当今交流变频传动的发展及在水泥厂的应用_交流变频传动_高压变频器

当今交流变频传动的发展及在水泥厂的应用

2009/6/24 11:32:00

摘要:鉴于直流传动具有优越的调速性能，在上一世纪的大部分年代里，高性能可调速传动都采用直流电动机，而约占电气传动总容量80%的不变速传动则采用交流电动机。20世纪70年代变频器的问世彻底打破了交直流传动按调速分工的格局，经历近半个世纪的研究，变频技术从晶闸管(SCR)时期发展到今天的大功率晶体管(IGBT，IGCT)和耐高压大功率晶体管(HVIGBT) 时期，控制技术也发展到今天的矢量控制和直接转矩控制且已全数字化‚其机械特性硬度能满足具有一定硬性负载的调速要求,并有很好的运行特性，并可作为现场级与监控级联系在一起，应用更灵活，通讯更自由，对供电系统也可实现无干扰，应用范围几乎涉及到整个工业领域。
在水泥工厂的设计中，如风机、水泵、篦冷机、选粉机、各种称重设备及板式给料机等都已采用变频调速，已收到良好的经济效益。在立窑厂、湿法窑厂风机采用变频调速已较为普遍，在新型大型干法厂如广州珠江水泥厂、都江堰水泥厂几乎所有风机采用了大功率高压变频器。有些厂如三菱烟台厂已用交流变频传动装置用在窑系统已将近10年, 采用恒转矩负载，在调速、过载、电机维护等方面多有良好的业绩。

1、变频技术的发展

   1）功率开关器件的发展
      当今交流变频传动装置大多采用SPWM(sin pulse width module)正弦脉冲宽度调制方法，即:三相交流经整流和电容滤波后，形成恒定幅值的直流电压，加在逆变器UI上，逆变器的功率开关器件，按一定规律控制其导通和断开，使输出端获得一系列宽度不等的矩形脉冲电压波形。如改变脉冲的宽度即可控制逆变器输出交流基波电压的幅值；如改变调制周期即可控制其输出频率，这样就同时实现了调压和调频, 图1为SPWM原理框图。随着变频器快速性、精度及可靠性的不断提高，对功率开关器件要求越来越高，即开关频率要求在几十kHz，导电损耗低，在各种应用领域的可靠性高，目前除GTO 外，现较成熟的有(IGBT)- （Insulated-Gate Bipolar Transistor）绝缘栅双极晶体管和(IGCT)-(集成栅整流晶体管-Integrated Gate Commutated Thyristor)，IGBT还有高低压之分。西门子公司在发展IGBT技术方面，不仅开发了耐高压的HV-IGBT，在提高关断和载流能力有新的进展;且每次通电或断电时的瞬变电流和瞬变电压可以通过门电路进行控制;ABB公司在发展IGCT技术方面，主要在快速、均衡换流和内在的低损耗等取得很大进展; 其他如Rockwell公司，Fuji等公司在大功率开关器件开发和应用方面也积累了丰富的经验。
       最近又有新的半导体开关器件推出，如IPM（Intelligent Power Module）, IEGT(Injection Enhanced Gate Transistor),炭化硅SiC等，但目前只有小功率的。随着半导体及微电子技术的发展，将开发出性能更好的半导体开关器件，并用于变频器中。

                                                              图1   SPWM原理框图


2)控制理论和控制技术的发展
      由于交流电机原理上的原因，其数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，要像直流电机那样直接通过电流对电磁转矩进行灵活和即时的控制有一定的难度。如果将交流异步电机经过坐标变换可以生成等效的直流电机模型，模拟直流电机的控制方法，求得直流电机的控制量，经过相应的坐标变换反变换，就能控制交流异步电机。由于进行坐标变换的是电流（代表磁动势）的空间矢量，由此实现的控制系统即称为矢量控制系统。当今矢量控制的交流变频器组成的传动系统已完全实现数字化、智能化、模块化控制，即有一个集成高动态性能、优良控制特性、极高灵活性的模板，来实现与电机有关的控制任务，而且带有大量的自由功能模块，用这些模块也可处理与传动有关的控制，如西门子公司的CUVC控制模块等；同时在软件配置上也已实现了标准化和模块化，还提供了许多的非标准功能，如手动-自动设定，输入给定值的通用性，自动重启动功能等，可以说矢量控制的交流变频调速系统的静、动态性能已完全能够与直流调速系统相媲美，是目前最成熟，完善的技术。。
      继矢量控制系统以后，直接转矩控制系统（DTC）是近十几年发展起来的，又一种高动态性能的交流变频调速系统。在DTC中，定子磁通和转矩作为主要控制变量，在等效的电动机自适应模型软件中，通过高速的速度数字信号处理器，电动机的状态每秒更新达几万次。由于电动机状态连续不断地更新，实际值与参考值不断进行比较，实现对逆变器中的每个开关状态单独确定，从而对负载突变或电源干扰所引起的动态变化作出迅速的反应，故它的动态特性好。DTC强调转矩的控制，在控制理论上属于Pang-Pang控制。在高速状态下，其控制水平与矢量控制没有差别，但在低速状态下，其转矩控制不稳定，易发生震荡，引起传动轴系震荡。
3)高压变频器
     所谓的高压等级为2300V，3300V，4160V, 6000V，（也有称之为中压），在高压变频器推出前，大功率高压交流异步电机如需采用变频调速传动，有二种方法，一是靠多个低压PWM变频单元串联的方式实现直接高压，如西门子下属罗宾康的高压变频器，电网电压经过隔离变压器降压后给每个功率单元供电，单相变频功率单元在输出端串联，实现变压变频的高压输出，直接带动高压交流电机。这种变频器经过较长时间运行考验以及器件不断升级，现已在各行业得到认可，最主要特点是谐波较低，系统的效率高，功率因数可达0.95。另一种是所谓的“高－低－高,通过变压器将高压变低压(一般690V),，在低压侧变压变频，再由升压变压器升至和高压电动机相匹配的电压，组成高压交流调速传动装置，由于两侧均需大型变压器，损耗高，谐波较大，现各领域已较少应用。随之耐高压大功率晶体管(HVIGBT)（IGCT）的推出，近几年来AB，Siemens, ABB纷纷推出高压变频器，它的特点是变频器输出可直接接入高压电机，不需专用的变频电机，也称高－高变频器，当前高压变频器的发展主流是主回路采用三电平结构，高压器件，电压源型以及矢量控制方式，现最大可用于7500kW异步电机的速度和转矩控制。为满足脉冲整流器的需要，变频器配套有专用的变压器（一般是三圈），脉冲整流器根据电网对谐波分量的要求，一般可选用6,12,18，24脉冲。西门子公司新开发的SIMOVERT MV装置在输入端采用了有源前端和3电平的HV-IGBT的逆变器，具有自动限流功能，门极控制简单，器件少，效率高，功率因数可高于0.96。通过一个标准程序，可对0~9000r.p.m范围内的传动进行精确控制，其输出电压有极低的谐波分量，并具有极佳的转矩特性，尤其是具有良好的低速性能，能持续输出稳定的大转矩，图2为其电气原理图。

图2：SIMOVERT MV 电气原理图

4）电压源型的普遍应用
从变频电源的性质上看，可分为电压源型变频器和电流源型变频器，它们的主要区别在于中间直流环节采用那种滤波器，电压源型变频器采用大容量电容滤波，直流电压波形比较平直；电流源型变频器采用大电感滤波，直流电流波形比较平直。前述电压源型变频器是当前的主流，指电压源型变频器比电流源型变频器性能优越，采用电压源型变频器使变频器的性能，包括输出波形、功率因数、效率、可靠性及动态性能能进一步提高。见表1：