IGBT直接串联高压变频器

IGBT直接串联高压变频器成都佳灵电气集团2005年04月26日主讲：张时东第一篇变频产业现状及发展趋势21世纪全球经济发展过程中，有两条显著的相互交织的主线：能源与环境。能源的紧张不仅制约了相当多发展中国家的经济增长，也为许多发达国家带来了相当大的问题。能源集中的地方也往往成为全世界所关注的热点地区。而能源的开发与利用又对环境的保护有着重大影响。全球变暖、酸雨等一系列环境灾难都与能源的开发和利用有着密切的关系。1.变频产业的现状资料表明，受资金、技术、能源价格等因素的影响，中国能源利用效率比发达国家低很多。90年代，中国高耗能产品的耗能量一般比发达国家高12%－55%，，能源系统总效率为9.3%，只及发达国家的50%左右。单位GNP能耗（以中国为1，与西方国家作对比）中国瑞士意大利日本法国德国英国美国10.070.090.090.110.120.140.221.变频产业的现状对能源的有效利用在我国已经非常迫切。作为能源消耗大户之一的电机在节能方面是大有潜力可挖的。我国电机的总装机容量已达4亿千瓦，年耗电量达6000亿千瓦时，约占工业耗电量的80%。我国在用电机拖动系统的总体装备水平仅相当于发达国家60年代水平。因此，在国家十·五计划中，电机系统节能方面的投入将高达500亿元左右。2004年总销售额估计为100亿，由此预计每年市场容量增长在30%以上，市场空间巨大，前景看好。1.变频产业的现状工业生产中大量应用的风机、泵类等需要进行流量调节控制的电力拖动系统中保留交流电动机的恒速拖动，大多采用挡板和阀门来调节风速、流量、压力等。这种方法不但增加了系统的复杂性，也造成了能源大量浪费。因此，人们一直希望能够采用交流电动机调速系统来取代直流电动机调速系统，并进行了大量的研究开发工作。2.变频发展的趋势多年来已研制出多种交流电动机调速装置，如：定子调压调速变极调速滑差调速电磁耦合器调速串级调速整流子电机调速这些调速系统的研制成功虽然取得了一定的成果，但仍存在着调速范围窄、损耗仍偏大、功率因数低、适用负载面窄等缺点，限制了这些交流调速系统的应用。2.变频发展的趋势2.变频发展的趋势随着电力电子技术、微电子技术及控制理论的发展，作为交流调速中心的变频调速技术得到了显著的发展，并广泛地应用于工业生产的各项领域。与传统的交流拖动系统相比，变频调速系统有许多突出的优点。1）节能变频器容易实现对现有的交流电机进行调速控制。在工业中，发电厂、冶金、石油、化工、机械、电子、建材、纺织、轻工等许多行业大量存在需要电机变速及软起动的场合。根据全国第三次工业普查公布的统计数字，我国风机水泵压缩机类通用机械总装机容量为1.6亿kW，占全国耗电总量的1/3，占工业用电量的40%，在国民经济中举足轻重，节能潜力很大。2.变频发展的趋势1998年1月1日我国实施的《节约能源法》第四章第三十九条(二)款明文规定：‘逐步实现电动机、风机、泵类设备和系统的经济运行，发展电机调速的电力电子技术……提高电能利用率”。近几年的实践证明：通过变频调速来取代利用阀门，挡板控制，节电效果明显，特别是对于中大容量交流电动机拖动的风机、泵类系统(300kW以上)，若采用变频调速，节电效果更加明显，而且投资回收期短，一般为1～2年。变频调速已成为节能的重要手段和重大措施。2.变频发展的趋势2）调速范围大而且连续变频调速系统通过连续改变变频器输出频率来实现转速的连续变化，使电动机工作在转差较小的范围，电动机的调速范围较宽，运行效率也明显提高。一般来说，通用变频器的调速范围可达1:10以上，而高性能矢量控制变频器调速范围可达1:10000。2.变频发展的趋势3）容易实现正、反转切换和构成自动控制系统在电网电压下运行的交流电动机进行正、反转切换时，只需改变相序即可实现。如果在电动机尚处高速时就进行相序切换，电动机内将会产生较大的冲击电流，甚至有烧毁电机的危险。而在变频调速系统中可以通过改变变频器输出频率先使电动机降至低速，再进行相序切换。这样切换电流可以比较小，电动机的功耗和发热也都减小了许多。另外变频器具有标准的计算机通讯接口同其它设备一起构成自动控制系统。2.变频发展的趋势4）起动电流小，可用于频繁起动和制动场合异步电动机直接起动的起动电流通常为额定电流的5～6倍，电机损耗较大，所需电源容量也很大，因此不宜频繁起、停。采用变频器对异步电动机进行驱动时，可以将变频器的输出频率降至很低时起动，电动机的起动电流很小，因而变频器输入端要求电源配置的配电容量也可以相应减小。2.变频发展的趋势另外它还可以采用变频器来实现电气制动。制动时变频器的输出频率先逐步减小，负载所存储的机械能将转换为电能回馈到变频器，通过一定的制动回路将这部分能量或者以热能形式消耗掉，或者回馈给电网。因此变频器驱动交流电机调速系统可以工作在频繁起动和制动场合。2.变频发展的趋势5）结构简单、运行安全可靠变频调速系统中异步电机结构简单、坚固耐用，而且通常不需再用齿轮箱等其他变速装置，保养维修都比较简单，可根据工作环境的不同，选择不同的异步电机，而变频器通常不需改变。因此，变频调速系统能应用于易燃、易爆、腐蚀等恶劣环境中。2.变频发展的趋势6）企业投资变频调速系统的成本-利润分析。财政部、国家税务总局颁布并从1999年7月1日起实行的《技术改造国产设备投资抵免企业所得税暂行办法》第二条明确规定：“凡在我国境内投资于符合国家产业政策的技术改造项目的企业，其项目所需国产设备投资的40％可从企业技术改造项目设备购置当年比前一年新增的企业所得税中抵免。”所以使用国产变频调速设备，会获得国家产业政策有力支持，具有良好的性能/价格比，能在较短时间回收投资。2.变频发展的趋势鉴于以上所列出的变频调速的部分优点，在交流电机的调速技术中，变频调速是应用最大、效率最高的。交流变频调速是当代电力电子、微电子、自动控制、传感器、电机等多种先进技术集成起来的一项高新技术。近二十年的理论发展和应用实践表明，它的调速性能好、节能明显，是电气传动的发展方向；它的应用面宽，为企业节能降耗、提高产品质量和生产效率、最终提高经济效益提供了技术的和物质的手段。2.变频发展的趋势变频调速装置在我国的应用有了突飞猛进的发展。由于变频调速在频率范围、动态响应、调速精度、低频转矩、转差补偿、通讯功能、智能控制、功率因数、工作效率、使用方便等方面是以往的交流调速方式无法比拟的。它以体积小、重量轻、通用性强、拖动领域宽、保护功能完善、可靠性高、操作简便等优点，深受钢铁、冶金、矿山、石油、石化、化工、医药、纺织、机械、电力、轻工、建材、造纸、印刷、卷烟、给排水等行业的欢迎，社会效益非常显著。2.变频发展的趋势目前，国内变频调速系统的研究非常活跃，产业化方面发展迅速。“成都佳灵”，从1986年第一台GTR国产商品化变频器，到2001年第一台IGBT直接串联高压变频器，近二十年来，自强不息，稳健经营，持续发展，在技术上不断创新，铸造了中国变频史上的22个第一，并拥有三十九项专利。“佳灵人”可谓是做到了变频产业国产化道路上的步步领先。2.变频发展的趋势小功率交流调速方面，由于“佳灵”小功率产品的规模效应，价格上、工艺上和技术上已敢与国外品牌抗衡。在高压大功率方面，国外公司又为“佳灵”留下了超越对手的巨大空间。首先，国外的电网电压等级一般为3kV，而我国的电网电压等级大多为6kV和10kV。其次，高压大功率交流调速系统无法进行大规模的批量生产，而国外的具有一定专业知识的劳动力成本较高。IGBT直接高压变频器就是在此情况下，应运而生的。2.变频发展的趋势第二篇“佳灵”高压变频器概述世界首创的电压源型IGBT直接串联高压变频器，国家重点技术创新项目，解决了高压IGBT模块直接串联的世界性难题，开辟了高压变频领域新纪元，具备世界领先水平。该产品利用当今成熟的低压变频技术，贯以最新控制理论，融入高速功率可关断器件直接串联技术、正弦波技术、抗共模电压技术、直接速度控制技术（DSC）于一体，使其成为无输入输出变压器、同容量产品中体积最小的真正的直接高-高变频器。概述“佳灵”高压变频器从1998年开始研制到2001年第一台成功的应用，为时三年。这期间，“佳灵”投入了大量的人力和物力，不断的创新和开拓，解决一个又一个难关，终于突破了“IGBT难以直接串联使用”的世界性难题。大量成功的应用证明：IGBT直接串联的中高压变频器，具有占地面积小、重量轻、系统效率高、可靠性高等同类产品无可比拟的优点。目前，“佳灵”高压变频器已经广泛应用于石油、化工、给排水、电力、冶金、建材、矿山等行业。1.“佳灵”高压变频器型号命名含义JCS：风机、水泵专用型，适用于变压力变流量的自动节能调速，过载能力位为120%/min，150%立即保护，间隔10分钟一次。JCP：一般机械传动调速用型，过载能力位为150%/min，200%立即保护。JCC：起重机、重型机械、轧机、电力机车适用型，（具有S形加减速、低速大转矩等特性负载）过载能力位为200%/min。高压变频器输出额定电压等级变频器适应电机功率（按4极电机计算）JCS(JCP/JCC)□k—□2.性能特点1）电压等级为3kV~10kV；2）功率器件选用西门子公司九十年代末推出的高压功率模块IGBT，直接串联使用；3）系统自带专门设计的高压开关柜，与本身高压变频器高效安全配套，并含变/工频切换装置和电子式真空断路器；4）全中文操作界面，基于Windows操作平台，彩色触摸屏，便于就地监控、设定参数、选择功能和调试；5）内置PLC可编程控制器，易于改变和扩展控制逻辑关系；2.性能特点6）高压主电路与低压控制电路采用光纤传输，安全隔离，使得系统抗干扰能力强；7）控制电路通讯方式采用全数字化通讯。简单、可靠；8）系统的整流单元、逆变单元设计，选用组合模块化积木结构，整机占地面积小、重量轻，便于安装、维护；9）系统控制采用专用的工业控制计算机，结合PLC可编程控制技术，使电动机在变频运行时变量调节的更平滑、稳定，使实时过程控制自动化程度高；10）装置可在本机上操作，也可实现远距离外控，具备完善、方便的操作功能选择；2.性能特点11）系统具有标准的计算机通讯接口RS232或RS422、RS485，可方便的与用户DCS系统或工控系统组态建立整个系统的工作站，进一步提高系统的自动化控制程度，实现整个工控系统的全闭环监控，从而获得更加完善的、可靠自动化运行；12）具备全面的故障监测、可靠的故障报警保护功能；13）输入功率因数高，输出电压谐波含量小，无需功率因数补偿和谐波抑制器；14）输出电压为标准正弦波形，对电缆和电动机的绝缘无损害，减轻电动机的轴承和叶片等机械部分震动和磨损，延长电动机的使用寿命，输出至电动机的线缆长度可达15km；15）采用独特的抗共模电压技术，使系统中共模电压满足MGI标准，无需再提高电动机的绝缘等级，无需专用电机；2.性能特点16）易于实现能量回馈和四象限运行；并可直接引出直流进行直流输电；17）适用于石油、化工、给排水、电力、冶金、建材、军事、矿山等行业的高压电动机变频节能运行系统。18）对用户的高压异步电动机无任何特殊要求。不但适用于新旧异步电动机，也适用于同步电动机。3.关键技术高速功率器件的串联技术高速功率可关断器件，特别是IGBT直接串联，有效解决了高速功率可关断器件的动静态均压、均流、同步开关断问题，使真正无输出、输入变压器的高压变频器成为现实。这大大提高了高压变频器的性能、效率，减小体积、重量等各项主要技术经济指标。目前，世界其它变频器厂家均未生产出IGBT直接串联的高压变频器。原因正如业内一些权威人士所言：“IGBT是不能串联的。因为开关时间短，微秒级，很难保证所有管子串联同时开关。否则有的早开，所有的电压都来加在晚开的管子上，那么这个1700V的管子加上6000V，只能烧掉，一烧一串，不可能串联。”3.关键技术这一世界性的难题已经被中国“成都佳灵”率先解决，从而使得人们对任意高电压大电流进行随意控制不再是梦想，高速功率器件串联技