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中压变频手艺静态与市场瞻望

阅读次数: 日期:2013年4月23日 11:40

    交换变频调速技术发展至今已有30多年的汗青。由高压变频器组成的交换调速体系,因其技术上的不竭立异,使体系在机能上不竭地完美,并在电气传动范畴应战直流调速体系,已得到了普遍的使用。如今,中压变频手艺在发达国家曾经成熟,跟着新的电力电子器件的不竭呈现,新的变更手艺屡见不鲜,使得其获得愈加普遍的推行使用。中压大功率调速范畴接纳交换变频调速已是其开展的趋向。这是由于中压大功率(315kW以上)的交换调速体系无论是在机能上,仍是在价钱上都优于直流体系。中压变频手艺泛指3kV、6kV、10kV三个电压品级范畴的变频手艺。为实现对中压大功率交流电动机的变频调速,人们提出了多种拓扑构造,比力适用并已产物化的中压变频器,按其主接线可分为交—交变频和交—直—交变频两大类。而交—直—交变频又可分为中—低—中方法、中—低方法及中—中方法。按中央直流滤波环节的差别,在交—直—交变频领域中又可分为电流源型、三电平PWM电压源型(也称NeturalPointClamped中点嵌位)、单位串连多电平PWM电压源型。中压变频手艺的迅速发展是成立在电力电子技术的立异、电力电子器件及质料的开辟及器件制造工艺程度提高根底之上的,尤其是高压大容量GTO、IGBT、IGCT器件的胜利开辟,使中压大功率变频手艺得以迅速发展,机能日趋完美。

2中压变频手艺

21交—交变频

    交—交变频是晚期中压变频的次要情势,其事情道理决议了它只能事情在低频次(20Hz以下),顺应于低转速大容量的电动机负载。因其主电路开关器件处于天然关断形态,不存在自愿换流成绩,以是第一代电力电子器件——晶闸管就能完整满意它的要求。因为其手艺成熟,在海内开辟研制也最多,今朝在海内仍有必然的市场。 三相桥式交—交变频电路的每一相为反并联的可逆整流线路,只要掌握旌旗灯号按正弦纪律变革,就能够获得近似正弦的输出波形。因为交—交变频电路实质上就是可逆整流线路,因而在直流可逆传动中的有环流、无环流等掌握手艺都能够接纳。交—交变频操纵电网电压来换流,因而它的输出电压是由电网电压

中压变频手艺静态与市场瞻望

 

 


变频器主电路图

 

 


    若干段“拼集”起来的,普通最高输出频次只能是电网频次的1/3以下。

    交—交变频在其主接线中需求大量的晶闸管,故构造庞大,保护工作量较大,并因接纳移相掌握方法,功率因数较低,普通仅有0.6~0.7,并且谐波身分大,故需求无功抵偿和滤波安装,使得总的造价提高。因交—交变频接纳的手艺比力落伍,谐波身分大、功率因数低及调速范畴不宽等本身的缘故原由,在其开展中面对着新技术的应战,在中压大功率交换变频范畴有被裁减的趋向。

22交—直—交变频

    在中压变频范畴交—直—交变频有多种拓扑构造,如中—低—中方法,其实质上仍是高压变频,只不过是从电网和电动机两头来看是高压。因其存在着中央高压环节,故有着电流大、构造庞大、服从低、可靠性差等缺陷。该方法是中压变频技术发展中的一种由高压变频向中压变频过渡的方法。因为其开展较早,手艺也比力成熟,以是今朝仍有普遍的使用,德国西门子、英国西枝来克公司的中压变频以此种手艺为主。跟着中压变频手艺的开展,特别是新的大功率可关断器件的研制胜利,中—低—中方法因为其本身的缺陷,在此后的开展中有被逐渐裁减的趋向。而间接中压变频方法,因没有中央的高压环节,构造上有着宽广的发展前景。

    以IGCT为主电路器件的ACS1000型中—中变频器的主电路如图1所示。从图中能够看到IGCT既不串连也不并联,并用两只IGCT替代传统的快速熔断器,其开断速度为传统快熔的1000倍,其逆变器也是三电平电路。因为接纳IGCT,使该种构造的变频器的机能得以大幅度提高,IGCT在今朝中压间接变频范畴是最具有立异性和宽广发展前景的电力电子器件。

交—直—交变频中的中—中方法,固然具有消耗小、无降压与升压变压器等特性,但因为其发生大量的高次谐波,在使用中遭到必然的限定。单位串连多电平情势,因为它在谐波、服从和功率因数等方面的优势,在不要求四象限运转时有着较普遍的使用远景。而三电平掌握因为具有以下特性,将成为此后变频技术发展的次要趋向。

1)接纳三电平拓扑能有效地处理电力电子器件耐压不高的成绩,因为每个开关器件接受的关断电压仅为直流侧电压的一半,因而它适用于高电压大功率。

2)三电平拓扑单个桥能输出三种电平(+Ud/2、-Ud/2、0),线(相)电压有更多的门路来模仿正弦波,使得输出波形失真度削减,因而谐波大为削减。

3)多级电压门路波削减了du/dt,使对机电绕组绝缘打击减小。

4)三电平PWM办法把第一组谐波散布带移至2倍开关频次的频带区,操纵机电绕组电感能较好地抑止高次谐波对机电的影响。

5)三电平拓扑能发生3×3×3=27种空间电压矢量,较二电平大大增长,矢量的增加带来谐波消弭算法的自由度,可得到很好的输出波形。

3中压变频手艺静态

31多单位串连中压变频手艺

    国际上具有研制消费新型大功率中压变频安装才能的均是各大出名电气公司,诸如美国AB公司、罗槟康(ROBICON)公司和日本东芝公司等,并有抢占我国中压变频器市场的趋向。

近年来,国内外一些公司都在研制新型“无电网净化”的高压变频器。据报道,这类变频安装具有高功率因数、高效率、无谐波净化、无需公用机电等长处,在技术上以到达国际先进水平,其三相体系主电路构造如图2所示。三相高压电经移相变压器,由其副边每相的5个二次线圈将电压别离移相12°供应5个功率单位,各功率单位电路如图3所示。为通例交—直—交电压型逆变器,输入侧为三相全桥二极管整流,中央为电容滤波环节,输出侧为IGBT单相全控情势。即在A.B两点之间获得PWM波形,5个功率单位相叠加便可输出高电压正弦波给交换感到电动机。比方每一个功率单位接受电压为690V,5个单位串连后相电压为3450V,对应线电压为6000V。该安装在体系设想上接纳了多项先进技术。

 

 


图3大功率逆变器单位主电路结构图

 

 


图2三相体系主电路结构图

 

 


1)逆变器直流侧经由过程迂回变压器移相实现30脉波整流,理论上29次以下的谐波电流都能够消弭,使安装的谐波抑止才能大大增强,使电网侧电压与电流之间险些无相移,因而功率因数能够靠近于1。

2)接纳IGBT作为主电路的开关器件,能够提高开关频次,以减小电流和转距的脉动。

3)全数字化光纤掌握手艺的使用,掌握柔性和可靠性大大提高。

4)多级PWM输出波形天生手艺,单位逆变桥输出PWM波形以及5级移相叠加后获得的变频器输出电压显现电平台阶梯形逐级错开的幻想形态,实现了高质量的功率输出,大大削减了输出电压的du/dt对机电绕组的打击,在这类PWM掌握办法下,器件开关频次是机电绕组的等效开关频次的10倍,以较小的器件开关消耗实现了较高的机电运转机能。

5)功率单位尺度模块化,IGBT驱动电路智能化,并在功率单位电路设计中使用了功率母线手艺。体系有着完美的检测及庇护功用,并具有与PC机现场总线的尺度接口,接纳键盘操纵和大屏幕液晶汉显界面。

32支流器件

    中压变频手艺主电路拓扑构造是跟着电力电子器件的开展而不断发展的,晚期产物使用的晶闸管器件已处于逐渐被裁减的趋向。GTO具有高电压、大电流的发展潜力,但驱动(关断)电路庞大,影响可靠性,J3结特性很软,耐压很低的P—N结,若GTO未处于导通形态就持续对G—K地点的J3结施加强的负门极脉冲是很伤害的,因而在使用中GTO形态辨认和逻辑庇护是十分重要的。而接纳内部MOS构造关断的GTO,因工艺庞大,今朝未能实现大功率化。为实现可关断MOS构造的GTO,已开辟研制出把MOS构造置于GTO里面来辅佐关断的IGCT。IGCT适用于大电流(1000A以上)、低频次(1000Hz以下)的使用,因为其从研制消费到使用的一系列手艺遭到专利的庇护,在推行使用和器件合作中未能完整代替GTO。IGBT作为第三代电力电子器件,因其事情电压较低,在多电平级联式变频安装中有其宽广的发展前景。其作为主电路器件的中压变频安装具有改进输出电流波形,削减谐波对电网的净化及削减体系和电动机的电应力。IEGT是最为极新的电力电子器件,其汲取了IGBT和GTO二者的长处,称为“注入加强栅晶体管”,它是在沟槽型IGBT基础上,把部门沟道同P区相联使发射极区注入加强,使得IEGT具有高电压大电流和高的事情频次,使其更适合于高电压大功率、高频次的变频安装。

    今朝,使用在中压大功率变频范畴的电力电子器件,已构成GTO、IGCT、IGBT、IEGT互相合作不竭立异的场面,在大功率(1000kW),低频次(1000Hz)的传动范畴,如电力牵引机车范畴GTO、IGCT有着共同的优势,而在高载波频次、高斩波频次下IGBT、IEGT有着宽广的发展前景,在现阶段中压大功率变频范畴将由这四种电力电子器件组成其支流器件。

33支流构造

   今朝就中压大功率变频器的支流构造为中—中方法及其派生的情势。

1)电压源型中—中变频器电压源型中—中变频器由整流器和逆变器两部门构成,在逆变器的直流侧并有大电容,用来缓冲无功功率,当要求输出电压高于一般PWM电压源型变频器时,可采用三电平PWM方法,以制止器件串连的静态均压成绩,同时低落输出谐波和du/dt。三电平PWM方法整流电路接纳二极管,逆变部门功率器件接纳GTO、IGBT或IGCT。每一个桥臂虽由4个功率器件串连,可是不存在同时导通和关断以及由此惹起的静态均压成绩。因为输出相电压电平数增长到了3个,每一个电平的幅值降落,且提高了谐波消弭算法的自由度,可使输出波形比二电平PWM变频器有了较大的提高,输出du/dt也有所削减。若输入也接纳对称的PWM构造,能够做到体系功率因数可调,输入谐波也很低,且可四象限运转。为削减输出谐波和转距脉动,期望有较高的开关频次,但会招致变频器消耗增长,服从降落。三电平变频器输出若不设滤波器,普通需求特别电动机,若利用一般电动机应降额使用。

2)电流源型中—中变频器电流源型变频器的最大长处是电能能够回馈到电网,其构造决议由其组成的交换调速体系可实现四象限运转。因为输入侧接纳桥式晶闸管整流电路,输入电流的谐波较高,功率因数低,且跟着体系转速的降落而低落,另外,电流源型变频器还会发生较大的共模电压,若不接纳隔离变压器,其共模电压会影响电动机的绝缘。安装的输出电流谐波也较高,会惹起电动机的分外发热和转矩脉动,从而影响体系的静态目标。因为驱动功率、均压电路等牢固消耗较大,体系服从会跟着负载的低落而降落。接纳GTO作为逆变部门功率器件,能够经由过程PWM开关模式来实现消弭谐波电流,但体系遭到GTO开关频次上限的限定,普通掌握在几百Hz阁下,若整流电路接纳GTO作电流PWM掌握,能够获得较低的输入电流谐波和较高的输出功率因数,但会使体系构造庞大和本钱增长。

电流源型的开展稍晚于电压源型,在主电路方面电流源型与电压源型比力有三大差别。

①逆变器的直流侧接纳大电感L作为滤波元件,即直流电路具有较大的阻抗,因为L的感化,三相整流桥交换侧的输入电流为120°方波电流,一样三相逆变桥交换侧输出电流为120°方波的电流。因为L的感化,能有效地抑止毛病电流的上升率实现较幻想的庇护特性。 ②没有与逆变桥反向并联的反应二极管桥,这里整流桥和逆变桥的电流标的目的始终稳定,传动系统能量的再生能够经由过程整流桥和逆变桥的直流电压同时反向,将能量返送交流电网,因而可快速实现四象限运转,适用于频仍加减速和频仍启动的负载场合。

③逆变桥依托逆变桥内的电容器和负载电感的谐振来换流,简化了主电路。

34功率单位串连及多电平方法

     在中—中变频器的主电路构造中,若接纳若干个高压PWM变频功率单位串连的方法实现间接高压,单位串连的数目决议输出电压的品级,不存在着器件的均压成绩。逆变器部门接纳多电平移相式PWM手艺,统一相的功率单位输出不异的基波电压,但串连各单位的5对载波(每对含正反向旌旗灯号)之间相互错开36°,实现多电平PWM,每一个功率单位的IGBT开关频次为600Hz,若每相5个功率单位串连时,等效的输出相电压开关频次为6kHz,能够低落开关的消耗,提高变频器服从,此种构造的变频器可适用于任何一般的高压电念头,且没必要降额利用。固然接纳这类主电路拓扑构造会使器件的数目增长,但因为驱动功率降落,开关频次较低且没必要接纳均压电路,使体系在服从方面仍有较大的优势,普通可达97%。因为接纳模块化构造,所有功率单位能够交换,维修也比力便利。但因为接纳二极管整流电路,以是能量不能回馈电网,不能实现四象限运转,其应用领域遭到必然的限定。 35功率母线手艺

    在电力电子技术及使用安装向高频化开展的明天,体系中特别是连接线的寄生参数发生宏大的电应力,已成为要挟电力电子安装可靠性的主要身分。从直流储能电容至逆变器的器件之间的直流母线上的寄生电感在凡是的硬开关逆变器中,因为瞬时切换时的过电压,会使器件过热,以至偶然使逆变器失控并超越器件的额定安全事情区而破坏,限定了开关事情频次的提高。功率母线按其构造可分为以下几种:

1)电缆绞线电缆绞线是最常用的传统功率母线,价廉、浅易,但在IGBT逆变器中,因为电缆线的自感大,与园截面导线比拟,扁平母线的自感只要园导线的1/3~1/2,而所占的体积只要它的1/10~1/2。

2)印刷电路板印刷电路板母线次要用于小电流逆变器,但当母线直流电流到达150A时,要求电路板的复铜层很厚,造价太高,另外用来毗连多层导线板的穿孔不单占有较大的空间,并且会影响整机的可靠性。

3)裸铜板母线(平面并行母线)这是一种产业上普遍使用的IGBT模块馈电体系的传统母线情势,其缺陷是在于并行母线的互感较大。

4)支架式母线假如将正直流母线铜板安排在负直流母线板的上方,中央用一层薄绝缘材料离隔的办法来建造母线,因为磁场的互相抵消,能够最大限

    度地低落互感,但其工艺庞大,不宜规模化消费。

因为上述几种功率母线都存在着差别的缺陷,因而制约大功率变频器体积的小型化的历程,为此开辟研制出迭层功率母线。

5)迭层功率母线基于电磁场实际,把连线做成扁平截面,在一样截面下做得越薄越宽,它的寄生电感越小,相邻导线内流过相反的电流,其磁场抵消,也可使寄生电感减小,这就促使萌发迭层功率母线的思绪。所谓迭层功率母线是以又薄又宽的铜排情势迭放在一起,各层之间用很薄的高绝缘强度的质料热压成一体,全部母线极之间的间隔平均分歧,以削减互感,各层铜排都在所需求的端子位置处同其他层可靠绝缘地引出,使所具有差别电位的端子暴露在统一平面上,以便于把主电路中的所有器件与之相连。这类团体的迭层功率母线构造,可接受数百kg的切应力,其导电极之间可接受数kV的电压。利用迭层功率母线将IGBT和整流管等模块、散热器、电容器及栅极驱动电路组合在一起,迭层功率母线与器件之间的毗连是用差别的端子和插接件等来完成的,以使相连接时的打仗外表与母线之间的打仗电阻十分小,也使得寄生电感成数量级地减小,从而使Ldi/dt的过电压应力降至最低,包管电力电子安装事情在最好形态。

4市场分析

     我国发电量的50%~60%用于交流电动机,而容量在315kW以上的(其额定电压普通为3~10kV),电动机占电动机总装机容量的40%~50%。因为我国中压变频手艺仍没有构成产业化,落伍于外洋发达国家,因而这部门电动机在负载工况变革时,短少经济可靠的调速手腕,天天都在华侈着大量的电能,因而海内潜伏着宏大的中压大功率变频器市场。世界上各大出名的电气公司,如西门子、ABB、AB、AEG、东芝等,都在这一范畴睁开剧烈的合作,投入大量的人力、物力和财力,开辟研制高机能的产物,以抢占我国中压大功率变频器的市场。国家计委估计在此后十五年内,我国变频器总需求的投资额在500亿元以上,而此中60%~70%是中压大功率变频器。

我国的高压变频器市场有其特殊性,其利用情况、用户特性与外洋不同较大,归纳起来有以下几点:

1)行业性很强,次要集合在冶金、电力、供水、石油、化工、煤炭等行业。在产业用电中石油、煤炭等能源行业耗电占22.34%;化工占14.73%;冶金占14.18%;机器建材占10.96%;供水占10.53%。

2)上述行业中多数为国有近代企业,定购产物触及动力、方案、技术改造等部分,购置决议计划周期长。

3)一次性投资购置装备金额较大,若能接纳卖方信贷、租赁、节能效益还款等方法促销,会利用户更快领受。

4)各种负载工况差别大,利用经历相对少。

5)今朝天下各行业中,只要少数企业的高压机电利用了调速方法,市场空白点多。

6)当局举动和市场的不确定性。高压变频器属投资类装备,次要用于节能和改进生产工艺。用户能否购置此类装备与当局的政策导向干系很大。如当局推行力度较大,市场启动会快一些,反之则慢。另一方面市场还受国际、海内经济大环境的影响及海内用户(某些行业)团体经济效益黑白的影响。因而,在将来市场发展过程中仍存在着一些不确定的身分。

7)外洋跨国公司知名品牌产物大肆进入我国市场的可能性较大,各方应有所筹办。

    我们假如不能在这场合作中研制开发出自己的立异产物,并构成产业化消费范围,并加大推行使用力度,那么我们将把海内几百亿元的中压大功率变频器市场让给外洋各大电气公司,其结果是由外洋各大电气公司把持我国中压大功率变频器手艺及市场,当时我国在这一范畴的手艺和产物将是“万国型”。因而研制国产中压大功率变频器,就必需走产学研结合立异之路,才气构成产业化的范围。而要从技术创新走向财产胜利的路,并没有一个牢固模式和纪律让我们去遵照,而是需求在市场经济的合作中交叉、和谐,把人的聪慧、手艺、和社会的资金及产物在市场上的推行使用的网络有机地分离,构成技术创新、推行使用、网络服务,以此鞭策国产中压大功率变频器走向市场,并霸占市场构成全新的规模化的向阳财产。

所属种别: 媒体报道

该资讯的关键词为:冶金  电力  石油  化工  中压变频