高压变频器

变频器的定广义 变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。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。 基本信息 　　其应用的领域和范围也越来越为广范，这使得高效、合理地利用能源（尤其是电能）成为了可能。电机是国民经济中主要的耗电大户，高压大功率的更为突出，而这些设备大部分都有节能的潜力。大力发展高压大功率变频调速技术，将是时代赋予我们的一项神圣使命，而这一使命也将具有深远的意义。 　　高压大功率变频调速装置被广泛地应用于大型矿泉水应用生产厂、石油化工、市政供水、冶金钢铁、电力能源等行业的各种风机、水泵、压缩机、轧钢机等。 分类与结构 　　高压变频器的种类繁多，其分类方法也多种多样。按着中间环节有无直流部分，可分为交交变频器和交直交变频器；按着直流部分的性质，可分为电流型和电压型变频器；按着有无中间低压回路，可分为高高变频器和高低高变频器；按着输出电平数，可分为两电平、三电平、五电平及多电平变频器；按着电压等级和用途，可分为通用变频器和高压变频器；按着嵌位方式，可分为二极管嵌位型和电容嵌位型变频器等等。 电流型变频器 　　由于在变频器的直流环节采用了电感元件而得名，其优点是具有四象限运行能力，能很方便地实现电机的制动功能。缺点是需要对逆变桥进行强迫换流，装置结构复杂，调整较为困难。另外，由于电网侧采用可控硅移相整流，故输入电流谐波较大，容量大时对电网会有一定的影响。 电压型高压变频器 　　由于在变频器的直流环节采用了电容元件而得名，随着技术的进步，高压变频器可以实现四象限运行，也能实现矢量控制，已经成为当前传动系统调速的主流产品。 高低高变频器 　　采用升降压的办法，将低压或通用变频器应用在中、高压环境中而得名。原理是通过降压变压器，将电网电压降到低压变频器额定或允许的电压输入范围内，经变频器的变换形成频率和幅度都可变的交流电，再经过升压变压器变换成电机所需要的电压等级。 　　这种方式，由于采用标准的低压变频器，配合降压，升压变压器，故可以任意匹配电网及电动机的电压等级，容量小的时候（<500KW）改造成本较直接高压变频器低。缺点是升降压变压器体积大，比较笨重，频率范围易受变压器的影响，还有就是由于引入了变压器使得系统效率比较低。 　　一般高低高变频器可分为电流型和电压型两种。 高低高电流型变频器 　　电路拓扑结构如图1所示，在低压变频器的直流环节由于采用了电感元件而得名。输入侧采用可控硅移相控制整流，控制电动机的电流，输出侧为强迫换流方式，控制电动机的频率和相位。能够实现电机的四象限运行。 高低高电压型变频器 　　前段引入降压变压器，将电网降压，然后连接低压变频器。低压变频器输入侧可采用可控硅移相控制整流，也可以采用二极管三相桥直接整流，中间直流部分采用电容平波并储能。逆变或变流电路常采用 IGBT元件，通过SPWM变换，即可得到频率和幅度都可变的交流电，再经升压变压器变换成电机所需要的电压等级。需要指出的是，在变流电路至升压变压器之间还需要置入正弦波滤波器(F)，否则升压变压器会因输入谐波或dv/dt过大而发热，或破坏绕组的绝缘。该正弦波滤波器成本很高，一般相当于低压变频器的1/3到1/2的价格。 高高电流型变频器 　　它采用GTO，SCR或IGCT元件串联的办法实现直接的高压变频，目前电压可达10KV。由于直流环节使用了电感元件，其对电流不够敏感，因此不容易发生过流故障，逆变器工作也很可靠，保护性能良好。其输入侧采用可控硅相控整流，输入电流谐波较大。变频装置容量大时要考虑对电网的污染和对通信电子设备的干扰问题。均压和缓冲电路，技术复杂，成本高。由于器件较多，装置体积大，调整和维修都比较困难。逆变桥采用强迫换流，发热量也比较大，需要解决器件的散热问题。其优点在于具有四象限运行能力，可以制动。 　　需要特别说明的是，该类变频器由于较低的输入功率因数和较高的输入输出谐波，故需要在其输入输出侧安装高压自愈电容。 高高电压型变频器 　　电路结构采用IGBT 直接串联技术，也叫直接器件串联型高压变频器。其在直流环节使用高压电容进行滤波和储能，输出电压可达13.8KV，其优点是可以采用较低耐压的功率器件，串联桥臂上的所有IGBT作用相同，能够实现互为备用，或者进行冗余设计。缺点是电平数较低，仅为两电平，输出电压dV/dt也较大，需要采用特种电动机或加装共模电压滤波器和高压正弦波滤波器，其成本会增加许多。由于它与低压变频器有着一样的拓扑结构，因此它像低压变频器一样具有四象限运行功能，也可以实现矢量控制。 　　这种变频器同样需要解决器件的均压问题，一般需特殊设计驱动电路和缓冲电路。对于IGBT驱动电路的延时也有极其苛刻的。一旦IGBT的开通、关闭的时间不一致，或者上升、下降沿的斜率相差太悬殊，均会造成功率器件的损坏. 嵌位型变频器 　　钳位型变频器一般可分为二极管钳位型和电容钳位型。 二极管嵌位型变频器 　　它既可以实现二极管中点嵌位，也可以实现三电平或更多电平的输出，其技术难度较直接器件串联型变频器低。由于直流环节采用了电容元件，因此它仍属于电压型变频器。这种变频器需要设置输入变压器，它的作用是隔离与星角变换，能够实现12脉冲整流，并提供中间嵌位零电平。通过辅助二极管将IGBT等功率器件强行嵌位于中间零电平上，从而使IGBT两端不会因过压而烧毁，又实现了多电平的输出。 　　这种变频器结构，输出可以不安装正弦波滤波器。但是由于采用了变压器，成本上有所增加。 电容嵌位型变频器 　　它采用同桥臂增设悬浮电容的办法实现了功率器件的嵌位，目前这种变频器应用的比较少。 单元串联型变频器 基本信息 　　这是近几年才发展起来的一种电路拓扑结构，它主要由输入变压器、功率单元和控制单元三大部分组成。采用模块化设计，由于采用功率单元相互串联的办法解决了高压的难题而得名，可直接驱动交流电动机，无需输出变压器，更不需要任何形式的滤波器。 　　6KV变频器，可以有15个或者18个功率单元组成，每相由5或者6台功率单元相串联，并组成Y形连接，直接驱动电机。每台功率单元电路、结构完全相同，可以互换，也可以互为备用。 　　变频器的输入部分是一台移相变压器，原边Y形连接，副边采用延边三角形连接，共15到18副三相绕组，分别为每台功率单元供电。它们被平均分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三大部分，每部分具有5到６副三相小绕组，之间均匀相位偏移8.5或者10度。 特点 三晶变频器S350用于数控行业的特点如下： 1、低频力矩大、输出平稳 2、高性能矢量控制 3、转矩动态响应快、稳速精度高 4、减速停车速度快 5、抗干扰能力强 高压变频器的发展背景及其重要意义 　　随着现代电力电子技术及计算机控制技术的迅速发展，促进了电气传动的技术革命。交流调速取代直流调速，计算机数字控制取代模拟控制已成为发展趋势。交流电机变频调速是当今节约电能，改善生产工艺流程，提高产品质量，以及改善运行环境的一种主要手段。变频调速以其高效率，高功率因数，以及优异的调速和启制动性能等诸多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。 　　以前的高压变频器，由可控硅整流，可控硅逆变等器件构成，缺点很多，谐波大，对电网和电机都有影响。近年来，发展起来的一些新型器件将改变这一现状，如IGBT、IGCT、SGCT等等。由它们构成的高压变频器，性能优异，可以实现PWM逆变，甚至是PWM整流。不仅具有谐波小，功率因数也有很大程度的提高。 国产高压变频器的发展现状 　　目前，在国内有不低于200家的低压变频器厂商，其大部分为AC380V的低压产品，而在高压大功率变频器方面，在30家左右。由于罗宾康没有在中国申请专利保护，因此绝大多数厂家都采用美国罗宾康的技术即单元串联多重化结构。 　　随着技术研究的进一步深入，在理论上和功能上国产高压变频器已经可以与进口变频器相比肩，但是受工艺技术的限制，与进口产品的差距还是比较明显。这些状况主要表现在如下几个方面： 　　① 国外各大品牌的产品正加紧占领国内市场，并加快了本地化的步伐。 　　② 具有研发能力和产业化规模的逐年增加。 　　③ 国产高压变频器的功率也越做越大，目前国内最大的应用做到了7500KW。 　　④ 国内高压变频器的技术标准还有待。 　　⑤ 与高压变频器相配套的产业很不发达。 　　⑥ 生产工艺一般，可以满足变频器产品的技术要求，价格相对低廉。 　　⑦ 变频器中使用的功率半导体关键器件完全依赖进口，而且相当长时间内还会依赖进口。 　　⑧ 与发达国家的技术差距在缩小，具有自主知识产权的产品正应用在国民经济中。 　　⑨ 已经研制出具有瞬时掉电再恢复、故障再恢复等功能的变频器。 　　⑩ 部分厂家已经开发出四象限运行的高压变频器。 　　11矢量控制的高压变频器也已经在应用。 国外高压变频器的发展现状 　　国外各大品牌的变频器生产商，均形成了系列化的产品，其控制系统也已实现全数字化。几乎所有的产品均具有矢量控制功能，完善的工艺水平也是国外品牌的一大特点。目前，在发达国家，只要有电机的场合，就会同时有变频器的存在。其现阶段发展情况主要表现如下： 　　① 技术开发起步早，并具有相当大的产业化规模。 　　② 能够提供特大功率的变频器，目前已超过10000KW。 　　③ 变频调速产品的技术标准比较完备。 　　④ 与变频器相关的配套产业及行业初具规模。 　　⑤ 能够生产变频器中的功率器件，如IGBT、IGCT、SGCT等。 　　⑥ 高压变频器在各个行业中被广泛应用，并取得了显著的经济效益。 　　⑦ 产品国际化，当地化加剧。 　　⑧ 新技术，新工艺层出不穷，并被大量的、快速的应用于产品中。 　　⑨ 目前，没有10KV产品。 高压变频器的未来发展态势 　　交流变频调速技术是强弱电混合，机电一体的综合技术，既要处理巨大电能的转换（整流、逆变），又要处理信息的收集、变换和传输，因此它必定会分成功率和控制两大部分。前者要解决与高压大电流有关的技术问题，后者要解决的软硬件控制问题。因此，未来高压变频调速技术也将在这两方面得到发展，其主要表现为： 　　① 高压变频器将朝着大功率，小型化，轻型化的方向发展。 　　② 高压变频器将向着直接器件高压和多重叠加（器件串联和单元串联）两个方向发展。 　　③ 更高电压、更大电流的新型电力半导体器件将应用在高压变频器中。 　　④ 现阶段，IGBT、IGCT、SGCT仍将扮演着主要的角色，SCR、GTO将会退出变频器市场。 　　⑤ 无速度传感器的矢量控制、磁通控制和直接转矩控制等技术的应用将趋于成熟。 　　⑥ 全面实现数字化和自动化：参数自设定技术；过程自优化技术；故障自诊断技术。 　　⑦ 应用32位MCU、DSP及ASIC等器件，实现变频器的高精度，多功能。 　　⑧ 相关配套行业正朝着专业化，规模化发展，社会分工将更加明显。 高压变频器抗干扰的常用 　　高压变频器抗干扰的常用措施： 　　（1）高压变频器的E端要与控制柜及电机的外壳相连，要接保安地，接地电阻应小于100Ω，可吸收突波干扰。 　　（2）高压变频器的输入或输出端加装电感式磁环滤波器。平性并绕3-4圈，有助于抑制高次谐波（此方法简单易行，价格低廉）。 　　（3）上述磁环滤波器还可根据现场情况加绕在高压变频器控制信号端或模拟信号给定端的 　　进线上。 　　（4）装有高压变频器的电控柜中，动力线和信号线应分开穿管走线，金属软管应接地良好。 　　（5）模拟信号线要选用屏蔽线，单端在高压变频器处接仿真地。 　　（6）还可通过调整高压变频器的载频来改善干扰。频率越低，干扰越小，但电磁噪声越大。 　　（7）RS485通讯口与上位机相连一定要采用光电隔离的传输方式，以提高通信系统的抗 　　干扰性能。 　　（8）外配计算机或仪表的供电要和高压变频器的动力装置供电分开，尽量避免共享一个内 　　部变压器。 　　（9）在受干扰的仪表设备方面也要进行独立屏蔽，市场上的温控器、PID调节器、PLC、传感器或变送器等仪表，都要加装金属屏蔽外壳并与保安地相连。必要时，可在此类仪表的电源进线端加装上述的电感式磁环滤波器。 高压变频器的选型注意事项 1.选择过高电压等级的弊端 　　选择过高的电压等级造成投资过高，回收期长。电压等级的提高，电机的绝缘必须提高，使电机价格增加。电压等级的提高，使变频器中电力半导体器件的串联数量加大，成本上升。 　　可见，对于200～2000kW的电机系统采用6kV、10kV电压等级是极不经济、很不合理的。 2.变频器容量与整流装置相数关系 　　变频器装置投入6kV电网必须符合国家有关谐波抑制的规定。这和电网容量和装置的额定功率有关。 　　短路容量在1000MVA以内，1000kW装置12相（变压器副边双绕组）即可，如果24相功率就可达2000kW，12相基本上消除了幅值较大的5次和7次谐波。 　　整流相数超过36相后，谐波电流幅值降低不显著，而制造成本过高。如果电网短路容量2000MVA，则装置容许容量更大。 3.把最高电压降到3kV以下可节约大量投资 　　从电力电子器件特性及安全系数考虑电压等级的必要性，受电力电子器件电压及电机允许的dv/dt限制，6kV变频器必须采用多电平或多器件串联，造成线路复杂，价格昂贵，可靠性差。对于6kV变频器若是用1700VIGBT，以美国罗宾康的PERFECTHARMONY系列6kV高压变频器为例，每相由5个额定电压为690V的功率单元串联，三相共60只器件。若是用3300V器件，也需3串共30只器件，数量巨大。另一方面装置电流小，器件的电流能力得不到充分利用，以560kW为例，6kV电机电流仅60A左右，而1700V的IGBT电流已达2400A，3300V器件电流达1600A，有大器件不能用，偏要用大量小器件串联，极不合理。即使电机功率达2000kW，电流也只有140A左右，仍很小。 　　国外的中压变频器有多个电压等级：1.1kV，2.3kV，3kV，4.2kV，6kV，它们主要由电力电子器件的电压等级所确定。 　　输出同样功率的变频器，使用较高电压或较多单元串联所花的代价大于用较低电压，较少数量而电流较大单元的代价，也就是说在器件电流允许条件下应尽可能选用低的电压等级。 4.隔离变压器问题 　　为了隔离、改善输入电流及减小谐波，现在所有的中压“直接变频”器都不是真正的直接变频，其输入侧都装有输入变压器，这种配置短时间内不会改变。既然输入侧有变压器，变频器和电机的电压就没有必要和电网一样，非用10kV和6kV不可，功率2500kW以下电压可以不超过3kV，因此就有了变频器和电机的合理电压等级问题。 　　200kW～800kW以下的变频调速宜选用380V或660V电压等级。它线路简单，技术成熟，可靠性高，dv/dt小，价格便宜。仍以560kW电机为例，630kW660V的低压变频器约35万，而同容量6000V中压变频器约90万。实现的方法有低-低，低-高，高-低和高-低-高等几种形式。由于电机，变压器的价格远低于变频器，即使更换电机、变压器也合理。 5.如何配套 　　原有6kV高压电机如何与3.5kV变频器电压配套 　　自建国以来传统的6kV高压电机是已投产的主要产品，为了推广3.5kV变频器不可能再花钱更换电机，作者提出一个简便方案，以供参考。 　　制造厂原有6kV电机一般均为星形接线，其相绕组承受实际电压为3468V，故只要将绕组改接成三角形其它不变。配3.5kV变频器就把变频器电压从6kV下降到3.5kV，从表3可见4.5kV器件不串联就可承受3kV耐压。如果用1.7kV器件3串即可。制造成本将下降30％。而我国目前30MW机组最大电机2500kW采用3.5kV电压完全合理。 三晶变频器S350数控机床--高端品牌变频器 三晶变频器应用于数控车床主要特点： 1、低频力矩大、输出平稳 2、高性能矢量控制 3、转矩动态响应快、稳速精度高 4、减速停车速度快 5、抗干扰能力强