高压变频器

nullnull高、低压变频器高级技术讲座暨交流会 2008年08月17日张时东null张时东简介： 工作简历： 1986～2001年于部队从事自动化控制及电力拖动； 2001～2008年于从事自动化控制及电力拖动。 职称：注册自动化工程师 电气高级工程师 现在工作： 研究多种行业的工业自动化控制流程以及变频器在多种工 况中的应用； 研究国内外高压变频器的原理及其应用现状。高压变频器 · 目 录高压变频器 · 目 录概述 一. 高压变频器的原理 二. 高压变频器的元器件 三. 高压变频器的主要指标和技术参数 四. 高压变频器的选择 五. 高压变频器的安装与维护概 述概 述对能源的有效利用在我国已经非常迫切。作为能源消耗大户之一的电机在节能方面是大有潜力可挖的。我国电机的总装机容量已达4亿千瓦，年耗电量达6000亿千瓦时，约占工业耗电量的80%。我国在用电机拖动系统的总体装备水平仅相当于发达国家60年代水平。概 述概 述工业生产中大量应用的风机、泵类等需要进行流量调节控制的电力拖动系统中保留交流电动机的恒速拖动，大多采用挡板和阀门来调节风速、流量、压力等。这种方法不但增加了系统的复杂性，也造成了能源大量浪费。因此，人们一直希望能够采用交流电动机调速系统来取代直流电动机调速系统，并进行了大量的研究开发工作。概 述 随着电力电子技术的飞速发展，变频技术已成为当今调速节能和优化设备运行的重要手段。 目前，低压变频调速技术已经非常成熟，其统一的原理结构和极为方便的拓展性在全球得到了极为广泛的应用。 概 述概 述概 述但是在高压变频调速技术方面，由于组成高压变频器的逆变功率器件耐压能力所限，而且器件耐压能力还将在相当长的时间内不能满足高压变频的需要，这就造成了现在的高压变频器不象低压变频器那样具有成熟的、一致性的拓扑结构。而如何解决功率器件的耐压问题已成为世界性的难题，所以人们都另辟蹊径来回避这一难题，从而产生了当前各式各样的拓扑结构。1. 高压变频器的电压范围1. 高压变频器的电压范围 按照电动机的国际和国家，1kV～10kV的电压等级，统称为中压，高于35kV电压等级才为高压； 而由于变频调速的迅猛发展，变频的电压等级的不断推出，中国又根据变频自身的原理特征，人们相应地把变频按照电压等级分为了现在习惯性的称谓。高压变频器的电压范围高压变频器的电压范围低压变频器：AC220V、380V、660V、690V、800V； 中压变频器：AC1000V、1140V、1250V、1700V、2300V； 高压变频器：AC3(3.3)kV、4.16kV、6(6.3)kV、10(13.8)kV。 但在国外的变频产品中，仍然是将1kV～10kV的电压等级，统称为中压变频器。2. 高压变频器的发展2. 高压变频器的发展 高压电动机的应用极为广泛，它是大型工矿企业中的主要动力设备。而利用高压变频器可以实现无级调速，满足生产工艺过程对电机调速控制的要求，以提高产品的产量和质量，又可大幅度节约能源，降低生产成本。 由于电压高、功率大、技术复杂、元器件耐压等因素，起初是用高－低－高的方式。后来使用SCR交－交方式的变频诞生后，人们逐步开始研究直接高－高的方式，随着元器件的发展，逐步形成了今天以IGBT、IGCT、SGCT组成的“交－直－交”方式为主流的高压变频器。高压变频器的发展高压变频器的发展高－低－高的变频方式； 交－交高压变频方式 交－直－交高压变频方式高压变频器的发展 高－低－高方式高压变频器的发展 高－低－高方式高－低－高的方式： 由变压器将高电压降为AC380V，使用成熟的AC380V的低压变频器调节频率，再用升压变压器升回高压电动机使用的电压；这样整体的体积大、效率低，并且对升压变压器的要求很高，发热十分严重 ； 适用于小容量的高压电动机的简单调速。 高压变频器的发展 高－低－高方式高压变频器的发展 高－低－高方式高－低－高方式 组成： 1）AC3～10kV/AC380V普通电力变压器； 2）AC380V变频器； 3） AC380V/AC3～10kV特制升压变压器；高压变频器的发展 交－交方式高压变频器的发展 交－交方式交－交方式： 在1980年，东芝给日本大同特钢星崎钢厂制造了第一台用于1800kW/6kV轧机异步电动机的交－交方式变频； 在1985年，我国鞍钢、包钢、宝钢等相继引进西门子的轧机同步电动机交－交方式变频； 高压变频器的发展 交－交方式高压变频器的发展 交－交方式 1993年冶金自动化研究院开发研制出2500kW/6kV的同步电动机的交－交方式矢量控制变频，成功的用于包钢轨梁厂850轧机主传动上 ； 1995年天津电气传动研究所为天津无缝钢管厂开发研制出数字式2500kW/6kV的异步电动机的交－交方式变频；高压变频器的发展 交－交方式高压变频器的发展 交－交方式 交－交变频器是指无直流中间环节、直接将电网频率（ƒi）的电压变换为频率（ƒO）比电网频率低而且可变的输出电压的变换器。其特点为： 1）因为是直接变换，故比一般的变频器有更高的效率； 2）由于其交流输出电压是直接由交流输入电压波的某些部分包络所构成，因而其输出频率比输入交流电源的频率低得多，输出波形较好，最高输出频率仅为电网的1/3左右； 3）变频器按电网电压过零自然换相，可采用普通晶闸管； 4）因电路构成方式的特点，所用晶闸管元件数量较多； 5）功率因数较低，特别在低速运行时更低，需要补偿； 6）谐波分量大，对电源污染严重。 高压变频器的发展 交－交方式高压变频器的发展 交－交方式使用 GTO的交－交方式： 20世纪80年代中期GTO得到了迅猛的发展。使得以GTO为主电器元件的交－交变频器很快在电力机车、轧钢机、等低速、大容量领域中获得了广泛的应用。 高压变频器的发展 交－交方式高压变频器的发展 交－交方式交－交方式高压变频器的种类： 1）按照运行方式分类： 无环流运行方式； 自然环流运行方式； 局部环流运行方式。 高压变频器的发展 交－交方式高压变频器的发展 交－交方式交－交方式高压变频器的种类： 2）按照主电路型式分类： 3脉波零式电路； 6脉波分离负载桥式电路； 6脉波非分离负载桥式电路； 12脉波桥式电路； 3脉波带中点三角形负载电路； 3脉波环形电路。高压变频器的发展 交－交方式高压变频器的发展 交－交方式交－交方式高压变频器的种类： 3）新式交－交矩阵变换器 矩阵变换器的概念最初于20世纪70年代末提出，20世纪80年代初得到改进。 具有较强的可控性，输出频率不受输入频率的限制；可得到较理想的正弦输入电流和正弦输出电压，波形失真度小；输入功率因数为1，且功率因数与负载无关；易于实现能量双向传递； 同时由于没有大的储能元件，相对于传统的交流变换器，体积大为减少。高压变频器的发展 交－交方式高压变频器的发展 交－交方式交－交变频器由于需要无功补偿和滤波装置，所以使总的造价有所提高，占地面积增大，受到了后发展起来的由全控器件组成的交－直－交PWM型高压变频器的冲击，其也就逐渐被交－直－交PWM型高压变频器替代。 高压变频器的发展 交－直－交方式高压变频器的发展 交－直－交方式交-直-交的方式： 由于主电路功率元件GTO、 IGBT、IGCT迅猛的发展，交－直－交方式的高压变频器，在技术上、性能上、价格上、效率上、功率因数上、体积上等等，都大大体现出了更为优越的性能。 交-直-交方式也就成为21世纪以来的高压变频器的主要原理。而由于功率器件的耐压制作有限，又形成多种形式的交－直－交方式。 高压变频器的发展 交－直－交方式高压变频器的发展 交－直－交方式交－直－交方式高压变频器目前使用的种类： 1）电流源型交－直－交的方式； 2）中性点钳位三电平PWM交－直－交的方式； 3） IGBT直接串联交－直－交的方式； 4）单元串联式多重化交－直－交的方式。一. 高压变频器的原理一. 高压变频器的原理 从目前在世界和国内使用的情况来看，主要有以下四种拓扑结构的高压变频器： 电流源型高压变频器 中性点钳位三电平PWM高压变频器 IGBT直接串联的高压变频器 单元串联多重化电压源型高压变频器null电流源型高压变频器1. 电流源型高压变频器1. 电流源型高压变频器电流源型高压变频器是在线路中采用大电感作为中间直流滤波环节，再将GTO(或更早的SCR 、现在的SGCT等)开关速度较慢、开关频率较低的功率器件直接串联而构成的。 输出电压：输出AC6000V（遇到AC10kV电动机时，改变电动机的Y-△接法实现） 主要使用功率元器件： GTO或SGCT电流源型高压变频器电流源型高压变频器优点： 1）GTO目前的最高电压为8000V左右，使用功率器件少； 2）由于存在着大的平波电抗器和快速电流调节器，所以过电流保护比较容易。 3）易于控制电流；当逆变侧出现短路等故障时，由于电抗器存在，电流不会突变，而电流调节器则会迅速响应，使整流电路晶闸管的触发角迅速后移，电流能控制在安全范围内。 4）为了对接地短路也实现保护，通常把滤波电抗器分为两半，上下直流母线各串一半。 5）能量可以回馈电网，系统可以四象限运行。虽然直流环节电流的方向不能改变，但整流电压可以反向(当整流电路工作在有源逆变状态时)，能量可以回馈到电网。电流源型高压变频器电流源型高压变频器缺点： 1）输入电流的谐波成份较大，有的还必须加输入滤波装置。但带来的问题是对电网污染严重 2）输入功率因数低。且会随着转速的下降而降低，通常要附加功率因数补偿装置。 3）会产生较大的共模电压，当没有输入变压器时，共模电压会施加到电机定子绕组中心点和地之间，影响电机绝缘。 4）输出电流谐波较高，会引起电机的额外发热和转矩脉动，必要时也可采取输出12脉冲方式或设置输出滤波器，当然系统的复杂性和成本也会增加。 5）由于均压电路等固定损耗较大，以及输入功率因数较低，导致无功电流较大等原因，系统效率会随着负载的降低而降低。 电流源型高压变频器电流源型高压变频器电流源型高压变频器 电流源型高压变频器对电网电压及电机负载的变化敏感，是最早的产品，由于在技术特点上明显的劣势，目前已基本上被电压源型高压变频器所替代。null中性点钳位三电平PWM高压变频器2. 中性点钳位三电平PWM高压变频器2. 中性点钳位三电平PWM高压变频器整流部分采用12脉波二极管整流器，逆变部分采用中心点钳位三电平PWM逆变器。 输出电压：使用IGBT时，输出AC4160V； 使用IGCT时，输出AC6900V 主要使用功率元器件： 1700V或3300V的HV-IGBT； 1700V或4500V的IGCT中性点钳位三电平PWM高压变频器中性点钳位三电平PWM高压变频器优点： 1）变频器采用传统的电压型变频器结构，通过使用高耐压的IGBT（或IGCT）功率器件，使得器件总数减少为12个（仅限于4.16kV）； 2）避免了器件串联引起的动态均压的问题； 3）降低了输出谐波和dv/dt； 4）更适合大容量、高压的场合； 5）可以产生M层阶梯形输出电压，理论上提高电平数可接近纯正弦波形，谐波含量很小。 6）电磁干扰（EMI）问题大大减轻，因为开关元件一次动作的dv/dt通常只有传统双电平的1/(M－1)。 7）效率高。消除同样谐波，双电平采用PWM控制法开关频率高、损耗大，而多电平逆变器可用较低频率进行开关动作，开关频率低、损耗小、效率提高。中性点钳位三电平PWM高压变频器中性点钳位三电平PWM高压变频器缺点： 1. 逆变部分采用传统的三电平方式，所以输出波形中会不可避免地产生比较大的谐波分量，尤其是11次、13次谐波含量达到20%以上，因此在变频器的输出侧必须配置输出LC滤波器才能用于普通的鼠笼型电机。时常需要特殊的电动机。 2. 同样由于谐波的原因，电动机的功率因数和效率、甚至寿命都会受到一定的影响，只有在额定工况点才能达到最佳的工作状态，但随着转速的下降，功率因数和效率都会相应降低； 3. 由于目前三电平高压变频器最高输出线电压只能达到4.16kV，对于6kV高压电机，必须采用了Ｙ/△改接的办法才能满足要求，但出现故障时由于电机的电压与电网的电压不一致，无法实现旁路功能； 4. 难以实现冗余设计； 5. 这种变频器的结构虽然较为简单，但二极管数量增多、线路增多。由于每个二极管的钳位和开关性能不一致，造成中性点钳位的电压浮动，不稳定，易产生直流磁环。nullIGBT直接串联的高压变频器3. IGBT直接串联的高压变频器3. IGBT直接串联的高压变频器直接高压进、高压出，整流部分采用6脉波二极管整流器，逆变部分采用HV-IGBT直接串联二电平PWM逆变器。 输出电压：输出AC3000V、6000V、10000V 主要使用功率元器件： 1700V的HV-IGBT；IGBT直接串联的高压变频器IGBT直接串联的高压变频器优点： 1）没有输入、输出变压器，体积小，重量轻，安装方便； 2）输入功率因数高，输出效率高； 3）结构类似低压变频器，主电路原理简单； 4）利用专利技术解决了IGBT串联中的动态均压、均流、同步开关断的问题，使得逆变不受IGBT自身耐压有限的影响； 5）可以比较方便的实现四象限能量回馈； 6）可带动的负载范围宽。IGBT直接串联的高压变频器IGBT直接串联的高压变频器缺点： 1）没有输入隔离变压器，输入电流谐波较高； 2）输入、直流、输出共三个电抗器，使得满负荷运行时，输出要达到额定电压需要另外考虑措施； 3）输入、直流、输出共三个电抗器，使得整体效率还是受到一定的影响； 4）输出产生的共模电压抑制的程度直接影响电动机； 5）噪音较大；单元串联多重化高压变频器单元串联多重化高压变频器6kV拓扑结构图null单元串联多重化高压变频器五单元串联电气框图单元串联多重化高压变频器单元串联多重化高压变频器功率单元结构图 4. 单元串联多重化高压变频器4. 单元串联多重化高压变频器是利用低压单相变频器串联，来弥补功率器件IGBT的耐压能力的不足。 多重化，就是每相由多个低压PWM变频功率单元串联叠加的方式实现直接的高压输出，各功率单元由一个多绕组的移相隔离变压器供电。 输出电压：输出AC2300V、3300V、4160V、6000V、10000V 主要使用功率元器件： 1700V的HV-IGBT，或3300V的HV-IGBT ；单元串联多重化高压变频器单元串联多重化高压变频器优点： 1）输出波形很接近正弦波，谐波含量小，有“完美无谐波”、“绿色变频器”的称谓； 2）不用考虑共模电压对电动机的影响； 3）利用低压变频的成熟技术，性能稳定，可靠性高； 4）无须再加装滤波器和功率因数补偿装置； 5）冗余设计时，单元旁路不停机、不降容； 6）功率因数和效率较高。单元串联多重化高压变频器单元串联多重化高压变频器缺点： 1. 由于系统中存在着脉冲移相变压器，所需电缆多，系统效率不易再提高，装置的体积大，重量大，安装位置和基建投资成题； 2. 移相变压器中，6kV三相6绕组×3（10kV时需12绕组×3）延边三角形接法，在三相电压不平衡（实际上三相电压是不可能绝对平衡的）时，产生的内部环流，引起内阻的增加和电流的损耗，也相应的就造成了变压器的铜损增大。此时，再加上变压器的铁芯的固有损耗，变压器的效率就会降低，从而也就影响了整个高压变频器的效率； 3. 10kV时，变压器有近400个接头、近百根电缆。在额定负荷时效率能达到96%，但在轻负荷时，效率甚至低于90%； 4. 线路接点多，功率单元及功率器件数量多，6kV系统要使用150只功率器件（90只二极管，60只IGBT），故障点相应的增多； 5. 实现能量回馈四象限运行或实现制动比较困难、复杂；高压变频器的原理比较高压变频器的原理比较二. 高压变频器的元器件二. 高压变频器的元器件变频器的发展，一直是随着电力电子器件的发展而发展。只要电力电子器件有了新的飞跃，变频器就一定有个新飞跃。 在20世纪50年代出现了硅晶闸管(SCR)； 60年代出现可关断晶闸管(GTO晶闸管)； 70年代出现了高功率晶体管(GTR)和功率场效应管(MOSFET)； 80年代相继出现了绝缘栅双极功率晶体管(IGBT)以及门控晶闸管(IGCT)和电力加强注入型绝缘栅极晶体管IEGT。 90年代出现智能功率模块(IPM)。 高压变频器的元器件高压变频器的元器件变频器对逆变器件理想的静态特性要求是： 1）在阻断状态时，能承受高电压； 2）在导通状态时，能大电流通过和低的导通压降，损耗小，发热量小； 3）在开关状态转换时，具有短的开、关时间，即开关频率高，而且能承受高的dv/dt； 4）全控功能，寿命长、结构紧凑、体积小； 5）成本低； 6）耐压高。 高压变频器的元器件高压变频器的元器件电力电子器件的发展上，目前国外还是处于领先地位。 我国电力电子技术发展缓慢的重要原因： 一是我国新型电力电子器件的开发、制造、基础技术、基础工业水平较国外落后； 二是我国电力电子器件的研究、新产品开发、技术水平、投资力度较国外差距大。 为了使我国电力电子器件的研究、开发水平能赶上世界先进水平，必须十分重视IGBT、IGCT、IEGT、IPM和ASPM(用户专用功率模块)等新型电力电子器件的研究和开发。 null高压变频器的元器件 第一节 超大功率晶闸管SCR和GTO 高压变频器的元器件 第一节 超大功率晶闸管SCR和GTO 主要用于交—交和电流源型高压变频器。 SCR自问世以来，其功率容量已提高了近3000倍。 日本现在已能稳定生产和的光触发晶闸管（LTT）。 美国和欧洲主要生产电触发晶闸管。 由于它的高电压、大电流特性，它在HVDC，静止无功补偿（SVC），大功率直流电源及超大功率和高压变频调速应用方面仍然占有十分重要的地位。预计在今后若干年内，晶闸管仍将在高电压，大电流应用场合得到继续发展。 1982年日本日立公司首先研制成功2500V、1000A的GTO。而现在，许多生产商可提供额定开关功率36MVA（6000V、6000A）用的高电压大电流GTO。 高压变频器的元器件 第一节 超大功率晶闸管SCR和GTO高压变频器的元器件 第一节 超大功率晶闸管SCR和GTO目前，GTO的最高研究水平为6英寸、6000V/6000A，个别已经达到9000V/10000A。 这种GTO采用了大直径、均匀结技术和全压接式结构，通过寿命控制技术折衷了普通GTO导通电压与关断损耗两者之间的矛盾。 由于GTO具有门极全控功能，它正在许多应用领域逐步取代SCR。 近期正在开发出10000A/12000V的GTO，并有可能解决30多个高压GTO串联的技术。高压变频器的元器件 第一节 超大功率晶闸管SCR和GTO高压变频器的元器件 第一节 超大功率晶闸管SCR和GTO高压变频器的元器件 第二节 逆阻断型GCT晶闸管 高压变频器的元器件 第二节 逆阻断型GCT晶闸管 主要用于电流源型和中性点钳位多电平高压变频器。 GCT(Gate Commutated Turn-off Thyristor)，它是一种高耐压大电流器件，具有很强的关断能力。开关速度比GTO高10倍，使得用GCT的电流型变频器的控制性能与电压型一样。 目前GCT的最高阻断电压6kV，工作电流为4kA。 其最突出的优点是可以取消浪涌电路。 这种新高压器件的开发，使高压电流型变频器可在AC6.6kV的电网上直接运行，扩大了高压变频器在电力系统的应用范围。 高压变频器的元器件 第二节 逆阻断型GCT晶闸管高压变频器的元器件 第二节 逆阻断型GCT晶闸管GCT是在GTO基础上开发的新型晶闸管，GCT和GTO相比，具有如下特点： 1）为抑制关断时产生的高(dv/dt)的浪涌保护电路可取消。 2）电荷蓄积时间减少为GTO的1/10，使得元器件的串并联十分容易。 3）阴极的蓄积电荷减少为GTO的一半，使关断电流大大减小。 4）GCT关断时，会从阴极向控制极转移电流，使GCT开始换流，关断过程使晶闸管特性瞬时转变成晶体管特性。亦即关断电流(IA)几乎等于控制电流(IG)。高压变频器的元器件 第二节 逆阻断型GCT晶闸管高压变频器的元器件 第二节 逆阻断型GCT晶闸管GCT的应用 GCT元件主要用于高压电流型变频器，图中为其主回路电路构成图，由图可见，GCT变频器的最大优点是无需浪涌电路，且总损耗比一般电压型GTO变频器减轻少25%，而开关时间只有GTO的1/10，使性能大大提高。 高压变频器的元器件 第三节 集成门极换流晶闸管IGCT 高压变频器的元器件 第三节 集成门极换流晶闸管IGCT 集成门极换流晶闸管IGCT(Integrated gate Commutated Thyristor)是在克服GTO的缺点发展起来的。 当GTO在变流器中成功应用时，人们发现它的关断能力要受等离子丝过程的限制。在关断期间，阴极导通面积从整个阴极蜕变到距离门极较远而且很小的面积范围内。 目前对称IGCT、非对称IGCT以及逆导IGCT均已面市。 IGCT产生于1996年，首先是大功率的4kA／4.5kV器件在能量控制管理领域开始其商业生命，进而发展出300A的小器件应用于在中型电压驱动领域，最后在21世纪将进入电力拖动领域。 IGCT的第一次应用是在1996年在德国的Bremen 100MW电网联结系统上作为硬驱动GTO使用。选择这些器件的初期是看中了他们的优越的关断能力和易于可靠地串联。但是他们仍具有和常规GTO相同功率损耗。 高压变频器的元器件 第三节 集成门极换流晶闸管IGCT高压变频器的元器件 第三节 集成门极换流晶闸管IGCTIGCT的优越性 1）低成本； IGCT是第一个把门极驱动单元和器件本身集成在一起的电力半导体器件，因此它完全可以被看成是一个电力开关，不需要去调整其过渡过程(开通和关断)。IGCT的门极只需要规范其门极电流额定值，在设计中只须考虑这一项，不必要考虑它的类型(逆导型、逆阻型还是非对称型)和主电压额定值(3.3kV、4.5kV、6kV)。管壳和内部配件也全部标准化。这样使得使用IGCT器件和其它器件相比花销更为低廉。 2）高可靠性 分别用IGBT、GTO、IGCT三种器件制成8MVA逆变器比较，经做热循环试验、故障保护试验、耐宇宙射线幅照试验和随机失效试验后发现，用IGCT做的逆变器失效率最低，工作的可靠性很好。 高压变频器的元器件 第三节 集成门极换流晶闸管IGCT高压变频器的元器件 第三节 集成门极换流晶闸管IGCT 3）高效率： 将IGCT及IGBT模块应用于一台1.14MVA的逆变器，并以(4500V/3120A)的IGCT作为基准，对两类器件的特性比较。IGBT具有较高的导通压降，致使其开通损耗较大，以致在开关频率500Hz下的总损耗要比IGCT高。 4）小体积； 目前人们认为，电力电子设备的功率密度，其世界冠军为27MW/M3。IGCT现有技术可在12ＭＷ级别到达这一水平。 5）高频率。 试验证明，IGCT能工作在25kHz的频率下，且保持600A、2500V的大功率容量。在频率和功率兼容方面，IGBT有明显的优势。 高压变频器的元器件 第四节 高压绝缘栅双极晶体管HV-IGBT 高压变频器的元器件 第四节 高压绝缘栅双极晶体管HV-IGBT 一直以来，IGBT(绝缘栅双极性晶体管)通过在低压变频器及实际中的广泛应用证明了它的可靠性。由于耐压低，一个障碍就是可获取功率输出的限制。 外围电路简单，体积小，损耗低，且控制方便。 HV-IGBT作为晶体管，它有从开到关的整个过程都能得到控制的良好特性。 在HV-IGBT中，通过主负载电路排泄电荷，所以就根本不需要吸收回路电路。 一个HV-IGBT仅需要大约5A的触发电流 。 开关速度最快。 高压变频器的元器件 第四节 高压绝缘栅双极晶体管HV-IGBT高压变频器的元器件 第四节 高压绝缘栅双极晶体管HV-IGBTHV-IGBT目前制造的耐压等级： 1700V、2500V、3300V、6500VIGBT与IGCT触发电流比较IGBT的电气图形符号 高压变频器的元器件 第五节 电子加强注入型绝缘栅极晶体管 IEGT高压变频器的元器件 第五节 电子加强注入型绝缘栅极晶体管 IEGTIEGT是英文Injection Enhanced Gate Transistor的缩写名称。 是电压驱动型带MOS栅极(Metal Oxide Semi-conductor)能控制大电流的电力电子新器件。 由于其栅极采用IE技术(IE:电子加强注入)，故能具有保持和IGBT相同的电压驱动优良特性，又使高压情况下通态电压大大降低。 IEGT元件由于利用了这种IE技术，加强了电子注入，且精密设计的特殊阴极结构，使通态电压30A时可降低1V。高压变频器的元器件 第五节 电子加强注入型绝缘栅极晶体管 IEGT高压变频器的元器件 第五节 电子加强注入型绝缘栅极晶体管 IEGT结构分为平板型和模块型两类。均有内藏反并联二极管，适用于电压型逆变器。平板型适用于高压直流输电场合，可方便将多个元件串联连接。 利用IE技术开发出一种低损耗高耐压的MOS型新器件IEGT，由于巧妙的沟状栅极构造，使特性更为理想。 目前有应用的为4.5kV的IEGT，6kV级的IEGT正在开发中。 今后，IEGT将有望代替GTO和光触发晶闸管LTT(Light Triggered Thyristor)，在高压大容量领域发挥其作用。 高压变频器的元器件 第五节 电子加强注入型绝缘栅极晶体管 IEGT高压变频器的元器件 第五节 电子加强注入型绝缘栅极晶体管 IEGT4500V的IEGT特性三. 高压变频器的主要指标和技术参数三. 高压变频器的主要指标和技术参数1. 高压变频器的主要指标 一种高压变频器的性价比如何，是用户考虑的最为重要的指标。 性价比中最为重要的指标又是以下四个方面： 1）可靠性； 2）电磁兼容性； 3）噪声与振动； 4）价格。高压变频器的主要指标和技术参数 1. 高压变频器的主要指标高压变频器的主要指标和技术参数 1. 高压变频器的主要指标1）可靠性 高压变频器的可靠性的高与低又取决于以下三个方面： a. 主电路形式及所采用的逆变元件； b. 所用CPU的位数及形式； c. 控制方式。 变频器质量的可靠性指标是以MTBF——平均无故障时间来考核的。 高压变频器的主要指标和技术参数 1. 高压变频器的主要指标高压变频器的主要指标和技术参数 1. 高压变频器的主要指标变频器质量的可靠性指标是不能短时间测定出来的，是经过长期试验或统计出来的。 变频器从可靠性分析是属于可修复的产品，对于这种产品常用平均寿命，就是平常所说的平均无故障时间MTBF（mean time between fault）： 式中：MTBF——平均无故障时间（h）； ti——每台变频器无故障时间（h）； N——统计变频器故障的数量，一般在10台以上。 此式为统计N台变频器的无故障时间之总和被N台变频器除所得到的平均无故障时间。 高压变频器的可靠性指标MTBF为10000h是足够的。 高压变频器的主要指标和技术参数 1. 高压变频器的主要指标高压变频器的主要指标和技术参数 1. 高压变频器的主要指标a. 主电路形式及所采用的逆变元件 变频器发展与逆变元件发展息息相关，逆变元件有SCR、GTO、GTR、MOSFECT、IGBT、IGCT、IEGT等。前三种为电流驱动、发热量大，调制频率低，谐波干扰严重；后几种电压驱动发热量小，调制频率高，噪音小，体积小，可靠性高，在选用变频时，元件不同价格也不一样，质量水平等级也不一样。 主电路选择是多脉波、多电平，还是多重化或直接串联等，都会直接影响到可靠性。 高压变频器的主要指标和技术参数 1. 高压变频器的主要指标高压变频器的主要指标和技术参数 1. 高压变频器的主要指标b. 所用CPU的位数及形式 变频器输出量的检测、保护的计算，各种波形的产生和模拟以及控制方式的实现，和调速的精度全靠CPU来实现。 CPU的位数愈高，计算愈精确，响应速度愈快，处理信息也很快。一般位数有8位、16位、32位、64位和双CPU、三CPU等。 CPU的芯片有电动机控制专用芯片，有DSP等都不一样，这些一般在生产制造商的说明书中应该标出，而且在硬件上应看出。 高位数、速度快，相应的硬件数模转换模块也要求较高，当然价格也不一样，质量水平等级也就不一样了。 高压变频器的主要指标和技术参数 1. 高压变频器的主要指标高压变频器的主要指标和技术参数 1. 高压变频器的主要指标c. 控制方式 控制方式就是指变频器对电动机的控制，按什么控制原理和数学模型进行控制，就是控制理论的实现。一般有V/F为常数控制、矢量控制、直接转矩控制、直接速度控制、能量回馈等。 不同控制方式就决定了变频器控制频率范围的精度，低速时的情况。 根据负载的特性，合理的选择变频器的控制方式，有助于系统的稳定性和高可靠性。高压变频器的主要指标和技术参数 1. 高压变频器的主要指标高压变频器的主要指标和技术参数 1. 高压变频器的主要指标2）电磁兼容性 变频器是电力电子数字化设备，有集成电路，计算机芯片，易受外界的一些电气干扰，因此，变频器投入电网运行时，需要考虑电网电压是否对称、平衡，变压器的容量的大小及配电母线上是否有非线性设备等； 另一方面，变频器本身输入侧是一个非线性整流电路，对电源的波形将有影响，特别是中高压变频器容量大，又直接接在高压侧，对电网谐波的污染特别重要，要求严格，变频器输出侧电压、电流、非正弦或非完全正弦波含有丰富的谐波。对高压电动机发热、振动、脉动影响很大。 除此之外，在变频器内还有元器件、振荡回路、数字回路、触点、开关等都将产生连续的干扰频谱。 这就是说变频器投入运行既要防止外界干扰它，又要防止它干扰外界，即通常所说的电磁兼容（Electro-magnetic Compatibility）。高压变频器的主要指标和技术参数 1. 高压变频器的主要指标高压变频器的主要指标和技术参数 1. 高压变频器的主要指标电磁兼容性 高压变频器在主电路上采取了很多的措施消除谐波的产生，尽量减小到很小程度，达到IEEE519-1992的要求，同时与低压变频器一样也要采取一些电磁兼容措施。以保证变频器安全、高效、高功率因数的工作，做到电磁兼容。达到电磁兼容标准，必须抑制变频器高次谐波的含有量，其遵守的标准有高次谐波电压、高次谐波电流、电压畸变率等多种标准，但通常使用电压畸变率这个标准。高压变频器的主要指标和技术参数 1. 高压变频器的主要指标高压变频器的主要指标和技术参数 1. 高压变频器的主要指标电磁兼容性 我国在国际GB12668—90中的规定，电压稳态相对谐波含量的方均根值不超过10%，其中任何基次谐波不超过5%，任何偶次谐波均不超过2%，短时（持续时间小于30S）出现的任一次谐波含量不超过10%。我国在1993年对电能质量做了规定。高压变频器的主要指标和技术参数 1. 高压变频器的主要指标高压变频器的主要指标和技术参数 1. 高压变频器的主要指标3）噪声与振动 用变频器进行电机调速运转，由于下列原因会使振动、噪声增大。 a. 变频器输出波形中含有高次谐波的影响。 b. 随着运转频率的变化，基波分量、高次谐波分量也在很广范围内变化，因此电机各部的谐波增加。 电机的噪声大体有通风噪声、电磁噪声和机械噪声3种。 电机振动的原因可分为电磁与机械两种。 高压变频器的主要指标和技术参数 1. 高压变频器的主要指标高压变频器的主要指标和技术参数 1. 高压变频器的主要指标噪声与振动 噪声对策： a. 在变频器输出侧连接交流电抗器。 b. 如果转矩有余量，将V/f 给定小些。 c. 采用特殊电机（对噪声采取了措施），等等。 d. 对于高速运转时的通风噪声，应以考虑电机冷却风扇的大小和形状，在进风口安装吸音材料等对策。 振动对策： a. 在变频器输出侧连接交流电抗器。 b. 使用PAM方式或方波PWM方式变频器时，可改用正弦波PWM或矢量控制方式变频器，以减小脉动转矩，等等。 高压变频器的主要指标和技术参数 1. 高压变频器的主要指标高压变频器的主要指标和技术参数 1. 高压变频器的主要指标4）价格 一台高压变频器的价格，取决于以下因素： a. 负载特性； 什么负载类，选择什么类型的高压变频器。 b. 电网电压和额定电流； 电网电压和额定电流是型号选定的关键数据。 c. 原装进口或国产（含国内组装）产品； 这两种的价格可以差到30～50%左右。 d. 选用件的配套。 选用件是商家灵活应用的有力组成。比如是否配套工频旁路系统、是否含消谐设备等，价格可以浮动10 ～20%左右。高压变频器的主要指标和技术参数 2. 高压变频器的主要技术参数高压变频器的主要指标和技术参数 2. 高压变频器的主要技术参数无论使用哪一种原理的高压变频器，其最终目的都是使用电网电源进行调速。那么它们必然要有共用的技术参数。 1）类型、型号； 类型指为能带动负载的类型而定的类； 型号是指厂商根据类型、电压、容量等定义的数字字母编号； 2）输入侧技术参数： 输入电压：3、6、10kV(-10～+15%)； 输入频率：50Hz(±5%)； 输入相数：三相； 功率因数：≥0.95（满负荷时）； 输入电流谐波含量：≤4%； 输入变压器参数；高压变频器的主要指标和技术参数 2. 高压变频器的主要技术参数高压变频器的主要指标和技术参数 2. 高压变频器的主要技术参数3）输出侧技术参数： 输出额定容量：适合电动机负载的容量； 输出额定电流：适合电动机负载的电流； 输出电压：根据输入电压调节； 输出频率范围：0～50Hz(个别可以到120Hz)； 输出最高频率：60Hz（或120Hz） 输出效率：96%(满负荷时)；（含变压器的整体效率） 精度：模拟设定：最高频率设定值±0.3%； 数字设定：最高频率设定值±0.01%； 波形：近似正弦波（PWM还是其它） 过载能力：根据不同负载类型，有不同的过载倍数；高压变频器的主要指标和技术参数 2. 高压变频器的主要技术参数高压变频器的主要指标和技术参数 2. 高压变频器的主要技术参数4）保护功能： 过流，过压，欠压，短路，过载，输入缺相，输出缺相，过热，接地，电动机过载，外部报警，电涌保护，主器件自保护，UPS输入掉电，工控机死机，PLC无响应，通讯故障等； 有变压器的，还相应的有变压器的一些保护。 5）运行环境 使用场所：室内，无腐蚀性、易爆性气体、灰尘、直接阳光； 环境温度/湿度：-10℃～+40℃/20～90%RH变化率<5%/h,无凝露； 振动：10~150Hz，0.5g以下；高压变频器的主要指标和技术参数 2. 高压变频器的主要技术参数高压变频器的主要指标和技术参数 2. 高压变频器的主要技术参数 6）安全防护措施： 门行程开关、电磁五防等； 7）控制： 系统控制器：32位CPU或DSP； 转矩提升：自动：根据负载转矩调整到最佳值； 加减速时间：0～3600s (加、减速时间可单独设定)； 高压隔离：光电隔离； 控制电压：DC220V；AC220V/AC380V，10kVA； PID功能：手动设定PI参数值； I/O接口：数字量和模拟量各厂商不同；可以扩展； 通讯接口：RS485或RS232；高压变频器的主要指标和技术参数 2. 高压变频器的主要技术参数高压变频器的主要指标和技术参数 2. 高压变频器的主要技术参数 8）冷却方式： 有强制风冷、水冷、内置空调冷却等方式； 9）外壳防护等级： 一般为IP20；个别有IP30、IP40等； 10）显示： 指示灯显示：运行状态、信号指示； 液晶触摸屏显示：输出频率、电压、电流、功率、功率因数；输入电压、电流、功率、功率因数；故障/报警及其；参数设定；波形显示、谐波分析等； 11）运转操作： 国产产品：液晶触摸屏操作；进口产品：操作面板；四. 高压变频器的选择四. 高压变频器的选择购置高压变频器，因其单台价格从几十万～几千万的高位投资，所以每个用户都会作出精心的选择。 选型适当，会受益非浅；若因选型不当，不但会造成不小的经济损失，或使投资后的经济效益回报时间大大延长，并且大幅度影响生产。 高压变频器的正确选型是非常重要的。为了正确的选择高压变频器，用户应该首先详细填写好“风机变频调速的节能估算所需参数”和“水泵变频调速的节能估算所需参数”，在此基础上用户可以作出相应的JCS选型，或者由生产厂商的技术人员帮助用户作出正确的选型。 高压变频器的选择高压变频器的选择1. 几种常见的不正确选型。 1）工况本身低要求，选用变频器时，追求高精度、多功能，因此而付出高价位； 2）注重产品售价，未综合考虑安装时的辅助投资与占地面积组成的总投资； 3）过于注重运行的安全系数，选用远大于电机容量的变频器，严重的大马拉小车，造成多余量投资； 4）小马拉大车。不少的用户（也有些商家为了促销）以电机实际的工作平均运行电流来选配额定输出电流、容量、功率相同等级的变频器，从而造成常出现起动困难、故障多等问题，变频器往往起动困难，或是在使用不久就彻底报废，造成后期重大损失。 电动机的起动电流是额定电流的4~7倍，而不是实际工作电流，采用变频器软起动是以变频器额定输出功率的额定输出电流的120％~150％限流起动方式起动，并保持所需的100~200％的额定转矩起动过程，具有起动电流小，起动转矩大的特性。若采用小容量变频器起动大容量电机，则有极大的起动电流冲击变频器，加速元器件的老化，并不能输出负载所需的起动转矩，造成起动困难，设备使用寿命短；高压变频器的选择 1. 几种常见的不正确选型高压变频器的选择 1. 几种常见的不正确选型5）选择变频器与实际工况不符合，缺乏工况匹配条件，不能得到理想的控制效果（高工况、低选择现象）； 6）过于追求国外品牌名誉效应，忽视民族实力。在使用中常常付出昂贵的维修费用、不及时的售后服务、影响生产等等代价，这些付出并不小于设备的购价，属于潜在的代价（现不少用户因为此问题而报废进口变频器，改选用国产品牌）； 7）忽视了使用的环境条件，选择普通防护等级的变频器。用于高温、高湿、高粉尘场合，尤其纺织行业的棉纱堵塞通风道增加发热量和元器件触点的接触不良，都会造成不必要的故障。此时应选择密封并且防护等级高的变频器； 8）注重主机的kW/元，未注意选配件的另购价投资。 高压变频器的选择 2. 根据负载的特性选择高压变频器类型高压变频器的选择 2. 根据负载的特性选择高压变频器类型高压变频器的研发制造，都会按照负载的特性进行分门别类的标出类型。 按照负载特性，高压变频器主要的分类有： 1）风机、水泵类（平方减转矩类）； 以离心式风机、水泵类负载为主。 2）一般机械传动类（恒转矩类）； 萝茨风机、空压机、起重机等。 3）重型机械类（恒功率负载）。 皮带传输机、轧机、电力机车等。高压变频器的选择 3. 根据负载的电流选择高压变频器容量高压变频器的选择 3. 根据负载的电流选择高压变频器容量一般同功率的电动机，随着极数的不同，额定电流也不同，极数越高，额定电流就越高。 而变频器都是按照不同类型的负载分配不同的容量，同容量的变频器额定电流是相同的。 变频器实际上是控制电机工作频率、电压、电流，且自身内阻很小的电源装置，其输 出容量与电机定子吸收功率相关，而电机吸收的功率与电机的功率因数、极对数、效率、漏感、绝缘漏电流有关。高压变频器的选择 3. 根据负载的电流选择高压变频器容量高压变频器的选择 3. 根据负载的电流选择高压变频器容量变频器的额定输出容量应按kVA计算。 1）一般机械或重型机械变频器选型计算式： 2）风机、水泵类变频器选型计算式： 3）通用选型计算式： 以上式中：P—电机的视在功率（kVA） I—电机标称额定电流 U—电机标称额定电压 IM—电机实际工作中的最大电流 cosФ—电机标称功率因数高压变频器的选择 3. 根据负载的电流选择高压变频器容量高压变频器的选择 3. 根据负载的电流选择高压变频器容量 4）对于连续运行的变频器必须同时满足下所列要求。 表中：PM—负载要求的电动机输出功率kW η—电动机的效率，通常为0.85 cosФ—电动机的功率因数，通常为0.85 UE—电动机的额定电压 IE—电动机的额定电流 K—电流波形补偿系数，通常为1.05～1.1高压变频器的选择 3. 根据负载的电流选择高压变频器容量高压变频器的选择 3. 根据负载的电流选择高压变频器容量变频器的选型中要特别注意：在计算公式中按惯例选择计算的电机最大负荷电流不能超过选型变频器额定容量的额定电流。 在进行恒功率调速时，有些用户按实际工作的运行功率计算选型，虽然选购变频器时的投资会减少一些，但没有充分考虑到现有设备潜力的发挥、电动机起动电流冲击和变频器使用寿命缩短等一系列问题，以后需要按电机额定功率运行或考虑起动电流时，则必须更换相应的变频器，从而造成多余的浪费。 因此，用户应该针对本企业状况和系统的实际工况从长远考虑作出具体切合实际的决策。 高压变频器的选择 4. 选择中其它注意方面高压变频器的选择 4. 选择中其它注意方面 1）与电网电压、容量的关系； 由于高压电机变频调速控制时功率较大，其功率可能占到用户局域电网容量的相当大一部份，因此其开、停机和运行可能对用户的电网电流、电压都会造成一定的影响。这一方面要求变频器对电网电压的波动范围容忍度要大一些。 2）输入电流谐波对电网的影响； 高压变频器的谐波畸变必须控制在标准规定的范围内，不应对电网中其它负载的正常工作造成影响。 3）输入功率因数和系统效率； 变频调速控制时的输入功率因数和效率将直接决定变频调速控制使用的经济效益，效率低的系统还带来散热等一系列问题。 4）输出电压谐波对电机和电缆的影响； 高压电机变频调速控制如果输出高次谐波成分过高，会造成电源污染和电机的过热，电机和电缆的绝缘受到“疲劳”损害，影响到设备的使用寿命。 null风机参数调查表 五. 高压变频器的安装与维护五. 高压变频器的安装与维护1. 高压变频器的安装 1）安装环境 为了使高压变频器性能稳定的工作，发挥其所具有的性能，必须确保设置环境能充分满足IEC标准及国家标准对变频器规定环境的允许值。 环境场所 a. 通风良好，无水、鼠侵入； b. 无爆炸性、燃烧性和腐蚀性气体及粉尘； c. 装置容易搬入； d. 维修检查容易进行； e. 应具备通风口和换气装置以排出变频器产生的热量； f. 与容易受变频器产生的高次谐波影响和无线电干扰影响的装置分离。高压变频器的安装与维护 1. 高压变频器的安装高压变频器的安装与维护 1. 高压变频器的安装1）安装环境 环境温度 a. 周围温度：高压变频器运行中，周围温度的容许值为-10～40℃，在一般的电气控制室内使用是没有问题的； b. 上限温度对单元型装入变频柜内考虑预测温升10℃，则上限温度定为50℃，为了减少温升、柜内散件等原因，环境上限温度最好不宜太高； c. 下限温度：周围温度的下限值为0或-10℃以不特别冻结为前提条件; d. 如果环境温度超过允许值，应考虑配备相应的空调设备。高压变频器的安装与维护 1. 高压变频器的安装高压变频器的安装与维护 1. 高压变频器的安装1）安装环境 环境湿度 高压变频器周围湿度应为20～90%RH不结露，推荐为40%～90%RH不结露以内。 周围湿度过高，有电气绝缘降低和金属部分的腐蚀问题；另一方面，周围湿