串联桥式高压变频器的原理与设计方法
1设备描述
l 开关柜构成:
开关柜为可选件。可以不采用开关柜,高压输入和输出线通过变压器柜中的接线端子进行连接。如果采用开关柜时,也可选择手动旁路或自动旁路方式,相应地,开关柜的构成也不相同。
手动旁路方式的开关柜主要由高压真空接触器、隔离刀闸、 电压互感器等构成,它的主要作用是在高压变频器检修时,为高压电机从电网直接提供高压电源,不影响用户的使用。在使用时可进行变频运行和工频运行的切换。电压互感器可对输入的高电压进行检测,判断输入、输出电压的质量和是否出现故障,为进行高性能的控制提供依据。
图4 手动方式的开关柜 自动方式时的开关柜主要包括真空接触器等设备,可以不需要人工操作,通过控制柜的可编程序控制器(PLC)自动进行控制,并在系统出现故障时,把变频器输出到电机的三相输出自动切除并切换到电网直接供电,不会导致系统停机。 图5 自动方式的开关柜 l 变压器柜构成: 变压器柜内主要为高压隔离移相变压器。以6 kV高压变频调速系统为例,当采用1700V级的IGBT时,功率柜中每相由6个功率单元组成。这些单元皆由隔离移相变压器二次侧供电,且二次侧依次相差一个相位差,可实现多重化串联整流。在移相变压器的一次侧中,各折算的二次侧电流叠加后,其电流波形非常逼近正弦波,因此对电网的谐波干扰非常小,完全满足国际、国内包括IEEE.519-1992和GB/T14549-93在内各种标准的要求。同时,也改善了系统的功率因数。 变压器柜中同时包括温度监测控制器的测温点(其温控器安装在控制柜内),它实时循环监测各相绕组的温度,当温度高于预定设置值时,会启动变压器柜下部的6个冷却风扇。同时,变压器温度监测控制器会及时在变压器故障时,把信息立即反馈给控制柜,保证了变压器的可靠运行。 l 功率柜构成: 功率柜是变频器功率主电路核心的部分,它由多个完全相同的功率单元组成,各功率单元的输出电压串联叠加后组成输出到电机的三相电压。功率单元中的主功率器件为IGBT,所采用的IGBT耐压为1700V级的IGBT。 以6kV的高压变频器调速系统为例,当采用1700V的IGBT时,每相中包含5个或6个功率单元,而每个功率单元的输出电压为交流693V,则相电压为6×693,即3464V,相应的,其线电压为6kV。 若所设计的装置为10kV变频调速系统,采用的器件也是1700V级的IGBT,则每相中包含8个或9个功率单元。 通过采用了具有自主知识产权的优化PWM(脉冲宽度调制)控制技术,使得输出到电机的电压波形非常接近正弦波,谐波含量小,dv/dt小,无须额外增加滤波器,可以直接输出到普通异步电动机,且对变频器到电机的电缆长度没有要求。 功率单元和控制柜之间通过高速可靠的光纤进行通信,可有效避免电磁干扰,提高系统的可靠性。 l 控制柜构成: 控制柜是整个高压变频调速系统的核心,它根据用户在本地或远程的操作和设置,并采集系统中电压、电流模拟量,及各开关量,进行逻辑处理和计算后,决定并控制各功率单元的动作,进一步驱动电机,满足输出要求。 控制柜中包括不间断电源UPS、断路器、可编程逻辑控制器PLC、DSP 控制板、IO板、光纤板、液晶操作人机界面及控制按钮、开关等。其中,所有的计算在 DSP 控制板中进行。控制核心为专业设计的双DSP(数字信号处理器),并辅之以FPGA(现场可编程门阵列)和CPLD(复杂可编程逻辑器件),它们的采用不但可进行高速运算,实现复杂的控制功能,而且还大大简化了控制电路的设计,提高了控制系统的可靠性。 高压变频器串联H桥高压变频调速系统组成部分包括变压器柜、功率柜、控制柜及开关柜(可选),如图1所示。 图1 FRHV串联H桥高压变频调速系统典型组成部分 图1中主要示意系统的组成部分,具体到各系列产品的实际安装方式,可能有所区别。尤其是针对800kW以下的系列产品,采用了优化设计方案,不但保证了整个系统的可靠性,而且更加紧凑,降低了对用户的安装空间的要求。(功率柜的数量随装置的具体的容量而不同) 图2是串联H桥式高压变频调速系统功率电路原理图,以输出6kV,每相5或6个单元为例。(而对于10kV,每相8或9个单元)。图中6 kV电网电压直接给移相变压器供电,移相变压器二次侧有15或18个独立的三相低压绕组。每一个三相低压绕组给一个低压单相变频器(称为H桥,或功率单元)供电,其电路图如图3所示。在图2给出的例子中,输出到电机的三相中,每一相由5个功率单元串联,三相共15个功率单元,即可输出三相对称,电压、频率都可调的变压、变频电源。最高输出电压为6 kV,频率50Hz,可直接驱动6 kV的三相异步电动机。如果需要输出10kV电压,可增加每一相功率单元的串联个数或者增加每个H桥单元的输出电压。 图2 串联H桥高压变频调速系统功率电路(5串/相)原理图 图3 H桥单个功率单元内部电路原理图 为了保证系统的可靠性和使用寿命,主要元器件均采用国际知名厂家产品,主要元器件清单见表1。 表1:主要元器件清单 序号 名称 品牌 1 IGBT 日本富士 2 整流管 德国西门康或日本三社 3 电解电容 德国优派克 4 驱动片 日本三菱公司 5 风机 德国 6 吸收电容 美国CDE 7 输出电流传感器 德国莱姆 8 光纤及接口 美国安捷伦 9 光耦 日本东芝 10 移相变压器 北京新华都 变频器安装 变频器采用底部进出线方式,从正面看,高压进线孔位于变压器柜后部居中的位置,高压出线及二次进出线电缆孔位于单元柜后部居左的位置。变频器应安装在电缆沟上,见下图。 变频器安装在10#槽钢焊接的底座上,通过点焊方式将其固定在安装槽钢上,槽钢需可靠接地,接地电阻不得大于4Ω。 变频器在正面操作,二次接线室在正面。为了保证操作、维护的方便性和通风散热效果,变频器正面距墙距离不小于 室内冷却方式:若采用空调制冷,则空调容量不小于平均负载功率×1.6%为空调的匹数;若采用排风方式,则每个风机排风量不小于
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