接头、近百根电缆。在 额定负荷时效率可达96%,但在轻负荷时,效率低于90%。

(2)中性点钳位三电平PWM变频器

该 系列变频器采用传统的电压型变频器结构。中性点钳位三电平PWM变频器的逆变部 分 采用传统的三电平方式,所 以输出波形中会不可避免地产生比较大的谐波分量,这 是三电平逆变方式所固有的。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机。同样由于谐波的原因,电 动机的功率因数和效率、甚 至寿命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,但随着转速的下降,功 率因数和效率都会相应降低。

多电平+多重化高压变频器。多电平+多 重化高压变频器的本意是想解决高压IGBT的耐压有限的问题,但此种方式,不 仅增加了系统的复杂性,而 且降低了多重化冗余性能好和三电平结构简单的优点。因 此此类变频器实际上并不可取。

此 类型变频器的性能价格优势并不大,与 其同时采用多电平和多重化两种技术,还 不如采用前面提到的高压IGBT的 多重化变频器或者三电平变频器。

(3)电流源型高压变频器

功 率器件直接串联的电流源型高压变频器是在线路中串联大电感,再将SCR(或GTO、 SGCT等)开 关速度较慢的功率器件直接串联而构成的。

这 种方式虽然使用功率器件少、易于控制电流,但 是没有真正解决高压功率器 件的串联问题。因 为即使功率器件出现故障,由 于大电感的限流作用,di/dt受到限制,功率器件虽不易损坏,但 带来的问题是对电网污染严重、功率因数低。并 且电流源型高压变频器对电网电压及电机负载的变化敏感,无 法做成真正的通用型产品。

电 流源型高压变频器是最早的产品,但 凡是电压型变频器到达的地方,它都被迫退出,因为在经济上、技术上,它都明显处于劣势。

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