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高壓變頻器的原理及其分類(lèi)
高壓變頻器的原理及其分類(lèi)
來(lái)源: 未知 發(fā)布日期:2018-02-03 09:16 點(diǎn)擊數(shù):未知
    襄陽(yáng)源創(chuàng)電氣小王告訴我們:隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展,高壓大功率變頻調(diào)速裝置不斷地成熟起來(lái),原來(lái)一直難于解決的高壓?jiǎn)栴},近年來(lái)通過(guò)器件串聯(lián)或單元串聯(lián)得到了很好的解決。其應(yīng)用的領(lǐng)域和范圍也越來(lái)越為廣范,這使得高效、合理地利用能源(尤其是電能)成為了可能。電機(jī)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)中主要的耗電大戶,高壓大功率的更為突出,而這些設(shè)備大部分都有節(jié)能的潛力。大力發(fā)展高壓大功率變頻調(diào)速技術(shù),,將是時(shí)代賦予我們的一項(xiàng)神圣使命,而這一使命也將具有深遠(yuǎn)的意義。
 
  2 高壓變頻器的分類(lèi)及其電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
 
  高壓變頻器的種類(lèi)繁多,其分類(lèi)方法也多種多樣。按著中間環(huán)節(jié)有無(wú)直流部分,可分為交交變頻器和交直交變頻器;按著直流部分的性質(zhì),可分為電流型和電壓型變頻器;按著有無(wú)中間低壓回路,可分為高高變頻器和高低高變頻器;按著輸出電平數(shù),可分為兩電平、三電平、五電平及多電平變頻器;按著電壓等級(jí)和用途,可分為通用變頻器和高壓變頻器;按著嵌位方式,可分為二極管嵌位型和電容嵌位型變頻器等等。
 
  2.1電流型變頻器
 
  由于在變頻器的直流環(huán)節(jié)采用了電感元件而得名,其優(yōu)點(diǎn)是具有四象限運(yùn)行能力,能很方便地實(shí)現(xiàn)電機(jī)的制動(dòng)功能。缺點(diǎn)是需要對(duì)逆變橋進(jìn)行強(qiáng)迫換流,裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜,調(diào)整較為困難。另外,由于電網(wǎng)側(cè)采用可控硅移相整流,故輸入電流諧波較大,容量大時(shí)對(duì)電網(wǎng)會(huì)有一定的影響。如圖1、3所示。
 
  2.2電壓型變頻器
 
  由于在變頻器的直流環(huán)節(jié)采用了電容元件而得名,其特點(diǎn)是不能進(jìn)行四象限運(yùn)行,當(dāng)負(fù)載電動(dòng)機(jī)需要制動(dòng)時(shí),需要另行安裝制動(dòng)電路。功率較大時(shí),輸出還需要增設(shè)正弦波濾波器。如圖2、4所示。
 
  2.3高低高變頻器
 
  采用升降壓的辦法,將低壓或通用變頻器應(yīng)用在中、高壓環(huán)境中而得名。原理是通過(guò)降壓變壓器,將電網(wǎng)電壓降到低壓變頻器額定或允許的電壓輸入范圍內(nèi),經(jīng)變頻器的變換形成頻率和幅度都可變的交流電,再經(jīng)過(guò)升壓變壓器變換成電機(jī)所需要的電壓等級(jí)。
 
  這種方式,由于采用標(biāo)準(zhǔn)的低壓變頻器,配合降壓,升壓變壓器,故可以任意匹配電網(wǎng)及電動(dòng)機(jī)的電壓等級(jí),容量小的時(shí)侯(<500kw)改造成本較直接高壓變頻器低。缺點(diǎn)是升降壓變壓器體積大,比較笨重,頻率范圍易受變壓器的影響。
 
  一般高低高變頻器可分為電流型和電壓型兩種。
 
  2.3.1高低高電流型變頻器
 
  電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示,在低壓變頻器的直流環(huán)節(jié)由于采用了電感元件而得名。輸入側(cè)采用可控硅移相控制整流,控制電動(dòng)機(jī)的電流,輸出側(cè)為強(qiáng)迫換流方式,控制電動(dòng)機(jī)的頻率和相位。能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的四象限運(yùn)行。
 
 
 
電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖
 
 
 
  圖1
 
 
 
  2.3.2高低高電壓型變頻器
 
 
 
  電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示,在低壓變頻器的直流環(huán)節(jié)由于采用了電容元件而得名。輸入側(cè)可采用可控硅移相控制整流,也可以采用二極管三相橋直接整流,電容的作用是濾波和儲(chǔ)能。逆變或變流電路可采用GTO ,IGBT,IGCT 或 SCR元件,通過(guò)SPWM變換,即可得到頻率和幅度都可變的交流電,再經(jīng)升壓變壓器變換成電機(jī)所需要的電壓等級(jí)。需要指出的是,在變流電路至升壓變壓器之間還需要置入正弦波濾波器(F),否則升壓變壓器會(huì)因輸入諧波或dv/dt過(guò)大而發(fā)熱,或破壞繞組的絕緣。該正弦波濾波器成本很高,一般相當(dāng)于低壓變頻器的1/3到1/2的價(jià)格。
 
 
 
高壓變頻器原理圖-高低高電壓型變頻器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖
 
 
 
圖2
 
 
 
  2.4高高變頻器
 
 
 
  高高變頻器無(wú)需升降壓變壓器,功率器件在電網(wǎng)與電動(dòng)機(jī)之間直接構(gòu)建變換器。由于功率器件耐壓?jiǎn)栴}難于解決,目前國(guó)際通用做法是采用器件串聯(lián)的辦法來(lái)提高電壓等級(jí),其缺點(diǎn)是需要解決器件均壓和緩沖難題,技術(shù)復(fù)雜,難度大。但這種變頻器由于沒(méi)有升降壓變壓器,故其效率較高低高方式的高,而且結(jié)構(gòu)比較緊湊。
 
 
 
  高高變頻器也可分為電流型和電壓型兩種。
 
 
 
  2.4.1高高電流型變頻器
 
 
 
  它采用GTO,SCR或IGCT元件串聯(lián)的辦法實(shí)現(xiàn)直接的高壓變頻,目前電壓可達(dá)10KV。由于直流環(huán)節(jié)使用了電感元件,其對(duì)電流不夠敏感,因此不容易發(fā)生過(guò)流故障,逆變器工作也很可靠,保護(hù)性能良好。其輸入側(cè)采用可控硅相控整流,輸入電流諧波較大。變頻裝置容量大時(shí)要考慮對(duì)電網(wǎng)的污染和對(duì)通信電子設(shè)備的干擾問(wèn)題。均壓和緩沖電路,技術(shù)復(fù)雜,成本高。由于器件較多,裝置體積大,調(diào)整和維修都比較困難。逆變橋采用強(qiáng)迫換流,發(fā)熱量也比較大,需要解決器件的散熱問(wèn)題。其優(yōu)點(diǎn)在于具有四象限運(yùn)行能力,可以制動(dòng)。
 
 
 
  需要特別說(shuō)明的是,該類(lèi)變頻器由于較低的輸入功率因數(shù)和較高的輸入輸出諧波,故需要在其輸入輸出側(cè)安裝高壓自愈電容。
 
 
 
  其電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。
 
 
 
其電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖
 
 
 
  圖3
 
 
 
  2.4.2高高電壓型變頻器
 
 
 
  如圖4所示,電路結(jié)構(gòu)采用IGBT 直接串聯(lián)技術(shù),也叫直接器件串聯(lián)型高壓變頻器。其在直流環(huán)節(jié)使用高壓電容進(jìn)行濾波和儲(chǔ)能,輸出電壓可達(dá)6KV,其優(yōu)點(diǎn)是可以采用較低耐壓的功率器件,串聯(lián)橋臂上的所有IGBT作用相同,能夠?qū)崿F(xiàn)互為備用,或者進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)。缺點(diǎn)是電平數(shù)較低,僅為兩電平,輸出電壓dV/dt也較大,需要采用特種電動(dòng)機(jī)或整加高壓正弦波濾波器,其成本會(huì)增加許多。它不具有四象限運(yùn)行功能,制動(dòng)時(shí)需另行安裝制動(dòng)單元。
 
 
 
  這種變頻器同樣需要解決器件的均壓?jiǎn)栴},一般需特殊設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路和緩沖電路。對(duì)于IGBT驅(qū)動(dòng)電路的延時(shí)也有極其苛刻的要求。一旦IGBT的開(kāi)通、關(guān)閉的時(shí)間不一致,或者上升、下降沿的斜率相差太懸殊,均會(huì)造成功率器件的損壞。
 
 
 
高壓變頻器原理圖-高高電壓型變頻器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖
 
 
 
  圖4
 
 
 
  2.5嵌位型變頻器
 
 
 
  鉗位型變頻器一般可分為二極管鉗位型和電容鉗位型。
 
 
 
  2.5.1二極管嵌位型變頻器
 
 
 
  電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示,它既可以實(shí)現(xiàn)二極管中點(diǎn)嵌位,也可以實(shí)現(xiàn)三電平或更多電平的輸出,其技術(shù)難度較直接器件串聯(lián)型變頻器低。由于直流環(huán)節(jié)采用了電容元件,因此它仍屬于電壓型變頻器。這種變頻器需要設(shè)置輸入變壓器,它的作用是隔離與星角變換,能夠?qū)崿F(xiàn)12脈沖整流,并提供中間嵌位零電平。通過(guò)輔助二極管將IGBT等功率器件強(qiáng)行嵌位于中間零電平上,從而使IGBT兩端不會(huì)因過(guò)壓而燒毀,又實(shí)現(xiàn)了多電平的輸出。
 
 
 
  這種變頻器結(jié)構(gòu),輸出可以不安裝正弦波濾波器。
 
 
 
高壓變頻器原理圖-二極管嵌位型變頻器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖
 
 
 
  圖5
 
 
 
  2.5.2電容嵌位型變頻器
 
 
 
  電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖6所示,它采用同橋臂增設(shè)懸浮電容的辦法實(shí)現(xiàn)了功率器件的嵌位,目前這種變頻器應(yīng)用的比較少。
 
 
 
高壓變頻器原理圖-電容嵌位型變頻器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖
 
 
 
  圖6
 
 
 
  2.6單元串聯(lián)型變頻器
 
 
 
  這是近幾年才發(fā)展起來(lái)的一種電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),它主要由輸入變壓器、功率單元和控制單元三大部分組成。采用模塊化設(shè)計(jì),由于采用功率單元相互串聯(lián)的辦法解決了高壓的難題而得名,可直接驅(qū)動(dòng)交流電動(dòng)機(jī),無(wú)需輸出變壓器,更不需要任何形式的濾波器。
 
 
 
  如圖7所示,以6單元串聯(lián)為例。整套變頻器共有18個(gè)功率單元,每相由6臺(tái)功率單元相串聯(lián),并組成Y形連接,直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)。每臺(tái)功率單元電路、結(jié)構(gòu)完全相同,可以互換,也可以互為備用。
 
 
 
  變頻器的輸入部分是一臺(tái)移相變壓器,原邊Y形連接,副邊采用沿邊三角形連接,共18副三相繞組,分別為每臺(tái)功率單元供電。它們被平均分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三大部分,每部分具有6副三相小繞組,之間均勻相位移10度。
 
 
 
  該變頻器的特點(diǎn)如下:
 
 
 
  ①  采用多重化PWM方式控制,輸出電壓波形接近正弦波。
 
 
 
 、  整流電路的多重化,脈沖數(shù)多達(dá)36,功率因數(shù)高,輸入諧波小。
 
 
 
  ③  模塊化設(shè)計(jì),結(jié)構(gòu)緊湊,維護(hù)方便,增強(qiáng)了產(chǎn)品的互換性。
 
 
 
 、  直接高壓輸出,無(wú)需輸出變壓器。
 
 
 
  ⑤  極低的dv/dt輸出,無(wú)需任何形式的濾波器。
 
 
 
  ⑥  采用光纖通訊技術(shù),提高了產(chǎn)品的抗干擾能力和可靠性。
 
 
 
 、  功率單元自動(dòng)旁通電路,能夠?qū)崿F(xiàn)故障不停機(jī)功能。
 
 
 
  3 高壓變頻器的主要應(yīng)用領(lǐng)域
 
 
 
  高壓大功率變頻調(diào)速裝置被廣泛地應(yīng)用于石油化工、市政供水、冶金鋼鐵、電力能源等行業(yè)的各種風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)、軋鋼機(jī)等。
 
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