高壓大功率變頻器的研制及應(yīng)用

1、引言

　　山東風(fēng)光電子有限公司是在多年研制中低壓變頻器的基礎(chǔ)上，綜合了國(guó)內(nèi)外高壓大功率變頻器的多種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，采用最優(yōu)方案研制成功的，并于2002年12月通過(guò)了省級(jí)科技成果及產(chǎn)品鑒定，成為國(guó)內(nèi)生產(chǎn)高壓大功率變頻器的為數(shù)較少的幾個(gè)企業(yè)之一。

　　2、國(guó)內(nèi)現(xiàn)生產(chǎn)的高壓大功率變頻器的方案及優(yōu)缺點(diǎn)

　　目前，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的高壓大功率變頻器中，以2種方案占主流：一種是功率單元串聯(lián)形成高壓的多重化技術(shù)；另一種是采用高壓模塊的三電平結(jié)構(gòu)。而其他的采用高-低-高方案的，由于輸出升壓變壓器技術(shù)難度高，成本高，占地面積大，都已基本被淘汰。因此采用高-高方案是高壓大功率變頻器的主要發(fā)展方向。

　　而高-高方案又分為多重化技術(shù)（簡(jiǎn)稱(chēng)CSML）和三電平（簡(jiǎn)稱(chēng)NPC）方案，目前有的廠家生產(chǎn)的高壓大功率變頻器是采用的三電平方案，而大多數(shù)廠家則是采用低壓模塊、多單元串聯(lián)的多重化技術(shù)。這2種方案比較，各有優(yōu)缺點(diǎn)，主要表現(xiàn)在：

　?。?）器件采用CSML方式，器件數(shù)量較多，但都是低壓器件，不但價(jià)格低，而且易購(gòu)置，更換方便。低壓器件的技術(shù)也較成熟。而NPC方案，采用器件少，但成本高，且購(gòu)置困難，維修不方便。

　?。?）均壓?jiǎn)栴}（包括靜態(tài)均壓和動(dòng)態(tài)均壓）

　　均壓是影響高壓變頻器的重要因素。采用NPC方式，當(dāng)輸出電壓較高時(shí)（如6kV），單用單個(gè)器件不能滿足耐壓要求，必須采用器件直接串聯(lián)，這必然帶來(lái)均壓?jiǎn)栴}，失去三電平結(jié)構(gòu)在均壓方面的優(yōu)勢(shì)，系統(tǒng)的可靠性也將受到影響。而采用CSML方案則不存在均壓?jiǎn)栴}。唯一存在的是當(dāng)變頻器處于快速制動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)，導(dǎo)致單元內(nèi)直流母線電壓上升，各單元的直流母線電壓上升程度可能存在差異，通過(guò)檢測(cè)功率單元直流母線電壓，當(dāng)任何單元的直流母線電壓超過(guò)某一閾值時(shí)，自動(dòng)延長(zhǎng)減速時(shí)間，以防止直流母線電壓上升，即所謂的過(guò)壓失速防止功能。這種技術(shù)在低壓變頻器中被廣泛采用，非常成功。

　?。?）對(duì)電網(wǎng)的諧波污染和功率因數(shù)由于CSML方式輸入整流電路的脈波數(shù)超過(guò)NPC方式，前者在輸入諧波方面的優(yōu)勢(shì)很明顯，因此在綜合功率因數(shù)方面也有一定的優(yōu)勢(shì)

　?。?）輸出波形NPC方式輸出相電壓是三電平，線電壓是五電平。而CSML方式輸出相電壓為11電平，線電壓為21電平（對(duì)五單元串聯(lián)而言），而且后者的等效開(kāi)關(guān)頻率大大高于前者，所以后者在輸出波形的質(zhì)量方面也高于前者。

　　（5） dv/dt NPC方式的輸出電壓跳變臺(tái)階為高壓直流母線電壓的一半，對(duì)于6kV輸出變頻器而言，為4kV左右。CSML方式輸出電壓跳變臺(tái)階為單元的直流母線電壓，不會(huì)超過(guò)1kV，所以前者比后者的差距也是很明顯的。

　　（6）系統(tǒng)效率就變壓器與逆變電路而言，NPC方式與CSML方式效率非常接近。但由于輸出波形質(zhì)量差異，若采用普通電機(jī)，前者必須設(shè)置輸出濾波器，后者不必。而濾波器的存在大約會(huì)影響效率的0.5%左右。

　?。?）四象限運(yùn)行NPC方式當(dāng)輸入采用對(duì)稱(chēng)的PWM整流電路時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行，可用于軋機(jī)、卷?yè)P(yáng)機(jī)等設(shè)備；而CSML方式則無(wú)法實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行。只能用于風(fēng)機(jī)、水泵類(lèi)負(fù)載。

　?。?）冗余設(shè)計(jì)NPC方式的冗余設(shè)計(jì)很難實(shí)現(xiàn)，而CSML方式可以方便的采用功率單元旁路技術(shù)和冗余功率單元設(shè)計(jì)方案，大大的有利于提高系統(tǒng)的可靠性。

　　（9）可維護(hù)性除了可靠性之外，可維護(hù)性也是衡量高壓大功率變頻器的優(yōu)劣的一個(gè)重要因素，CSML方式采用模塊化設(shè)計(jì)，更換功率單元時(shí)只要拆除3個(gè)交流輸入端子和2個(gè)交流輸出端子，以及1個(gè)光纖插頭，就可以抽出整個(gè)單元，十分方便。而NPC方式就不那么方便了。

　　總之，三電平電壓形變頻器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且可作成四象限運(yùn)行的變頻器，應(yīng)用范圍寬。如電壓等級(jí)較高時(shí)，采用器件直接串聯(lián)，帶來(lái)均壓?jiǎn)栴}，且存在輸出諧波和dv/dt等問(wèn)題，一般要設(shè)置輸出濾波器，在電網(wǎng)對(duì)諧波失真要求較高時(shí)，還要設(shè)置輸入濾波器。而多重化PWM電壓型變頻器不存在均壓?jiǎn)栴}，且在輸入諧波及dv/dt等方面有明顯優(yōu)勢(shì)。對(duì)于普通的風(fēng)機(jī)、水泵類(lèi)一般不要求四象限運(yùn)行的場(chǎng)合，CSML變頻器有較廣闊的應(yīng)用前景。這類(lèi)變頻器又被國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)者稱(chēng)之為完美無(wú)諧波變頻器。

　　我公司的設(shè)計(jì)人員經(jīng)過(guò)多方探討，綜合各種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，最后選定了完美無(wú)諧波變頻器的CSML方案作為我們的最佳選擇，這就是我們向市場(chǎng)推出的JD-BP37和JD-BP38系列的高壓大功率變頻器。

　　3、變頻器的性能特點(diǎn)

　?。?）變頻器采用多功率單元串聯(lián)方案，輸出波形失真小，可配接普通交流電機(jī)，無(wú)須輸出濾波器。

　?。?）輸入側(cè)采用多重化移相整流技術(shù)，電流諧波小，功率因數(shù)高。

　?。?）控制器與功率單元之間的通信用多路并行光纖實(shí)現(xiàn)，提高了抗干擾性及可靠性。

　　（4）控制器中采用一套獨(dú)立于高壓源的電源供電系統(tǒng)，有利于整機(jī)調(diào)試和操作人員的培訓(xùn)。

　?。?）采用全中文的Windows彩色液晶顯示觸摸界面。

　?。?）主電路模塊化設(shè)計(jì)，安裝、調(diào)試、維護(hù)方便。

　?。?）完整的故障監(jiān)測(cè)和報(bào)警保護(hù)功能。

　?。?）可選擇現(xiàn)場(chǎng)控制、遠(yuǎn)程控制。

　　（9）內(nèi)置PID調(diào)節(jié)器，可開(kāi)環(huán)或閉環(huán)運(yùn)行。

　?。?0）可根據(jù)需要打印輸出運(yùn)行報(bào)表。