高压变频器主电路图分析及其应用

由于采用了上述三项核心关键技术，使IGBT直接高 压变频器的效率达到98%以上。输出电压正弦化、共模电压最小化。适用于任何异步电机、同步电机，无需降容使用，几km的长线传输也无问题。对于传输距离 太长时应考虑线路电压补偿。如提高电压或增大导线截面等。
4 系统特点：
(1)电压等级为3kV-10kV;
机组25Hz运行和无变频器运行相比可节省功率ΔP2=214kW-P25=132kW;
年节电量:ΔW= (H1ΔP1+H2ΔP2)=365(7.5×80+16.5×132)=1013970kWh;
由流体力学：：Q′=Q(n′/n) 、H′=H(n′/n)2 、P′=P(n′/n)3 可知: 当泵机低于额定转速时节电为：E=〔1-(n′/n)3〕×P×T(kWh)
可见，通过变频改造，冲渣泵流量Q、压力H及轴功率P都将发生较大的改 变，不但节能而且大大提高了设备运行性能。根据冲渣泵的实际特性对其进行了具体改造，冲渣泵在冲渣时工作在49.5Hz，在不冲渣时工作在25Hz，考虑 到工艺对调速精度要求不是很高，本系统只采用开环控制并在高炉值班室操作，需冲渣时给调节系统一个“1”的信号，电机高速运行，不需冲渣时将此信号取消，电机低速运行，取得了很好的节能效果。
IGBT直接串联高压变频器在 炼铁厂冲渣泵上的应用
5.1 应用概况
永峰钢厂是莱钢集团公司的一个主要生产厂，负责公司所需铁水和铁块冶炼。高炉冶炼铁水过程中产生大量的熔渣，通常是用大流量的中压水将其降温并 冲散，同时输送到水渣池回收，作为炼铁生产的副产品。高炉生产是不间断的，一般情况下每天出铁15次，在高炉出铁前、后各放一次渣，两次出渣时间约 30min，在此时间内要求水冲渣系统的水泵满负荷工作，其余时间水泵只需保持约30%水流量防止管道堵塞即可。4#-高炉使用ZGB-300型冲渣泵，原系统运行时，起动前管道进出水阀门关闭，起动后阀门开度约90%，机组全速运行，电网电压6300V，电机运行电流33A，功率因数81.6%，耗电功率294kW。不需冲渣水时通过调节阀门在30%来调节水流量(此时电机电流25A)，耗电功率214kW，一方面导致大量的节能损失，另一方面频繁操作阀门，致使其使用寿命大大降低，增加了停产更换阀门的时间，为此公司决定对4#高炉冲渣泵进行改造。
(1)高速功率器件的串联技术
根据查新，世界 各国均未生产出IGBT直接串联的高压变频器。原因正如一些权威人士所言:“IGBT是不能串联的。因为开关时间短，微秒级，很难保证所有管子串联同时开关。否则有的早开，所有的电压都来加在晚开的管子上，那么这个1200V的管子加上6000V，只能烧掉，一烧一串，不可能串联。”
(13)采用独特的抗共模电压技术，使系统*模电压 ≤1000V，无需再提高电动机的绝缘等级，无需专用电机;
(14)易于实现能量回馈和四象限运行;并可直接引出直流 进行直流输电;
(15)对用户的高压异步电动机无任何特殊要求。不但适用于新旧异步电动机，也适用于同步电动机。
5.应用实例
(10)具备全面的故障监测、可靠的故障报警保护功能;
(11)输入功率因数高，输出电压谐波 含量小，无需功率因数补偿和谐波抑制器;
(12)输出电压为标准正弦波形，对电缆和电动机的绝缘无损害，减轻电动机的轴承和叶片 等机械部分震动和磨损，延长电动机的使用寿命，输出至电动机的线缆长度可达20km;
如果需要四象限运行，以及需要能量回馈的场合，或输入电源侧短路容量较小时，也可采用的PWM整流电路，使输入 电流也真正实现完美正弦波。
图3.具备能量回馈和四象限运行的IGBT直接串联高压变频器主电路图
3.2 IGBT直接串联高压变频器25Hz、30Hz、40Hz、50Hz电压、电流输出波形及谐波图：
功率器件IGBT直接串联的二电平电压型 高压变频器是采用变频器已有的成熟技术，应用独特而简单的控制技术成功设计出的一种无输入输出变压器、IGBT直接串联逆变、输出效率达98%的高压调速系统。对于需要快速制动的场合，采用直流放电制动装置，：
图2.具有直流放电制动装置的IGBT直接串联高压变频器主电路图
(3)各种指示功能完备。具有输入、输出电流和电压、运行频率、故障显示、运行状态指示等功能。
(4)操作简便。同普通的低压变
机组49.5Hz运行和无变频器运行相比可节省功率ΔP1=P50-P49.5=80kW;
(3) 抗共模电压技术
仅解决IGBT的串联，并不能甩掉输入变压器。原因在于共模电压的存在。在低压变频器领域，近年来发现的电机轴承损坏，共模电压就是影响之一，在高压变频器的领域中，共模电压更是必须解决的关键问题之一。共模电压(也叫零序电压)，是指电动机定子绕组的中心点和地之间的电压。
共模电压也是对外产生干扰的原因，特别是长线传输设备。无论是电流源还是电压源变频器产生共模电压是必然的。技术人员根据共模电压产生的机理，采取了“堵和疏”的办法将共模电压消灭在变频器内部。
(2)系统自带专门设计的高压开关柜，与本身高压变频器高效安全配套，并含变/工频切换装 置和电子式真空断路器;
(3)全中文操作界面，基于 Windows操作平台，彩色液晶触摸屏，便于就地监控、设定参数、选择功能和调试;
(3)内置PLC可编程控制器，易于改变和扩展控制逻辑关系;
(4)高压主电路与低压控制电路采 用光纤传输，安全隔离，使得系统抗干扰能力强;
b)所需高压电缆太多，系统的内阻无形中增大，接线太多，故障点相应的增多;
c)一个单元损坏时，单元可旁路，但此时输出电压不平衡中心点的电压是浮动的，造成电压、电流不平衡，从而谐波也相应的增大，勉强运行时终 究会导致电动机的损坏;
d)输出电压波 形在额定负载时尚好，低于25Hz以下畸变突出;
电流源型高压变频器是最早的产品，但凡是电压型变频器到达的地方，它都被迫退出，因为在经济上、技术上，它都明显处于劣势。
3.IGBT直接串联的直接高压变频器
3.1 主电路简介
图1.IGBT直接串联高压变频
，图中系统由电网高压直接经高压断路器进入变频器，经过高压二极管全桥整流、直流平波电抗器和电容滤波，再通过 逆变器进行逆变，加上正弦波滤波器，简单易行地实现高压变频输出，直接供给高压电动机。
多电平+多重化高压变频器。多电平+多重化高压变频器的本意是想解决高压IGBT的耐压有限的问题，但此种方式，不仅增加了系统的复杂性，而且降低了多重化冗余性能好和三电平结构简单的优点。因此此类变频器实际上并不可取。
此类型变频器的性能价格优势并不大，与其同时采用多电平和多重化两种技术，还不如采用前面提到的高压IGBT的多重化变频器或者三电平变频器。
5.2 改造方案
由电机转速公式n=60f×(1-s)/p可知:只要改变电机的频率f，就可以实现电机的转速调节，高电压大功率变频器通过控制IGBT(绝缘栅双极型电力场效应管)的导通和关断，使输出频率连续可调。而且是随着频率的变化，输出电流、电压、功率都将发生变化，即负荷大时转速大， 输出功率大，负荷小时转速小，输出功率也小。
(3)电流源型高压变频器
功率器件直接串联的电流源型高压变频器是在线路中串联大电感，再将SCR(或GTO、 SGCT等)开关速度较慢的功率器件直接串联而构成的。
这种方式虽然使用功率器件少、易于控制电流，但是没有真正解决高压功率器 件的串联问题。因为即使功率器件出现故障，由于大电感的限流作用，di/dt受到限制，功率器件虽不易损坏，但带来的问题是对电网污染严重、功率因数低。并且电流源型高压变频器对电网电压及电机负载的变化敏感，无法做成真正的通用型产品。
5.3 改造后的系统实际运行状况
根据18个月的运行，经过反复多种测试各运行参数一直正常，变频器质量性能良好，安全可靠，各项指标均达到了设计要求.
(1)谐波抑制效果良好。电压谐波含量小于3%，符合 IEEE519-1992和GB/T14549-93标准。
(2)各种保护功能完善。过流、过压、欠压、故障保 护等功能可靠，并且考虑了外部电网的防雷击等多环节保护功能。
(5)控制电路通讯方式采用全数字化通讯;
(6)系统的 整流单元、逆变单元设计，选用组合模块化积木结构，整机占地面积小、重量轻，便于安装、维护;
(7)装置可在本机上操作，也可实 现远距离外控，具备完善、方便的操作功能选择;
(8)系统具有标准的计算机通讯接口RS232或 RS422、RS485，可方便 的与用户DCS系统或工控系统组态建立整个系统的工作站，进一步提高系统的自动化控制程度，实现整个工控系统的全闭环监控，从而获得更加完善的、可靠自动化运行;
高压变频器主电路图分析及其应用
目前，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。其应用领域和范围也越来越为广范，这为工矿企业高效、合理地利用能源(尤其是电能)提供了技术先决条件。
2.几种常用高压变频器的主电路分析
(2) 正弦波技术
高压电机对变频器的输出电压波形有严格的要求，是业内人士都知道的常识。解决变频器输出电压波形，从两方面着手:一是优化 PWM波形;二是研制出特种滤波器。
过去一些人认为:“三电平的电压波形一定优于二电平，今后就是低压变 频器也应采用三电平。”，这种说法可能不太全面。三电平的总谐波含量可能低于二电平，但由于三电平的11次、13次谐波含量特别高，处理起来特别困难，而二电平只要波形优化得好，60次以下的谐波皆可大大降低。而对60次以上的谐波滤波自然容易得多。人们使用三电平是为避免器件串联的困难，不得已而为之。