1引言

山东风光电子有限公司是在多年研制中低压变频器的基础上,综合了国内外高压大功率变频器的多种方案的优缺点,采用最优方案研制成功的,并于2002年12月通过了省级科技成果及产品鉴定,成为国内生产高压大功率变频器的为数较少的几个企业之一。

2国内现生产的高压大功率变频器论文网的方案及优缺点

目前,国内生产的高压大功率变频器中,以2种方案占主流:一种是功率单元串联形成高压的多重化技术;另一种是采用高压模块的三电平结构。而其他的采用高-低-高方案的,由于输出升压变压器技术难度高,成本高,占地面积大,都已基本被淘汰。因此采用高-高方案是高压大功率变频器的主要发展方向。

而高-高方案又分为多重化技术(简称CSML)和三电平(简称NPC)方案,目前有的厂家生产的高压大功率变频器是采用的三电平方案,而大多数厂家则是采用低压模块。多单元串联的多重化技术。这2种方案比较,各有优缺点,主要表现在:

(1)器件

采用CSML方式,器件数量较多,但都是低压器件,不但价格低,而且易购置,更换方便。低压器件的技术也较成熟。而NPC方案,采用器件少,但成本高,且购置困难,维修不方便。

(2)均压问题(包括静态均压和动态均压)

均压是影响高压变频器的重要因素。采用NPC方式,当输出电压较高时(如6kV),单用单个器件不能满足耐压要求,必须采用器件直接串联,这必然带来均压问题,失去三电平结构在均压方面的优势,系统的可靠性也将受到影响。而采用CSML方案则不存在均压问题。唯一存在的是当变频器处于快速制动时,电动机处于发电制动状态,导致单元内直流母线电压上升,各单元的直流母线电压上升程度可能存在差异,通过检测功率单元直流母线电压,当任何单元的直流母线电压超过某一阈值时,自动延长减速时间,以防止直流母线电压上升,即所谓的过压失速防止功能。这种技术在低压变频器中被广泛采用,非常成功。

(3)对电网的谐波污染和功率因数

由于CSML方式输入整流电路的脉波数超过NPC方式,前者在输入谐波方面的优势很明显,因此在综合功率因数方面也有一定的优势

(4)输出波形

NPC方式输出相电压是三电平,线电压是五电平。而CSML方式输出相电压为11电平,线电压为21电平(对五单元串联而言),而且后者的等效开关频率大大高于前者,所以后者在输出波形的质量方面也高于前者。

(5)dv/dt

NPC方式的输出电压跳变台阶为高压直流母线电压的一半,对于6kV输出变频器而言,为4kV左右。CSML方式输出电压跳变台阶为单元的直流母线电压,不会超过1kV,所以前者比后者的差距也是很明显的。

(6)系统效率

就变压器与逆变电路而言,NPC方式与CSML方式效率非常接近。但由于输出波形质量差异,若采用普通电机,前者必须设置输出滤波器,后者不必。而滤波器的存在大约会影响效率的0。5百分号左右。

(7)四象限运行

NPC方式当输入采用对称的PWM整流电路时,可以实现四象限运行,可用于轧机。卷扬机等设备;而CSML方式则无法实现四象限运行。只能用于风机。水泵类负载。

(8)冗余设计

NPC方式的冗余设计很难实现,而CSML方式可以方便的采用功率单元旁路技术和冗余功率单元设计方案,大大的有利于提高系统的可靠性。

(9)可维护性

除了可靠性之外,可维护性也是衡量高压大功率变频器的优劣的一个重要因素,CSML方式采用模块化设计,更换功率单元时只要拆除3个交流输入端子和2个交流输出端子,以及1个光纤插头,就可以抽出整个单元,十分方便。而NPC方式就不那么方便了。

总之,三电平电压形变频器结构简单,且可作成四象限运行的变频器,应用范围宽。如电压等级较高时,采用器件直接串联,带来均压问题,且存在输出谐波和dv/dt等问题,一般要设置输出滤波器,在电网对谐波失真要求较高时,还要设置输入滤波器。而多重化PWM电压型变频器不存在均压问题,且在输入谐波及dv/dt等方面有明显优势。对于普通的风机。水泵类一般不要求四象限运行的场合,CSML变频器有较广阔的应用前景。这类变频器又被国内外设计者称之为完美无谐波变频器。

我公司的设计人员经过多方探讨,综合各种方案的优缺点,最后选定了完美无谐波变频器的CSML方案作为我们的最佳选择,这就是我们向市场推出的JD-BP37和JD-BP38系列的高压大功率变频器。

3变频器的性能特点

(1)变频器采用多功率单元串联方案,输出波形失真小,可配接普通交流电机,无须输出滤波器。

(2)输入侧采用多重化移相整流技术,电流谐波小,功率因数高。

(3)控制器与功率单元之间的通信用多路并行光纤实现,提高了抗干扰性及可靠性。

(4)控制器中采用一套独立于高压源的电源供电系统,有利于整机调试和操作人员的培训。

(5)采用全中文的Windows彩色液晶显示触摸界面。

(6)主电路模块化设计,安装。调试。维护方便。

(7)完整的故障监测和报警保护功能。

(8)可选择现场控制。远程控制。

(9)内置PID调节器,可开环或闭环运行。

(10)可根据需要打印输出运行报表。

4工作原理

4。1基本原理

本变频器为交-直-交型单元串联多电平电压源变频调速器,原理框图如图1所示。单元数的多少视电压高低而定,本处以每相为8单元,共24单元为例。每个功率单元承受全部的电机电流。1/8的相电压。1/24的输出功率。24个单元在变压器上都有自立独立的三相输入绕组。功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘。二次绕组采用延边三角形接法,目的是实现多重化,降低输入电流的谐波成分。24个二次绕组分成三相位组,互差为20°,以B相为基准,A相8个单元对应的8个二次绕组超前B相20°,C相8个单元对应的8个二次绕组落后B相20°,形成18脉冲整流电路结构。整机原理图如图2所示。

4。2功率单元电路

图1方案原理框图

图2整机原理图(为了简明,图中仅画了18单元)

所有单元都有6支二极管实现三相全波整流,有4个IGBT管构成单相逆变电路。功率单元的主电路如图3所示,4个IGBT管分别用T1。T2。T3。T4表示,它们的门极电压分别是UG1。UG2。UG3。UG4。

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