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高压变频器的原理及其分类丨高压变频器原理图丨高压变频器工作原理

供稿:中国工控网 2016/6/16 11:33:01

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  1 前言

  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。其应用的领域和范围也越来越为广范,这使得高效、合理地利用能源(尤其是电能)成为了可能。电机是国民经济中主要的耗电大户,高压大功率的更为突出,而这些设备大部分都有节能的潜力。大力发展高压大功率变频调速技术,,将是时代赋予我们的一项神圣使命,而这一使命也将具有深远的意义。

  2 高压变频器的分类及其电路的拓扑结构

  高压变频器的种类繁多,其分类方法也多种多样。按着中间环节有无直流部分,可分为交交变频器和交直交变频器;按着直流部分的性质,可分为电流型和电压型变频器;按着有无中间低压回路,可分为高高变频器和高低高变频器;按着输出电平数,可分为两电平、三电平、五电平及多电平变频器;按着电压等级和用途,可分为通用变频器和高压变频器;按着嵌位方式,可分为二极管嵌位型和电容嵌位型变频器等等。

  2.1电流型变频器

  由于在变频器的直流环节采用了电感元件而得名,其优点是具有四象限运行能力,能很方便地实现电机的制动功能。缺点是需要对逆变桥进行强迫换流,装置结构复杂,调整较为困难。另外,由于电网侧采用可控硅移相整流,故输入电流谐波较大,容量大时对电网会有一定的影响。如图1、3所示。

  2.2电压型变频器

  由于在变频器的直流环节采用了电容元件而得名,其特点是不能进行四象限运行,当负载电动机需要制动时,需要另行安装制动电路。功率较大时,输出还需要增设正弦波滤波器。如图2、4所示。

  2.3高低高变频器

  采用升降压的办法,将低压或通用变频器应用在中、高压环境中而得名。原理是通过降压变压器,将电网电压降到低压变频器额定或允许的电压输入范围内,经变频器的变换形成频率和幅度都可变的交流电,再经过升压变压器变换成电机所需要的电压等级。

  这种方式,由于采用标准的低压变频器,配合降压,升压变压器,故可以任意匹配电网及电动机的电压等级,容量小的时侯(<500kw)改造成本较直接高压变频器低。缺点是升降压变压器体积大,比较笨重,频率范围易受变压器的影响。

  一般高低高变频器可分为电流型和电压型两种。

  2.3.1高低高电流型变频器

  电路拓扑结构如图1所示,在低压变频器的直流环节由于采用了电感元件而得名。输入侧采用可控硅移相控制整流,控制电动机的电流,输出侧为强迫换流方式,控制电动机的频率和相位。能够实现电机的四象限运行。

电路拓扑结构图

  图1

  2.3.2高低高电压型变频器

  电路拓扑结构如图2所示,在低压变频器的直流环节由于采用了电容元件而得名。输入侧可采用可控硅移相控制整流,也可以采用二极管三相桥直接整流,电容的作用是滤波和储能。逆变或变流电路可采用GTO ,IGBT,IGCT 或 SCR元件,通过SPWM变换,即可得到频率和幅度都可变的交流电,再经升压变压器变换成电机所需要的电压等级。需要指出的是,在变流电路至升压变压器之间还需要置入正弦波滤波器(F),否则升压变压器会因输入谐波或dv/dt过大而发热,或破坏绕组的绝缘。该正弦波滤波器成本很高,一般相当于低压变频器的1/3到1/2的价格。

图2

  2.4高高变频器

  高高变频器无需升降压变压器,功率器件在电网与电动机之间直接构建变换器。由于功率器件耐压问题难于解决,目前国际通用做法是采用器件串联的办法来提高电压等级,其缺点是需要解决器件均压和缓冲难题,技术复杂,难度大。但这种变频器由于没有升降压变压器,故其效率较高低高方式的高,而且结构比较紧凑。

  高高变频器也可分为电流型和电压型两种。

  2.4.1高高电流型变频器

  它采用GTO,SCR或IGCT元件串联的办法实现直接的高压变频,目前电压可达10KV。由于直流环节使用了电感元件,其对电流不够敏感,因此不容易发生过流故障,逆变器工作也很可靠,保护性能良好。其输入侧采用可控硅相控整流,输入电流谐波较大。变频装置容量大时要考虑对电网的污染和对通信电子设备的干扰问题。均压和缓冲电路,技术复杂,成本高。由于器件较多,装置体积大,调整和维修都比较困难。逆变桥采用强迫换流,发热量也比较大,需要解决器件的散热问题。其优点在于具有四象限运行能力,可以制动。

  需要特别说明的是,该类变频器由于较低的输入功率因数和较高的输入输出谐波,故需要在其输入输出侧安装高压自愈电容。

  其电路拓扑结构如图3所示。

其电路拓扑结构图

  图3

  2.4.2高高电压型变频器

  如图4所示,电路结构采用IGBT 直接串联技术,也叫直接器件串联型高压变频器。其在直流环节使用高压电容进行滤波和储能,输出电压可达6KV,其优点是可以采用较低耐压的功率器件,串联桥臂上的所有IGBT作用相同,能够实现互为备用,或者进行冗余设计。缺点是电平数较低,仅为两电平,输出电压dV/dt也较大,需要采用特种电动机或整加高压正弦波滤波器,其成本会增加许多。它不具有四象限运行功能,制动时需另行安装制动单元。

  这种变频器同样需要解决器件的均压问题,一般需特殊设计驱动电路和缓冲电路。对于IGBT驱动电路的延时也有极其苛刻的要求。一旦IGBT的开通、关闭的时间不一致,或者上升、下降沿的斜率相差太悬殊,均会造成功率器件的损坏。

  图4

  2.5嵌位型变频器

  钳位型变频器一般可分为二极管钳位型和电容钳位型。

  2.5.1二极管嵌位型变频器

  电路拓扑结构如图5所示,它既可以实现二极管中点嵌位,也可以实现三电平或更多电平的输出,其技术难度较直接器件串联型变频器低。由于直流环节采用了电容元件,因此它仍属于电压型变频器。这种变频器需要设置输入变压器,它的作用是隔离与星角变换,能够实现12脉冲整流,并提供中间嵌位零电平。通过辅助二极管将IGBT等功率器件强行嵌位于中间零电平上,从而使IGBT两端不会因过压而烧毁,又实现了多电平的输出。

  这种变频器结构,输出可以不安装正弦波滤波器。

  图5

  2.5.2电容嵌位型变频器

  电路拓扑结构如图6所示,它采用同桥臂增设悬浮电容的办法实现了功率器件的嵌位,目前这种变频器应用的比较少。

  图6

  2.6单元串联型变频器

  这是近几年才发展起来的一种电路拓扑结构,它主要由输入变压器、功率单元和控制单元三大部分组成。采用模块化设计,由于采用功率单元相互串联的办法解决了高压的难题而得名,可直接驱动交流电动机,无需输出变压器,更不需要任何形式的滤波器。

  如图7所示,以6单元串联为例。整套变频器共有18个功率单元,每相由6台功率单元相串联,并组成Y形连接,直接驱动电机。每台功率单元电路、结构完全相同,可以互换,也可以互为备用。

  变频器的输入部分是一台移相变压器,原边Y形连接,副边采用沿边三角形连接,共18副三相绕组,分别为每台功率单元供电。它们被平均分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三大部分,每部分具有6副三相小绕组,之间均匀相位移10度。

  该变频器的特点如下:

  ①  采用多重化PWM方式控制,输出电压波形接近正弦波。

  ②  整流电路的多重化,脉冲数多达36,功率因数高,输入谐波小。

  ③  模块化设计,结构紧凑,维护方便,增强了产品的互换性。

  ④  直接高压输出,无需输出变压器。

  ⑤  极低的dv/dt输出,无需任何形式的滤波器。

  ⑥  采用光纤通讯技术,提高了产品的抗干扰能力和可靠性。

  ⑦  功率单元自动旁通电路,能够实现故障不停机功能。

  3 高压变频器的主要应用领域

  高压大功率变频调速装置被广泛地应用于石油化工、市政供水、冶金钢铁、电力能源等行业的各种风机、水泵、压缩机、轧钢机等。



审核编辑(王静)
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