大功率变频器

一种用 IGCT 实现高压大功率变频器的方法 李旷 郭自勇 李兴 左强 付国良 孙蕾 董力军 韩国军 荣信电力电子股份有限公司，辽宁鞍山高新区科技路 108 号，114051， picc33@163.com A Design Method for High Voltage Large Capacity Variable Frequency Drive with IGCT Li Kuang, . Guo Zi-yong, Li Xing , . Zuo Qiang Fu Guo-liang, Sun Lei, Dong Li-jun, Han Guo-jun Rongxin Power Electronic Co., Ltd., China No.108 keji Road,High-Tech Zone,Anshan City, PR China, 114051, picc33@163.com ABSTRACT: A design and experimental method for variable frequency drive of more than 10000kW by using IGCT two level power units. KEY WORD: IGCT, Large capacity drive, experimental method 摘要: 采用 IGCT 功率器件组成的两电平功率单元，配合移 相变频器实现 10000kW及以上的高压变频器及其试验方法。 关键词: IGCT、大功率变频器、试验方法 1．引言 目前，高压大功率变频器是一个十分重要的应 用领域。而基于 IGBT 的变频器其功率等级最大多在 5000kW 左右，功率在 10000kW 及以上的高压变频器 用 IGBT 就难以实现。目前，ABB 等国际大公司均推 出了基于 IGCT 的三电平变频器。但在高压大功率应 用条件下，三电平技术的可靠性在国内还有待于提 高。此外，高压大功率变频器的性能试验也是一个 难题。本文主要介绍采用 IGCT 组成的大功率变频器 和试验方法，仅供参考和借鉴。 2.构成原理 2.1 6kV 变频器 Lc Cd Cc Rc Ds G Dr G Dr G Dr G Dr Lc Cd Cc Rc Ds G Dr G Dr G Dr G Dr Lc Cd Cc Rc Ds G Dr G Dr G Dr G Dr Lc Cd Cc Rc Ds G Dr G Dr G Dr G Dr Lc Cd Cc Rc Ds G Dr G Dr G Dr G Dr Lc Cd Cc Rc Ds G Dr G Dr G Dr G Dr U V W N M 6kV ~ 1.75kV ~ 图 1 6kV变频器构成原理图 具体的工作过程是：以 6kV 变频器为例，见图 1，电网电压经过移相变压器降为 1750V，经整流桥 D 整流，然后进入由电容器 Cc、Cd、电感 Lc、电阻 Rc、二极管 Ds 组成的缓冲电路，然后电信号输入 由 IGCT 逆变桥组成的两电平功率单元，每相由两个 IGCT 功率单元进行串联组成，形成交流电压，然后 高压输出给电机。 每个两电平功率单元由整流桥、稳压电路、IGCT 逆变桥组成，稳压电路接入 IGCT 逆变桥输入端，电 阻 Rc 与二极管 Ds 串联，两端与电感 Lc 并联，在电 阻 Rc 与二极管 Ds 之间接有电容器 Cc，电容器 Cc 另一端接电容器 Cd；电容器 Cd 另端接电感 Lc 与电 阻 Rc 的输入端。IGCT 逆变桥由四个由 IGCT器件与 二极管 Dr 组成的反并联单元构成。 对于 6kV 变频器，移相变压器二次侧电压 1750V，功率单元直流侧电压 2500V，每相 2个功率 单元串联，功率部分只需 6 个功率单元。移相变压 器共 6 个副边绕组。 这样，每个功率单元输出的最高电压为 1750V， 2 个功率单元串联就能够输出 3500V，正好对应于 6kV 系统的相电压。 对 4500V/4000A 的 IGCT 而言，其长期工作电流 有效值可达 1500A。所以，变频器的容量为 S=1.732×6000×1500=15000kVA 考虑到电机的功率因数，此种变频器可以轻松 驱动 12000kW 的电机。 2.2 10kV 变频器 见图 2，对于 10kV 变频器，移相变压器二次侧 电压 1900V，功率单元直流侧电压 2700V，每相 3 个功率单元串联，功率部分只需 9 个功率单元。移 相变压器共 9 个副边绕组。 这样，每个功率单元输出的最高电压为 1900V， 3 个功率单元串联就能够输出 5700V，正好对应于 10kV 系统的相电压。 在要求高可靠性的场合，每相也可以串联 4 个 IGCT 功率单元。 对 4500V/4000A 的 IGCT 而言，其长期工作电流 有效值可达 1500A。所以，变频器的容量为 S=1.732×10000×1500=26000kVA 考虑到电机的功率因数，此种变频器可以轻松 驱动 22000kW 的电机。 Lc Cd Cc Rc Ds G Dr G Dr G Dr G Dr Lc Cd Cc Rc Ds G Dr G Dr G Dr G Dr Lc Cd Cc Rc Ds G Dr G Dr G Dr G Dr U V W N M 10kV ~ 1.90kV ~ Lc Cd Cc Rc Ds G Dr G Dr G Dr G Dr Lc Cd Cc Rc Ds G Dr G Dr G Dr G Dr Lc Cd Cc Rc Ds G Dr G Dr G Dr G Dr Lc Cd Cc Rc Ds G Dr G Dr G Dr G Dr Lc Cd Cc Rc Ds G Dr G Dr G Dr G Dr Lc Cd Cc Rc Ds G Dr G Dr G Dr G Dr 图 2 10KV 变频器构成原理图 2.3 3kV 变频器 见图 3，对于 3kV 变频器，变压器每相采用一 个功率单元的形式，功率部分只需 3 个功率单元。 Lc Cd Cc Rc Ds G Dr G Dr G Dr G Dr Lc Cd Cc Rc Ds G Dr G Dr G Dr G Dr U V W N M3kV ~ Lc Cd Cc Rc Ds G Dr G Dr G Dr G Dr 1.75kV 图 3 3 kV 变频器构成原理图 3.高压大功率变频器性能试验 高压大功率变频器出厂前的试验是产品质量检 查的重要环节，特别是全载（即满额定负荷）试验 尤为重要。 荣信电力电子股份有限公司建立了“电动机— 发电机组”的全载试验系统，可以在各种载荷下， 特别是全载下进行变频器特性实验，可以保证产品 性能的真实性。可将一切性能缺陷在出厂前解决。 上述高压变频器都已经过全载多方位性能试 验，并经现场实用已达到设计要求。 参考文献: [1] 张皓，续明进，杨梅[M].高压大功率交流变频调速技术 北 京: 机械工业出版社, 2006.109~116. [2] 王鹏宇，王明彦. 高压大功率变频器的谐波分析[J]. 变频 器世界.2007.66~71. [3] 张燕宾. SPWM 变频调速应用技术. [M]，2006. 1: 65~70. [4] 林海雪.电力系统的三相不平衡[M]. 北京:中国电力出版 社，1998. [5] 马小亮.大功率交-交变频调速及矢量控制技术.[M].北京: 机械工业出版社,2004.59~62. [6] 卓放, 胡军飞, 王兆安. 采用多重化主电路实现的大功率 有源电力滤波器. 电网技术[J]. 2000, 24(8): 5~7. [7] 鲁力，张波，丘东元，谢锐凯. 浅述电力电子变流装置远 程 实 时 谐 波 监 测 系 统 的 实 现 策 略 [J]. 变 频 器 世 界.2007.42~47. [8] 叶英华。刘进军，何益宏，王兆安. 通用电能质量控制器的数字 化统一控制系统. 电气传动[J] .2003.33. 39~42. [9] Peng F Z, Lai J S. Generalized instantaneous reactive power theory for three-phase power systems. IEEE Trans. Instrum. Meas.[J], 1996, 45(1): 293~297. [10] Sato T, Mori Y, Matsushita Y, Ogusa S, Toki N [11] Iyoda I. Study on the System Analysis Method of STATCOM based on Ten-Years’ Field Experience. Proceedings of 2002 IEEE Transmission and Distribution Conference and Exhibition[C], 2002, 1: 336~341. [12] Read J C. The calculation of rectifier and converter performance characteristics. Journal IEE[J], 1945, 92(2): 495~590. [13] Kimbark E W. Direct current transmission[M]. Vol.1, New York. John Wiley & Sons, 1971. 李旷（1977-），男，四川营山人，博士研究生，高级师，从事变 频器、无功发生器（SVG）的研发、制造工作。