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拖动电机用高压变频器相关问题探讨
内容简介:本文主要介绍了拖动电机用高压变频器研制过程中的一些关键技术问题,对于今后高压变频器发展具有一定帮助。
  0 引言
  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。在冶金、化工、电力、市政供水和采矿等行业广泛应用的泵类负载,占整个用电设备能耗的40%左右,电费在自来水厂甚至占制水成本的50%。这是因为:一方面,设备在设计时,通常都留有一定的余量;另一方面,由于工况的变化,需要泵机输出不同的流量。随着市场经济的发展和自动化,智能化程度的提高,采用高压变频器对泵类负载进行速度控制,不但对改进工艺、提高产品质量有好处,又是节能和设备经济运行的要求,是可持续发展的必然趋势。对泵类负载进行调速控制的好处甚多。从应用实例看,大多已取得了较好的效果(有的节能高达30%~40%),大幅度降低了自来水厂的制水成本,提高了自动化程度,且有利于泵机和管网的降压运行,减少了渗漏、爆管,可延长设备使用寿命。
  低压变频器已经取得企业界的认可,高压变频器市场正在启动,前景十分好。市场需求迅速增加。目前研制的用于风机水泵高压变频器已有多台正在正常运转,使用的是单元串联多电平电压源型变频器,适用于风机水泵,但不能用于传送带驱动、矿石粉碎机、轧机、挤压机、窑传动等重载启动的电机[1,2]。为了克服这种变频器不能用于重载启动电机的缺陷,本文主要探讨了拖动电机用高压变频器相关技术问题。
  1 方案选择
  主要技术指标是:
  10 000V,360kW,额定电流为26A,负载为窑传动,启动电流为150A。生产的用于风机、水泵电机的高压变频器用的是功率单元串联方案,效果很好,仍然选这种方案。其理由是:
  1)输出电平数多,因此输出波形特别好,能适合普通异步电动机,且不必降额使用;2)所需IGBT数量大。但对耐压要求不高,功率器件不存在均压问题;3)输入整流电路的脉冲数大,对电网污染小,功率因数高;4)功率单元数量大,这是个缺点,但结构完全一样,可以互换,这对生产、调试、留备用件等都来了很大方便;5)技术已经掌握,已有成功经验,可靠性有保证。
  2 技术重点
  重载启动电机的启动电流在低压启动时是正常运行电流的6倍~10倍,如果用正常的方法制作,虽可正常启动,但正常运行时设备会有很大的余量,是很大的浪费。
  我们采用的是串并转换技术,在启动时短时用四管并联.等电机开始转动,立即切换为双管并联,直到一定转速,转为全串联,完成启动。
  3 系统原理
  功率单元串并联结构,如图1所示,以每相12单元为例,图中只画出一相。图中1-12为功率单元,S1-S6为切换开关单元,其中S1-S3为单刀双掷单元,S4-S6为单刀单掷单元。
  
  
  
  3.1 电路结构
  1)功率单元
  线电压10 000V,相电压5 773V,每相由12个单元串联,每个单元的的输出为481V(有效值)。图1中1-12模块仍使用原来的设计。
  2)功率单元主电路
  功率单元主电路结构是典型的三相输入单相输出电路。
  切换开关s4-s6的主电路中,其中可控硅为开关元件,可调电阻为大功率低阻值在线可调电阻模块,用于在多管并联时调节各管的电流值,使各管的电流值尽可能一致。图1中在功率单元3、6、9、12的输出端附有高精度电流检测传感器,检测到的电流值隔离后送到协调控制模块,通过其中的高度单片机计算出电阻误差值,快速平滑地调节各电阻模块,达到均流的目的,据测量各功率单元电流的误差可控制在15%以内。
  切换开关S2-S3的主电路是两只双向可控硅一端相联的结构。S1的主电路中还有一只可调电阻模块。
  3.2 控制系统
  1)堆波技术采用功率单元串联实现高压变频器,控制方式一般有两种:
  (1)堆波方;(2)载波移相技术。堆波方法控制实现较简单,波形质量也比较好,功率器件开关次数少,开关损耗小,但它存在两个缺点:串联的各单元承担的功率不一致;变压器各付边绕组承担的功率不一致。载波移相技术可以得到良好的输出波形。它克服了堆渡方法的两个缺点,但功率器件开关次数较堆波方法多,开关损耗比较大。
  我们采用第一种方式,在主控制器上实现了各功率单元的选通信号定期轮换,串联的各单元承担的平均功率相等,隔离变压器的各付边绕组承担的平均功率也都相等,各个单元的结构与控制电路也都完全相同。这样即不增加损耗,叉克服了堆渡方式固有的缺点;
  2)检测到的开关信号隔离后传到电流同步模块,这四个模块通过光纤通讯,相互协调,使四模块的开通和关断时间误差控制在200ns以下,尽量使四模块同时开通和关断,达到同步的目的:这里关键是电流脉冲的上升和下降沿的检测精度,以及解决好单片机的抗干扰问题;
  3)控制信号的传输。为了系统的可靠性,防止大电压和大电流跳变对控制信号的干扰,控制信号采用光纤传输。各单元的控制信号是多通道并行传输,减少信号的中间处理环节,效果很好;
  4)启动完成后,可调电阻模块、协调控制模块、电流同步控制模块及三个电流检测传感器在上位机的控制下退出工作。每相只留一个电流传感器工作,用于对电机工作状态的检测控制。
  4 结论
  1)原理正确,结构合理;
  2)电流同步模块单片机软件运行良好,功能基本齐全。电路设计合理,满足了电流同步的要求;
  3)可调电阻模块电路设计巧妙,能及时调节阻值且调节平滑,很好地达到了均流的目的。
  参考文献
  [1]张选正,倪芳国产3~10kV中高压变频器主电路现状及改进措施[J].电机与控制应用,2011,38(6).
  [2]毛承雄,李维波,陆继明,等.高压变频器共模电压仿真研究[J].中国电机工程学报,2003,23(9).
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