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高压大功率变频器的研制及应用

2013-02-26 11:22
络遇
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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%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。

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