中壓變頻器及應(yīng)用綜述

1引言

變頻器正向著低噪聲、高性能、高可靠性方向發(fā)展，通用變頻器以其調(diào)速范圍寬、調(diào)速精度高、動態(tài)響應(yīng)快、效率高及操作方便等優(yōu)點(diǎn)，在節(jié)約能源，控制工業(yè)生產(chǎn)過程，提高企業(yè)自動化生產(chǎn)水平等方面取得了良好的效果。隨著通用變頻器的廣泛應(yīng)用，中壓變頻器正在得到推廣和應(yīng)用。中壓變頻調(diào)速有多種方案，如中—低—中方案，中—低方案及中—中方案等，用戶應(yīng)結(jié)合本身中壓電機(jī)負(fù)載的情況選擇性能價格比最優(yōu)的方案。本文就目前中壓變頻器的最新進(jìn)展及應(yīng)用發(fā)表一些看法供參考。

2中壓變頻器產(chǎn)品及概況

（1）西門子公司

西門子公司傳動產(chǎn)品系列齊全，覆蓋所有的應(yīng)用領(lǐng)域，包括電流源型、電壓源型和公共直流母線型。在中壓變頻器應(yīng)用領(lǐng)域，西門子公司采用中—低—中方案較好地解決了(300～630)kW/6kV電機(jī)的調(diào)速問題，即在通用變頻器的輸入側(cè)加一個降壓變壓器，在輸出側(cè)加一個升壓變壓器組成中壓變頻器驅(qū)動系統(tǒng)，其主要特點(diǎn)是可靠性高，價格較低，考慮到變頻器輸出含有高次諧波和直流分量，輸出升壓變壓器需特殊設(shè)計。若將中壓6kV電機(jī)改為690V或3300V電機(jī)，則只用降壓變壓器、變頻器組成變頻器驅(qū)動系統(tǒng)，即所謂中—低方案。中壓變頻器可用于新工程項目和技改項目，在新工程項目中，可根據(jù)工藝要求對電機(jī)、變頻器驅(qū)動系統(tǒng)做出合理的選擇，而在技改項目中，可將6kV電機(jī)改為3300V或更低電壓等級的電機(jī)，雖增加了費(fèi)用和工作量，但卻使得電機(jī)、變頻器驅(qū)動系統(tǒng)更加合理，中—低方案不僅解決了風(fēng)機(jī)、泵等變轉(zhuǎn)矩負(fù)載的調(diào)速問題，而且對于具有較高起動轉(zhuǎn)矩和加速轉(zhuǎn)矩的負(fù)載（如擠壓機(jī)、提升機(jī)等轉(zhuǎn)矩負(fù)載）也提供了較好的解決方案。為配套方便，西門子公司已在國內(nèi)提供3300V、690V中低壓電機(jī)。以下就西門子公司推出的采用高壓IGBT、三電平技術(shù)的直接高壓中壓變頻器做一介紹。

SIMOVERTMV中壓變頻器采用具有優(yōu)秀性能的矢量轉(zhuǎn)換磁場定向控制原理，其具有極高的動態(tài)性能、極佳的轉(zhuǎn)矩質(zhì)量和完美的控制特性，采用高壓IGBT具有可靠性高、驅(qū)動簡單、觸發(fā)功率低、不需要緩沖電路的特點(diǎn)，采用三電平技術(shù)降低對電機(jī)的沖擊。圖1為MV系統(tǒng)原理圖。

MV系列中壓變頻器保持了西門子低壓變頻器模塊化結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，其輸入變壓器為三繞組，采用AFE有源前端的MV變頻器可用于弱電網(wǎng)，具有動能儲備電源、飛車再起動電源和自動再起動功能。額定電機(jī)電壓為2?3kV，3?3kV，4?16kV及6kV等規(guī)格。

（2）美國A?B公司

A?B公司中壓變頻器為Bulletin1557系列，控制方式采用無速度傳感器直接矢量控制，電機(jī)轉(zhuǎn)矩可快速變化而不影響磁通，運(yùn)行效果近似直流傳動裝置。電路結(jié)構(gòu)為交—直—交電流源型，采用功率器件為GTO，綜合了脈寬調(diào)制技術(shù)和電流源功率結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)；其諧波符合IEEE519?1992，A?B可提供幾種方案以滿足諧波抑制的要求，如標(biāo)準(zhǔn)的12脈沖或18脈沖整流器，標(biāo)準(zhǔn)的諧波濾波器或功率因數(shù)補(bǔ)償器及PWM整流器等。圖2為18脈沖整流器結(jié)構(gòu)的Bulletin1557變頻器。

圖1MV系統(tǒng)原理圖

圖218脈沖結(jié)構(gòu)的Bulletin1557變頻器

圖3ACS1000的結(jié)構(gòu)原理圖

圖4PMT?F500的結(jié)構(gòu)原理圖

A?B公司于近期推出新一代的中壓變頻器Power

Flex7000，具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn)，采用SGCT?對稱門極換流晶閘管、電流源?PWM技術(shù)、直接矢量控制技術(shù)加上其固有的能量再生能力、制動及加減速性能好，且使用簡單。

（3）ABB公司

ABB中壓變頻器為ACS1000系列，以IGCT為主要開關(guān)器件、采用直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)、三電平技術(shù)。IGCT是關(guān)斷增益為1的GTO，為解決GTO關(guān)斷過程中眾多小陰極單元的非均勻關(guān)斷和陰極電流收縮效應(yīng)，將GTO門極驅(qū)動器與GTO集成為一個組件，使GTO的負(fù)門極在1μs內(nèi)上升到陽極電流的幅值，這是IGCT的基本原理。直接轉(zhuǎn)矩控制是1985年后與矢量控制技術(shù)并行發(fā)展的交流調(diào)速控制技術(shù)，在DTC中，定子磁通和轉(zhuǎn)矩被作為主要的控制變量。目前ACS1000的功率范圍為315kW～5000kW，輸出電壓為2?3kV，3?3kV及4?16kV等，IGCT在大功率中壓變頻器中具有一定的優(yōu)勢。圖3為ACS1000的結(jié)構(gòu)原理圖。

（4）日本三菱電機(jī)

三菱電機(jī)新近開發(fā)的適用于平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載的中壓變頻器PMT?F500HV系列，采用單元串聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)，輸入側(cè)采用24相整流方式抑制高次諧波對電網(wǎng)的干擾，在整個調(diào)速范圍可達(dá)到0?95的功率因數(shù)，圖4為PMT?F500HV的結(jié)構(gòu)原理圖。

（5）美國羅賓康公司

羅賓康公司中壓變頻器是由多個低壓功率單元串聯(lián)疊加實現(xiàn)高壓輸出，其各個功率單元由一體化的輸入隔離變壓器的副邊線圈分別供電，副邊線圈在繞制時相互間存在一個小的相位差，以消除各單元產(chǎn)生的大多數(shù)諧波電流，每個功率單元采用低壓IGBT構(gòu)成的三相輸入，單相輸出的PWM變頻器，輸出0～480V可調(diào)電壓和0～120Hz可調(diào)頻率的變頻器，采用多電平的脈寬調(diào)制技術(shù)，輸出的電壓波形接近正弦波。

3中壓變頻器的方案選擇

中壓變頻器的應(yīng)用正在逐步推廣，其在節(jié)能和提高企業(yè)自動化水平方面發(fā)揮了重要作用，有些需調(diào)速的中壓電機(jī)是生產(chǎn)過程的關(guān)鍵設(shè)備，由于其投資較大，因此要對中壓變頻器及負(fù)載情況做綜合的分析和比較再做選擇。近年來，在中壓變頻器的應(yīng)用過程中，也出現(xiàn)了一些值得注意的問題：如在中—低—中方案中，沒有合理處理變頻器輸出含有高次諧波及直流分量問題，導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行不理想；有些中壓電機(jī)為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，或較高的起動轉(zhuǎn)矩和加速轉(zhuǎn)矩，并非所有的中壓變頻器都能適用，由于選擇不當(dāng)造成設(shè)備長期處于故障狀態(tài)，既影響生產(chǎn)也造成投資浪費(fèi)，這方面也有教訓(xùn)：無論在新的工程項目還是在技改項目中采用中壓變頻器時應(yīng)綜合考慮供貨商的技術(shù)方案、解決工程問題的能力、售后服務(wù)質(zhì)量等，在選擇時應(yīng)做較長期的考慮，要考慮幾年后的發(fā)展，因設(shè)備的運(yùn)行是長期的。從近二十年低壓變頻器的應(yīng)用和實踐可以得出結(jié)論，銷售業(yè)績好的公司都十分重視售后服務(wù)，都建立了24小時服務(wù)體系。

隨著高壓IGBT、IGCT等電力電子器件的開發(fā)和應(yīng)用，中壓變頻器也得到了迅速發(fā)展。新器件的采用將使中壓變頻器的結(jié)構(gòu)更加簡單可靠。對于6kV中壓電機(jī)，有直接采用高壓變頻器的，如西門子MV系列中壓變頻器，已在國內(nèi)取得眾多的業(yè)績。由于國內(nèi)供配電與國外的差異，用戶應(yīng)根據(jù)具體負(fù)載情況選擇最佳方案以獲得最佳的經(jīng)濟(jì)效益。在6kV中壓電機(jī)的變頻器改造過程中，可將Y接起動的6kV電機(jī)改為Δ接法，電壓由6kV降為3?47kV，這和國際上通行的3?3kV中壓變頻器接近，其綜合了負(fù)載實際情況和電壓源型變頻器對原有電機(jī)絕緣等級的要求，可獲得合理的性能價格比；若將6kV電機(jī)改成較低的中壓如2?13kV、3?3kV、4?16kV或低壓如690V而選擇對應(yīng)的中、低壓變頻器，這也是較為經(jīng)濟(jì)的方案，因國外廠商在這方面已有多年的應(yīng)用經(jīng)驗和業(yè)績并且是標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，成本較低。為滿足國內(nèi)用戶的要求，西門子公司將在國內(nèi)生產(chǎn)多種規(guī)格的中低壓電機(jī)以適應(yīng)驅(qū)動系統(tǒng)的配套，這些方案將適合于同步電機(jī)和異步電機(jī)的各種負(fù)載情況。

4結(jié)論

采用高壓IGBT開發(fā)的中壓變頻器以其動態(tài)性能好、可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單而獲得了大量應(yīng)用，高壓IGBT、IGCT的開發(fā)和應(yīng)用將使中壓變頻器獲得更好的性能價格比。西門子公司采用高壓IGBT、三電平技術(shù)開發(fā)的SIMOVERTMV電壓源型中壓變頻器可滿足各類中壓電機(jī)負(fù)載的要求。為降低成本，獲得更高的動態(tài)性能和可靠性，6kV中壓電機(jī)變頻驅(qū)動系統(tǒng)改造有多種方案可供選擇。中壓變頻器的研制、開發(fā)和應(yīng)用應(yīng)結(jié)合國內(nèi)外供配電的實際情況，緊跟電力電子器件如高壓IGBT、IGCT開發(fā)及應(yīng)用、微電子技術(shù)和控制理論的發(fā)展等，從而無論在開發(fā)還是在應(yīng)用過程中都能獲得最優(yōu)效果。