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IGBT大功率高压变频技术的特点及应用

2012-11-20 11:42
汉水狂客
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1 引言

  按国际惯例和我国国家标准对电压等级的划分,对供电电压≥10kv时称高压,1kv~10kv时称中压。我们习惯上也把额定电压为6kv或3kv的电机称为“高压电机”。高压电动机在工矿企业中应用极为广泛,在冶金、钢铁、化工、水处理等行业中,用于拖动风机、泵类、压缩机及各种大型机械,其消耗的能源占电机总能耗的70%以上。由于相应额定电压1~10kv的变频器有着共同的特征,因此,我们把驱动1~10kv交流电动机的变频器称之为高压变频器。但目前我国的调速和起动方法仍很落后,浪费了大量的能源且造成机械寿命低。因此,推广应用高压变频调速及起动装置的效益和潜力是非常巨大的。

2 几种高压大功率变频器概述

  2.1 单元串联多重化电压源型高压变频器

  该系列高压变频器是利用低压单相变频器串联,解决功率器件igbt的耐压能力的不足。所谓多重化,就是每相由几个低压功率单元串联组成,各功率单元由一个多绕组的移相隔离变压器供电,用高速微处理器实现控制和以光导纤维隔离驱动。

  其缺点是:

  (1)使用的功率单元及功率器件数量太多,6kv系统要使用150只功率器件(90只二极管,60只igbt),装置的体积太大,重量大,安装位置和基建投资成问题;

  (2) 所需高压电缆太多,系统的内阻无形中增大,接线太多,故障点相应的增多;

  (3)一个单元损坏时,单元可旁路,但此时输出电压不平衡中心点的电压是浮动的,造成电压、电流不平衡,从而谐波也相应地增大,勉强运行时终究会导致电动机的损坏;

  (4) 输出电压波形在额定负载时尚好,低于25hz以下畸变突出;

  (5)由于系统中存在着变压器,系统效率再提高不容易实现;变压器铁芯的固有损耗,也影响了整个高压变频器的效率。这种情况在越低于额定负荷运行时,越是显著。

  2.2 箝位三电平pwm变频器

  该系列变频器采用传统的电压型变频器结构。其逆变部分采用传统的三电平方式,输出波形中会产生较大的谐波分量,这是三电平逆变方式所固有的。因此在变频器的输出侧须配置输出lc滤波器才能用于普通的鼠笼型电机。同样由于谐波的原因,电动机的功率因数、效率以至寿命都会受到一定的影响,在额定工况点能达到最佳的工作状态,但随着转速的下降,功率因数和效率都会相应降低。

  2.3 多电平+多重化高压变频器

  多电平+多重化高压变频器的本意是想解决高压igbt的耐压有限的问题,但此种方式,不仅增加了系统的复杂性,而且降低了多重化冗余性能好和三电平结构简单的优点。因此此类变频器实际上并不可取。

  2.4 电流源型高压变频器

  功率器件直接串联的电流源型高压变频器是在线路中串联大电感,再将scr(或gto、sgct等)开关速度较慢的功率器件直接串联而构成的。

  这种方式虽然使用功率器件少、易于控制电流,但没有真正解决高压功率器件的串联问题。因为即使功率器件出现故障,由于大电感的限流作用,di/dt受到限制,功率器件虽不易损坏,但带来的问题是对电网污染严重、功率因数低。电流源型高压变频器是最早的产品,但凡是电压型变频器到达的地方,它都被迫退出,因为在经济上、技术上,它都明显处于劣势。

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