第5章 高(中)压变频器

《变频器原理与应用(第2版）》第5章第5章高（中）压变频器5.1高（中）压变频器概述5.1.1高（中）压变频器的分类高（中）压变频器按主电路的结构方式分为交-交方式和交-直-交方式。5.1.2高（中）压变频调速系统的基本形式（1）直接高-高型直接高-高型（也有的称为直接中-中型）变频调速系统的电路结构如图5-2所示。图5-2直接高-高型变频调速系统《变频器原理与应用(第2版）》第5章（2）高-中型高-中型变频调速系统的电路结构如图5-3所示。图5-3高-中型变频调速系统（3）高-低-高型高-低-高型（有的也称为中-低-中型）变频调速系统的电路结构如图5-4所示。图5-4高-低-高型变频调速系统《变频器原理与应用(第2版）》第5章5.1.3高（中）压变频器的应用1．拖动风机或水泵2．压缩机、鼓风机、轧机或其它工作机械(1)可精确地调节速度或流量，保证工艺质量。(2)可直接与工作机械耦合，省去减速机等中间机械环节，减少投资和中间费用。(3)可接受计算机或PLC的模拟或数字信号，进行实时控制，且控制性能优越。3．要求起动性能好的机械实现“软”起动。电机速度从零开始起动：可使电机电流限制在规定值以下(一般在额定电流的1.5～2倍以内)，以选定的加速度平稳升速，直到指定速度。《变频器原理与应用(第2版）》第5章5.1.4高（中）压变频器的技术要求1.可靠性要求高2.对电网的电压波动容忍度大3.降低谐波对电网的影响4.改善功率因数5.抑制输出谐波成分6.抑制共模电压和du／dt的影响《变频器原理与应用(第2版）》第5章5.2高（中）压变频器的主电路结构5.2.1晶闸管电流型变频器图5-5晶闸管电流型变频器的主电路《变频器原理与应用(第2版）》第5章晶闸管电流型变频器采用晶闸管三相桥式整流电路将交流变为直流，然后再经晶闸管三相桥式逆变电路将直流变为频率可调的交流，将其输出以控制电机运行和调速。由于在它的直流母线上串联有平波电抗器，因此该变频器称为电流型变频器。《变频器原理与应用(第2版）》第5章5.2.2GTO电流型变频器GTO电流型变频器的主电路如图5-6所示。图5-6GTO电流型变频器的主电路《变频器原理与应用(第2版）》第5章图5-6电路中，变压器二次绕组采用Y和Δ不同联结组别，是为了获得互差60°的六相电压，既可以减少整流后的电压纹波，也可以降低电网的谐波。整流部分采用SCR器件，逆变部分采用了可关断晶闸管GTO，开关频率为180Hz。电路可以说是电流源和PWM技术的结合(简称“CSI-PWM技术”)。由于采用脉宽调制方式，输出谐波降低，滤波器可大大减小，但不能省去。实际使用中常加电容滤波器，为防止电容与电动机的电感在换向过程中产生谐振，其数值需仔细选择。《变频器原理与应用(第2版）》第5章5.2.31GBT并联多重化PWM电压型变频器图5-7所示为并联多重化PWM电压型变频器电路图。图5-7并联多重化PWM电压型变频器主电路《变频器原理与应用(第2版）》第5章图5-7采用二极管构成二组三相桥式整流电路，按12脉波组态，输出为二重式，每组由六个IGBT构成一个桥式逆变单元。输出滤波器用来去除PWM的调制波中的高频成分并减少du／dt、di／dt的影响，由于频率高，滤波器的体积很小。《变频器原理与应用(第2版）》第5章5.2.4三电平高（中）压变频器IGBT三电平高压变频器的主电路如图5-8所示。图5-8IGBT三电平高（中）压变频器的主电路《变频器原理与应用(第2版）》第5章图5-8中，变频器的整流部分由两个三相桥电路串联，输出12脉波的直流电压，大大减少了电网侧的谐波成分。同时，直流侧采用两个相同的电解电容串联滤波，在中间的连接处引出一条线与逆变电路中的钳位二极管相接，若将该节点视为参考点（电压为零），则加到逆变器的电平有三个：Ud、0、-Ud。所以逆变器部分是由IGBT和箝位二极管组成的三电平电压型逆变器。《变频器原理与应用(第2版）》第5章《变频器原理与应用(第2版）》第5章图5-10所示为三电平变频器输出相电压、相电流波形。图中阶梯形PWM波为电压波形，近似正弦波为电流波形(Ud为峰值电压)。这种变频器输出的线电压有5个电平，输出谐波小，du/dt小，使电动机电流波形的失真度从17%降低为2%左右。图5-10三电平变频器输出电压、电流波形《变频器原理与应用(第2版）》第5章5.2.5五电平高（中）压变频器图5-11为五电平逆变器主电路，其工作原理与三电平逆变器相似.图5-11五电平逆变器主电路《变频器原理与应用(第2版）》第5章这种结构的优点是：在器件耐压相同的条件下，能输出更高的交流电压，适合制造更高电压等级的变频器。缺点是：用单个逆变器难以控制有功功率传递，存在电容电压均压问题。《变频器原理与应用(第2版）》第5章5.2.6IGBT功率单元多级串联电压型变频器图5-13山东风光JD-BP37系列高压变频器的系统结构《变频器原理与应用(第2版）》第5章多级串联高（中）压变频器采用多级小功率低电压IGBT的PWM变频单元，分别进行整流、滤波、逆变，将其串联叠加起来得到高压三相变频输出。例如，对于6kV输出，每相采用6组低压IGBT功率单元，每个功率单元由一体化的输入隔离变压器二次侧绕组分别供电，二次绕组采用延边三角形接法，18个二次绕组分成三个位组，互差20°，实现输入多重化接法，可消除各功率单元产生的谐波。电源侧电压畸变率小于1.2％，电流畸变率小于0.8％，因此变频器对电网污染小。《变频器原理与应用(第2版）》第5章5．3高压变频器对电动机的影响及防治措施在高压变频器中，对电动机的影响起决定作用的是逆变器的电路结构和控制特性，逆变器主要通过输出谐波、输出电压变化率du／dt和共模电压来影响电动机的绝缘和使用寿命，这些因素产生的影响如表5-4所示。《变频器原理与应用(第2版）》第5章5.3.1输出谐波对电动机的影响及防治措施输出谐波对电动机的影响主要有谐波引起电动机的温升过高、转矩脉动和噪声增加，经常采用的防治措施一般有两种：一是设置输出滤波器；二是改变逆变器的结构或联接形式，以降低输出谐波。使其作用到电机上的输出波形接近正弦波。《变频器原理与应用(第2版）》第5章5.3.2输出电压变化率对电动机的影响及防治措施对于电压型变频器，当输出电压的变化率(du／dt)比较高时，会加速了电动机绝缘的老化。特别是当变频器与电动机之间的电缆距离比较长时．电缆上的分布电感和分布电容所产生的行波反射放大作用增大到一定程度，有时会击穿电动机的绝缘。经常采用的防治措施一般有两种：一是设置输出电压滤波器：二是降低输出电压的变化率。降低输出电压变化率的主要方法也有两种：一是降低输出电压每个台阶的幅值；二是降低逆变器功率器件的开关速度。在相同额定输出电压的情况下，逆变的输出电平数越多，输出电压的变化率就越低，通常是传统双电平输出电压的变化率的1/(m-1)倍，其中m是电平数目。《变频器原理与应用(第2版）》第5章5.3.3共模电压对电动机的影响及防治措施电动机定子绕组的中心点和地之间的电压UN-G称为共模电压(或称零序电压)。当没有输入变压器时．共模电压会直接施加到电动机上，导致电动机绕组绝缘击穿，影响电动机的使用寿命。当共模电压对地产生的高频漏电流经过电动机的轴承入地时，还会出现“电蚀”轴承现象，降低轴承的使用寿命。经常采用的防治措施是设置二次侧中点不接地的输入变压器，由输入变压器和电动机共同来承担共模电压。一般情况下，输入是1／10，那么约有90％的共模电压由输入变压器来承担。因此，对于电流型变频器，电动机的绝缘一定要足够强，否则容易发生因绝缘被击穿而烧毁输入变压器或电动机的后果。《变频器原理与应用(第2版）》第5章本章小结高（中）压变频器通常指电压等级在1kV以上的大容量变频器。高（中）压变频器按主电路的结构方式分为交-交方式和交-直-交方式。高（中）压变频调速系统的基本型式有直接高-高型、高-中型和高-低-高型等三种。高（中）压变频器的技术要求非常严格，在制造和应用时应予以特别关注。在冶金、钢铁、石油、化工、水处理等工矿企业中，大容量的电动机基本上都是中压和高压电动机，其消耗的能源占电机总能耗的70％以上，而且绝大部分都有调速的要求，因此，应用中压和高压变频调速对节能和企业整体效益有着重要意义。