中压变频器的技术特性及运用

第26卷第2期2008年4月

天　然　气　与　石　油Na tura l Ga s And O il

Vol .26,No .2Ap r .2008

收稿日期:2007208206

作者简介:何丽梅(19692)女,四川成都人,高级工程师,学士,主要从事电气设计工作。电话:(028))86014455。

中压变频器的技术特性及运用

何丽梅,杨　焜

(中国石油工程设计有限公司西南分公司,四川成都610017)

摘　要:中压变频器没有形成类似低压变频器那样统一的拓扑结构,国外制造商提供的中

压变频器均有其各自的技术特点和适用范围。根据国内交流兆瓦级变频驱动系统在工程中的

运用情况,结合制造商提供的先进技术方案,对变频器的结构和技术参数进行比较分析,以图示说明重要概念和技术指标,对不同形式的中压变频器适用情况进行总结,有利于这一先进节能技术的推广和运用。

关键词:中压变频器;多电平;输入功率因数;输出谐波;脉宽调制文章编号:100625539(2008)022******* 文献标识码:B

随着电力电子器件(如I G BT 绝缘栅双极晶体管、I GCT 门极晶闸管、I ECT 注入增强型门极晶体管

等)性能的提高和门类的发展,中压变频器作为兆瓦级电动机的传动方案实现无级调速,满足工艺过程的速度控制要求,大幅度地节约能源、降低成本。近年来,各种中压变频器不断出现,到目前为止尚未形成类似低压变频器结构那样的统一模式,甚至各制造商提供的同一类型变频器都存在细节上的差异,国际上也没有相关的统一制造标准。针对目前制造商提供的拓扑方案和技术指标,笔者根据实际工程中接触到的案例,对较为常用的几种中压变频器及其派生方案进行分析总结,旨在进一步加强对中压变频器的理解和技术推广。

按照目前功率元件的制造水准,中压变频器电

压等级在2300～7200V 之间(相对与供电网络电压只能称之为中压),评价其性能的主要指标有成本、可靠性、网侧谐波污染、输入功率因数、输出谐波、共模电压、系统效率、四象限运行等

[1]

。根据整

的偏差大,再加上管端壁厚的偏差,因此,当管件和与钢管组对时,二者端部连接的对口必然会有对不齐而出现错边的情况存在,所以二者组焊时,对口错边量的存在是必然的,不可避免的,对口错边量的控制,既不体现在管件标准中,也不体现在钢管标准中,但二者又相互关联,因此钢管标准和管件标准都应在制定管端几何尺寸偏差时,考虑与之对接的管件/钢管的偏差,使之在对接时的对口错边量在强度安全的范围内,并且在工艺管道系统设计采用的施工安装标准中加以规定,因此作为工艺管道系统设计的设计人员应认真思考和采用标准,在设计文件中对对口错边量予以规定,以保证管道系统的安全可靠性。

参考文献:

[1]　G B /T 12459-2005,钢制对焊无缝管件[S].[2]　G B /T 13401-92,钢板制对焊管件[S].[3]　SH 3408-96,钢制对焊无缝管件[S].[4]　SH 3409-96,钢板制对焊管件[S].[5]　SY/T 0510-1998,钢制对焊管件[S].[6]　AS ME B16.9-2001,工厂锻制对焊管件[S].[7]　MSS SP75-2004,优质锻造对焊管件技术规范[S].[8]　G B /T 9711.2-1999,石油天然气工业输送钢管交货

技术条件第2部份:B 级钢管[S].

[9]　G B 6479-2000,高压化肥设备用无缝钢管[S].[10]　AP I 5L -2004,管线钢管规范[S].

[11]　李之光,蒋智翔.锅炉受压元件强度标准分析[M ].

北京:技术标准出版社,1980,1.

流器和逆变器间的中间直流环节分为电压源型变频

器和电流源型变频器,按此分类本文就其结构方案、控制方式、技术特点、适用范围等进行分析。

1电压源型变频器(Voltage Source I n 2verter 简称VSI )

VSI 主要有二电平变频器、中性点钳位变频器(Netural Point Cla mped,简称NPC )、单元串联变频器(Cascaded H -bridge 简称CH I )以及NPC /H 混合型变频器。通常整流器采用12脉冲以上二极管整流电路降低网侧输入谐波电流;采用全控型器件时使得输入谐波含量低、功率因数可调,但制造成本增加,适用于四象限运行的设备,如轧机、卷扬机等。以下讨论内容均以二极管整流电路为基础,常用的整流变压器通过12脉冲整流电路移相消除5,7,17和19次谐波,而P WM 调制方式使用420Hz 的开关频率可消除11,13次谐波,输入电流接近正弦波。图1　二电平变频器结构图

1.1　二电平变频器

图1所示为二电平变频器的典型结构图,逆变端通过多个电子器件串联输出高电压,不同电压等级输出时串联数量有所不同,可进行N +1或N +2

的冗余配置,同一回路上的串联元件需同步关断

[2]

。功率器件采用开关元件、门极驱动、旁路开

关和缓冲单元集成形成模块化设计,但是元件间的静态、动态电压要求均匀分配,d u /d t 较高,输出电压含有较高的谐波分量。Convertea m 的VDM5000、ABB 的ACS1000/6000以及GE 的MV -SP 改进系列均属于此类,最大容量27MVA 。1.2　NPC 变频器

NPC 变频器也称三电平变频器,主要是为解决

输出电压较高时动态均压问题,将整流器的中性点

N 3

与NPC 逆变器的中性点相连,开关频率达到500Hz [3]

。其直流环节的电容器分为两组,中性点由钳

位二极管将逆变器的端电压定在零电位,由此输出

相电压电平为3(相电压)/5(线电压),每个电平幅值较二电平变频器低,直流母线电压降为二分之一,使得功率元件的耐压降低一半。在同样开关频率下输出波形质量有较大改善,d u /d t 下降[2]

。为减少输出谐波,变频器采取较高的开关频率,但受开关过程限制,变频器损耗增加,效率下降。随着中性点电压的波动,导致两个电容上的电压不均衡,因此必须采取特殊措施,导致复杂的P WM 设计方案。Sie 2mens 的SI M VERT 2MV 、GE 的Dura 2B ilt5MV 、T oshiba

的S650属于此类,最大容量18MVA 。

图2　三电平变频器结构图

1.3　CHB 变频器

CHB 变频器通过若干个低压功率单元串接直

接实现高电压输出,如图3所示,每个功率单元(如图4所示)与移相变压器相互隔离的二次绕组相连。功率单元数量取决于电压等级和成本,目前其最高电压是690V 。常用的CHB 变频器电压等级在

213～616k V 之间,见表1所示[2,4～5]

。

表1　CHB 变频器分类表

负载侧电压/k V

整流电路脉冲数

二次绕组

逆变电路

功率元件I G BT

数量

电平

2.31899367

3.3241212489

4.1630151560116.6

双18脉冲

18

187213

6.6k V 变频器常采用两个七电平CHB 结构串

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