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IGBT直接串聯逆變的高壓變頻器及其應用

發布日期:2020-02-05   來源:《變頻器世界》19-10期   作者:IGBT、串聯技術、高壓變頻器、沖渣泵、應用   瀏覽次數:2717
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【摘   要】:對常見的幾種高壓變頻器主電路拓撲結構進行了簡單分析 ,著重介紹了IGBT直接串聯高壓變頻器的主電路結構及高速功率器件直接串聯技術、正弦波技術、抗共模電壓技術等三項關鍵核心技術 ,并對幾種高壓變頻器的性能進行了較為詳細的比較。分析了75t/h循環流化床鍋爐風機改造前的運行狀況和存在的問題,介紹了IGBT直接串聯6kV高壓變頻調速系統的工作原理和主要技術特性,將IGBT直接高壓變頻器成功應用在了鍋爐風機電動機上。不僅達到了節能減排、提高自動化操作控制水平的目的,而且減少了設備維護維修工作量和故障率,改善了系統


關鍵詞IGBT、串聯技術、高壓變頻器、沖渣泵、應用

 

 

電動機是工業生產中主要的耗電設備,高壓大功率電動機要耗費更多電力,需要大力發展高壓大功率變頻調速技術,提高它們的節能潛力。近年來,器件串聯或單元串聯技術為企業高效、合理地利用電能提供了技術條件。

以單元串聯多重化電壓源型高壓變頻器為例,變頻器本身由變壓器柜、功率柜、控制柜三部分組成。三相高壓電經高壓開關柜進入,經輸入降壓、移相給功率單元柜內的功率單元供電。功率單元分為三組,一組為一相,每相的功率單元的輸出首尾相串。主控制柜中的控制單元通過光纖時對功率柜中的每一功率單元進行整流、逆變控制與檢測。根據實際需要,通過操作界面進行頻率的給定,控制單元把控制信息發送到功率單元進行相應得整流、逆變調整,輸出滿足負荷需求的電壓等級。

  1.幾種常用高壓變頻器主電路

  1.1單元串聯多重化電壓源型高壓變頻器

  所謂多重化,就是每相由幾個低壓功率單元串聯組成,各功率單元由一個多繞組的移相隔離變壓器供電,用高速微處理器實現控制和以光導纖維隔離驅動。它可以彌補功率器件IGBT耐壓能力不足的問題,但存在以下缺點。

 ?。?/font>1) 使用的功率單元及功率器件數量多,6kV系統要使用150只功率器件(90只二極管,60只IGBT),裝置的體積太大,重量大,安裝位置和基建投資成問題。

 ?。?/font>2需要的高壓電纜多,系統內阻增大,接線多,故障點相應增多。

 ?。?/font>3)一個單元損壞時,單元可旁路,但此時輸出中心點電壓平衡度不受控制,會造成電壓、電流不平衡,諧波增大,導致電動機損壞。

 ?。?/font>4)輸出電壓波形在額定負載時尚好,低于25Hz以下時全畸變。

 ?。?/font>5)移相變壓器6kV 三相6繞組×3(10 kV時需12繞組×3)為延邊三角形接法,在三相電壓不平衡(實際上三相電壓是不可能絕對平衡的)時,會產生的內部環流,將引起內阻增加和電流損耗,變壓器銅損增大。加上變壓器固有的鐵心損耗,變壓器效率會降低,影響整個高壓變頻器效率。這種情況,越低于額定負荷運行越顯著。

  1.2 中性點鉗位三電平PWM變頻器

  該系列變頻器采用傳統的電壓型變頻器結構。中性點鉗位三電平PWM變頻器的逆變部 分采用傳統三電平方式,所以輸出波形中會不可避免地產生比較大的諧波分量。這是三電平逆變方式所固有的。因此,在變頻器輸出側必須配置輸出LC濾波器,才能用于普通的籠型電動機。由于諧波的原因,電動機的功率因數和效率,甚至壽命都會受到影響,只有在額定工況點才能達到最佳的工作狀態,但隨著轉速的下降,功率因數和效率都會降低。

1.3多電平+多重化高壓變頻器

多電平+多重化高壓變頻器不僅增加了系統的復雜性,而且降低了多重化冗余性能好和三電平結構簡單的優點。此類變頻器實際上并不可取。

  此類型變頻器的性能價格優勢不大,與其同時采用多電平和多重化兩種技術,還不如采用高壓IGBT的多重化變頻器或三電平變頻器。

  1.4電流源型高壓變頻器

  功率器件直接串聯的電流源型高壓變頻器是在線路中串聯大電感,再將SCR(或GTO、 SGCT等)開關速度較慢的功率器件直接串聯進去。

  這種方式雖然使用功率器件少、易于控制電流,但沒有真正解決高壓功率器件的串聯問題。因為即使功率器件出現故障,由于大電感的限流作用,di/dt受到限制,對電網產生污染,功率因數低。電流源型高壓變頻器對電網電壓及電動機負載的變化敏感,無法做成通用型產品。

2.IGBT直接串聯逆變的高壓變頻器主電路

2.1 主電路

IGBT直接串聯逆變的高壓變頻主電路如圖1所示。

 

1.IGBT直接串聯逆變的高壓變頻主電路

  圖1中,電網高壓直接經高壓斷路器進入變頻器,經過高壓二極管全橋整流、直流平波電抗器和電容濾波,再通過逆變器逆變,正弦波濾波器濾波,實現高壓變頻輸出,直接供電給高壓電動機。

  功率器件IGBT直接串聯逆變的二電平電壓型高壓變頻器采用變頻器已有的成熟技術,應用獨特而簡單的控制技術成功設計出的一種無輸入輸出變壓器、IGBT直接串聯逆變、輸出效率達98%的高壓調速系統。

  對需要快速制動的場合,可采用直流放電制動裝置,具有直流放電制動裝置的變頻器主電路如圖2所示。

2.具有直流放電制動裝置的變頻器主電路

在需要四象限運行、能量回饋,或輸入電源側短路容量較小時,也可采用如圖3所示的PWM整流電路,使輸入電流正弦波更完美。


3.PWM整流電路

   IGBT直接串聯逆變的高壓變頻器25Hz、30Hz、40Hz、50Hz電壓、電流輸出波形及諧波圖如圖4所示。

                                                                          4  電壓、電流輸出波形及諧波圖  

2.3 關鍵新技術介紹

功率器件是采用變頻器已有的成熟技術,應用獨特而簡單的控制技術成功設計出的一種無輸入輸出變壓器、IGBT直接串聯逆變、輸出效率達98% 的高壓調速系統。

  考慮到工藝對調速精度要求不是很高,本系統只采用開環控制并在高爐值班室通過開關量信號操作.此信號接人變頻器數字控制信號輸入端,需沖渣時給調節系統一個“l”的信號,電機高速運行,不需沖渣時將此信號取消,電機低速運行.輸出頻率的控制與調節由變頻器本身自備的調節面板根據現場實際需要任意整定。

  3.2 變頻器的主要特點

 ?。?/font>1)使用了IGBT串聯直接高壓二電平方式,利用公司自行研制的1/3象限壓拉動態均壓、鉗壓技術攻克了當今世界IGBT串聯使用時開關微秒級同步的難題。

 ?。?/font>2)正因為采用了高性能的HV—IGBT???,整個設備的體積非常小,跟國內外其它同規格的變頻器比較其體積減少2/3~1/2。

 ?。?/font>3)因設置了直流平波電抗器、功率因素提升電抗器、輸出濾波器,優化了PWM 波形,具有諧波含量和直流波紋系數較低,功率因素較高,輸出電壓波形近似正弦波等優點。

 ?。?/font>4)根據共模電壓產生的機理,采取了“堵和疏”的辦法將共模電壓消滅在變頻器內部.有效地解決了共模電壓(也叫零序電壓)問題,降低了電動機定子繞組的中心點和地之問的電壓,從而不需任何絕緣措施可直接使用原有的普通鼠籠式電機。

 ?。?/font>5)投資少,其費用比同規格的進口設備降低1/3以上。

2.3.1高速功率器件的串聯技術

根據查新,世界各國均未生產出IGBT直接串聯的高壓變頻器。原因正如一些權威人士所言:“IGBT是不能串聯的。因為開關時間短,微秒級,很難保證所有管子串聯同時開關。否則有的早開,所有的電壓都來加在晚開的管子上,那么這個1200V的管子加上6000V,只能燒掉,一燒一串,不可能串聯。

  系統改造以前,世界各國均未生產出IGBT直接串聯逆變的高壓變頻器。原因是一些權威人士認為:IGBT是不能串聯的。因為開關時間短,微秒級,很難保證所有管子串聯同時開關。否則,有的早開,所有的電壓都來加在晚開的管子上,那么,這個1 200 V的管子加上6 000 V電壓,只能被燒掉,一燒一串,不可能串聯。

2.3.2 正弦波技術

  高壓電動機對變頻器的輸出電壓波形有嚴格的要求。解決變頻器輸出電壓波形可從兩方面著手:一是優化 PWM波形,二是研制出特種濾波器。

  過去一些人認為:三電平的電壓波形一定優于二電平,今后就是低壓變 頻器也應采用三電平。這種說法可能不太全面。三電平的總諧波含量可能低于二電平,但由于三電平的11次、13次諧波含量特別高,處理起來特別困難,而二電平只要波形優化得好,60次以下的諧波皆可大大降低。人們使用三電平是為避免器件串聯的困難,不得已而為之。

  2.3.3 抗共模電壓技術

共模電壓(也叫零序電壓),指電動機定子繞組的中心點和地之間的電壓。

僅解決IGBT的串聯,并不能甩掉輸入變壓器。原因在于共模電壓的存在。在低壓變頻器領域,近年來發現的電機軸承損壞,共模電壓就是影響之一,在高壓變頻器的領域中,共模電壓更是必須解決的關鍵問題之一。共模電壓(也叫零序電壓),是指電動機定子繞組的中心點和地之間的電壓。

無論是電流源還是電壓源變頻器都產生共模電壓,共模電壓會產生干擾。技術人員根據共模電壓產生的機理,采取了“堵和疏”的辦法將共模電壓消滅在變頻器內部。  

抗共模電壓技術:僅解決IGBT的串聯,并不能去掉輸入變壓器,原因在于共模電壓的存在。在低壓變頻器領域,近年來發現的電動機軸承損壞,共模電壓就是影響之一。在高壓變頻器的領域中,共模電壓更是必須解決的關鍵問題之一。共模電壓(也叫做零序電壓)是指電動機定子繞組的中心點和地之間的電壓。共模電壓也是對外產生干擾的原因,特別是長線傳輸設備。無論是電流源,變溫器還是電壓源變頻器產生共模電壓是必然的。一些公司根據共模電壓產生的機理,采取了“堵和疏”的辦法將共模電壓消滅在變頻器內部。

以現在變頻器中大量使用的IGBT為例,當開關頻率為2~20kHz時,di/dt可高 達2kA/ys,如果雜散電感為30nH就能產生60V的干擾電壓,當變頻器產生的高頻共模電壓作用在電動機上,由于電動機內部存在高頻寄生電容耦合作用,在電動機轉軸上會耦合出軸電壓,并對此軸承電容進行充電,導致電容電壓升高。當電容電壓遠大于絕緣閥值時,將產生電容放電性電流(軸承電流),最終在軸承上產生凹槽,增大了機械磨損,降低其機械壽命。另一方面,共模電壓激勵了系統中的雜散電容和寄生耦合電容,產生很大的共模漏電流,通過定子繞組和接地機殼間的靜電耦合流入地形成漏電流,這個電流將通過接地導體流回電網中從而產生足夠大的共模電磁干擾。為了解決PWM變頻系統中存在的共模電壓和過電壓問題,以二極管鉗位型(NPC)三電平變頻器為例,首先闡述了變頻器共模電壓和過電壓的產生機理。在此基礎上,提出一種新型共模電壓和過電壓抑制策略,即通過對變頻器調制策略的優化抑制共模電壓,并在優化后的變頻器輸出端加入濾波器來抑制過電壓,從而達到同時抑制一個變頻系統中共模電壓和過電壓的目的。

 隨著PWM載波頻率的不斷升高,由于高頻特性和電壓的快速上升,其產生的共模電壓對電機驅動系統產生的危害會更加大,如何消除這些影響是當前學術界和工業界的研究熱點。因此,了解并研宄變頻傳動系統電機側共模電壓的測量方法,對消除其對系統的負 面影響有著重要的意義。

  由于采用了上述三項核心關鍵技術,使IGBT直接高壓變頻器的效率達到98%以上。輸出電壓正弦化、共模電壓最小化。適用于任何異步電動機、同步電動機,無需降容使用,幾km的長線傳輸也無問題。對于傳輸距離 太長時應考慮線路電壓補償。如提高電壓或增大導線截面等。

2.3 系統特點

  所有的功率??榫悄芑杓憑哂星看蟮淖哉鋃現傅寄芰?,一旦有故障發生時,功率??榻收閑畔⒀桿俜禱氐街骺氐ピ?,主控單元及時將主要功率元件IGBT關斷,?;ぶ韉緶?;同時在中文人機界面上精確定位顯示故障位置、類別。在設計時已將一定功率范圍內的單元??榻辛吮曜薊悸?,以此保證了單元??樵誚峁?、功能上的一致性。當??槌魷止收鮮?,在得到報警器報警通知后,可在幾分鐘內更換同等功能的備用???,減少?;奔?。

  6kV電網電壓經過副邊多重化的隔離變壓器降壓后給功率單元供電,功率單元為三相輸入,單相輸出的交直流PWM電壓源型逆變器結構,相鄰功率單元的輸出端串聯起來,形成Y接結構,實現變壓變頻的高壓直接輸出,供給高壓電動機。6kV電壓等級的高壓,每相由六個額定電壓為600V的功率單元串聯而成,輸出相電壓最高可達3464V,線電壓達6000V左右。改變每相功率單元的串聯個數或功率單元的輸出電壓等級,就可以實現不同電壓等級的高壓輸出。每個功率單元分別由輸入變壓器的一組副邊供電,功率單元之間及變壓器二次繞組之間相互絕緣。二次繞組采用延邊三角形接法,實現多重化,以達到降低輸入諧波電流的目的。6kV電壓等級的變頻器,給18個功率單元供電的18個二次繞組每三個一組,分為6個不同的相位組,互差10度電角度,形成36脈沖的整流電路結構,輸入電流波形接近正弦波,這種等值裂相供電方式使總的諧波電流失真大為減少,變頻器輸入的功率因數可達到0.95以上。

 ?。?/font>1)電壓等級為3kV-10kV;

 ?。?/font>2)系統自帶專門設計的高壓開關柜,與本身高壓變頻器高效安全配套,并含變/工頻切換裝 置和電子式真空斷路器;

 ?。?/font>3)全中文操作界面,基于 Windows操作平臺,彩色液晶觸摸屏,便于就地監控、設定參數、選擇功能和調試;

 ?。?/font>3)內置PLC可編程控制器,易于改變和擴展控制邏輯關系;

 ?。?/font>4)高壓主電路與低壓控制電路采 用光纖傳輸,安全隔離,使得系統抗干擾能力強;

 ?。?/font>5)控制電路通訊方式采用全數字化通訊;

 ?。?/font>6)系統的 整流單元、逆變單元設計,選用組合??榛窘峁?,整機占地面積小、重量輕,便于安裝、維護;

 ?。?/font>7)裝置可在本機上操作,也可實 現遠距離外控,具備完善、方便的操作功能選擇;

 ?。?/font>8)系統具有標準的計算機通訊接口RS232或 RS422、RS485,可方便 的與用戶DCS系統或工控系統組態建立整個系統的工作站,進一步提高系統的自動化控制程度,實現整個工控系統的全閉環監控,從而獲得更加完善的、可靠自動化運行;

 ?。?/font>10)具備全面的故障監測、可靠的故障報警?;すδ?

 ?。?/font>11)輸入功率因數高,輸出電壓諧波 含量小,無需功率因數補償和諧波抑制器;

 ?。?/font>12)輸出電壓為標準正弦波形,對電纜和電動機的絕緣無損害,減輕電動機的軸承和葉片 等機械部分震動和磨損,延長電動機的使用壽命,輸出至電動機的線纜長度可達20km;

 ?。?/font>13)采用獨特的抗共模電壓技術,使系統*模電壓 ≤1000V,無需再提高電動機的絕緣等級,無需專用電動機;

 ?。?/font>14)易于實現能量回饋和四象限運行;并可直接引出直流 進行直流輸電;

 ?。?/font>15)對用戶的高壓異步電動機無任何特殊要求。不但適用于新舊異步電動機,也適用于同步電動機。

3  IGBT 高壓變頻器在沖渣泵上的應用

  3.1 現場情況

  永峰鋼廠是重鋼集團公司的一個主要生產廠,負責公司所需鐵水和鐵塊冶煉。高爐冶煉鐵水過程中產生大量的熔渣,通常是用大流量的中壓水將其降溫并 沖散,同時輸送到水渣池回收,作為煉鐵生產的副產品。高爐生產是不間斷的,一般情況下每天出鐵15次,在高爐出鐵前、后各放一次渣,兩次出渣時間約 30min,在此時間內要求水沖渣系統的水泵滿負荷工作,其余時間水泵只需保持約30%水流量防止管道堵塞即可。4#-高爐使用ZGB-300型沖渣泵,原系統運行時,起動前管道進出水閥門關閉,起動后閥門開度約90%,機組全速運行,電網電壓6300V,電動機運行電流33A,功率因數81.6%,耗電功率294kW。不需沖渣水時通過調節閥門在30%來調節水流量(此時電動機電流25A),耗電功率214kW,一方面導致大量的節能損失,另一方面頻繁操作閥門,致使其使用壽命大大降低,增加了停產更換閥門的時間,為此公司決定對4#高爐沖渣泵進行改造。

  3.2 改造方案

  由電動機轉速公式n=60f×(1-s)/p可知:只要改變電動機的頻率f,就可以實現電動機的轉速調節,高電壓大功率變頻器通過控制IGBT(絕緣柵雙極型電力場效應管)的導通和關斷,使輸出頻率連續可調。而且是隨著頻率的變化,輸出電流、電壓、功率都將發生變化,即負荷大時轉速大, 輸出功率大,負荷小時轉速小,輸出功率也小。

  由流體力學::Q′=Q(n′/n) 、H′=H(n′/n)2 、P′=P(n′/n)3 可知: 當泵機低于額定轉速時節電為:E=〔1-(n′/n)3〕×P×T(kWh)

  可見,通過變頻改造,沖渣泵流量Q、壓力H及軸功率P都將發生較大的改 變,不但節能而且大大提高了設備運行性能。根據沖渣泵的實際特性對其進行了具體改造,沖渣泵在沖渣時工作在49.5Hz,在不沖渣時工作在25Hz,考慮 到工藝對調速精度要求不是很高,本系統只采用開環控制并在高爐值班室操作,需沖渣時給調節系統一個“1”的信號,電動機高速運行,不需沖渣時將此信號取消,電動機低速運行,取得了很好的節能效果。

  3.3 改造效果

  根據18個月的運行,經過反復多種測試各運行參數一直正常,變頻器質量性能良好,安全可靠,各項指標均達到了設計要求.

  (1)諧波抑制效果良好。電壓諧波含量小于3%,符合 IEEE519-1992和GB/T14549-93標準。

  (2)各種?;すδ芡晟?。過流、過壓、欠壓、故障保 護等功能可靠,并且考慮了外部電網的防雷擊等多環節?;すδ?。

  (3)各種指示功能完備。具有輸入、輸出電流和電壓、運行頻率、故障顯示、運行狀態指示等功能。

  (4)操作簡便。同普通的低壓變頻器的功能操作方式相似,功能設置和調整簡單方便。

   機組49.5Hz運行和無變頻器運行相比可節省功率ΔP1=P50-P49.5=80kW;

  機組25Hz運行和無變頻器運行相比可節省功率ΔP2=214kW-P25=132kW;

  年節電量:ΔW= (H1ΔP1+H2ΔP2)=365(7.5×80+16.5×132)=1013970kWh;

  (注:每年按365天 計H1:沖渣時間=15×30/60=7.5小時;H2:不沖渣時間=24-7.5=16.5小時);

  經濟效益:ΔW電價=1013970×0.56=567823元(萊鋼廠工業電價0.56元/kWh);

  實現電動機軟起動功能,延長了電動機壽命,大大減少了沖渣泵故障發生率;

  提高了自動化水平,節約了大量工業用水;

  由上述可知,綜合經濟效益每年可達60多萬元,一年即可全部收回成本。

 

   

 
 
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