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高可靠性高压变频装置的特点和应用

2014-06-12 20:57:57      点击:
开关柜无线测温讯:

进行高压电念头的变频调速改造,可下降能耗。可是,由于高压电念头一般容量较年夜,使用处合重要,是以对变频器的靠得住性要求较高。文章分析了高压变频的靠得住性要求,重点论述了单元串联多电平方式的高压变频器的靠得住性及其实现方式.和为到达高靠得住性所接纳的技术措施,并对高、低压变频器的靠得住性进行了比力。文章同时对高压变频器的节能效果,和选用时的注重事项作了介绍。


1 概述


我国高压电念头总容量在1.5亿kW 以上(不包括低压电念头),年夜部门为风机泵类负载。笼盖电力、石油、化工、冶金、制造、环保、市政等行业,其耗电量占全国总用电量的25 左右。由于设计余量较年夜、系统负荷波动年夜等缘由,运行中不能不对风机或泵的流量进行调理。由于技术或工艺的限制,这类调理年夜多为节省调理,能耗浪费严重,系统效率低。


进行高压电念头的变频调速改造,可以下降系统能耗,优化系统的整体性能,为企业赢得可观的经济效益。同时可以勤俭资本,削减情况污染,优化工作情况等,具有很好的社会效益。另外,由于高压电念头一般都容量年夜,使用处合重要,系统故障时酿成的损失很是年夜,如火力发电厂的风机装备,故障后引发的直接损失将会达数十万元,间接损失可能加倍严重,是以对靠得住性的要求也就更高。


变频调速是经由过程改变电念头供电电源的频率来改变交流电念头转速的一种调速方式,因其调速范围年夜、调速平滑性高、性能优良而获得普遍运用。变频调速的运用主要体现在两个方面。


(1)工艺需要:生产工艺需要高性能的调速,用其他方式要末不容易实现,要末调速性能达不到工艺要求,是以需要使用变频调速来知足工艺要求。这类变频器对换速性能要求较高,主要运用在轧钢、造纸、机车驱动、纺织和印刷等行业。


(2)节能需要:主要针对风机、水泵类变转矩负载,经由过程变频调速调理流量比经由过程其他方式进行流量调理能够节省年夜量电能,实现节能降耗。这类变频器对换速性能要求较低,主要运用在电力、冶金、矿山、石化、市政等行业的风机、水泵类负载流量调理。


低压变频器市场运用普遍,国内外品牌众多,用户也普遍接受。而在高压变频器领域,高性能的变频器主要被进口品牌所垄断。在节能型高压变频器领域,则显现出国内外品牌并举的局面。变频器的逆变功率元件主要采用尽缘栅门控双极晶体管(IGBT),其产物结构主要有三电平方式、元器件直接串联两电平方式、单元串联多电平方式等。单元串联多电平方式的高压变频器因其有诸多优点逐渐被用户接受,成了节能型高压变频器的主流方式,在节能领域正在被普遍运用。


高压变频的运用可以带来庞大的经济效益,本应获得普遍的推行运用,可是广年夜用户对其靠得住性信心不足,是以需要我们对高压变频的靠得住性进行认真的探讨。


2 高压变频的靠得住性要求


对高压变频的靠得住性,除要求高压变频自身的质量靠得住之外,还需要其具有应对电网异常工况、对电念头的正常运行无附加影响、应对局部故障的能力及运用维护利便等性能。


(1)应对电网电压的异常波动


电网电压的异常波动凡是有两种情况,一种是由于毗连在高压电网上的年夜负载启动时引发的电网电压瞬时跌落,另外一种情况是母线间的快速切换。在工频运行时,因电念头自己具有较强的抗异常电压波动能力,是以对电念头的运行其实不会发生很年夜的影响。采用高压变频后,由于高压变频器的过流能力较小,这就要求高压变频具有应对这类电网电压异常波动的能力,具体来说就是输进电源的允许波动范围要年夜,一般要求最低电压可达8O 的额定电压,甚至7O 的额定电压;对母线快速切换的情况,要求高压变频能够在电念头旋转的情况下快速恢复输出,尽量减小电念头转速下降对系统的扰动。


(2)高压变频装配谐波对电念头的影响普通异步高压电念头都是依照工频电源的工况进行设计,正常工频电源的谐波很小,dv/dt的值也很小。为了顺应普通电念头的运行工况要求,要求高压变频器接纳措施使输出的电压电流谐波小、dv/dt小,减小电念头因谐波酿成的发烧及尽缘影响。


(3)高压变频器自己的靠得住性问题


高压变频产物的整系统统复杂,运用场所重要,是以对产物的靠得住性要求也高,同时要求产物自身具有应对局部故障的能力,以保障产物泛起局部偶然故障时不至于突然跳机,扩年夜故障影响范围。这就要求高压变频产物采用冗余设计,允许局部故障而不会遏制运行。


高压变频的产物现在主要有3种方式,即元器件串联方式、三电平方式及单元串联多电平方式。前两种方式的高压变频产物因主电路拓扑结构的缘由,很难实现冗余设计。单元串联多电平方式的高压变频产物容易实现冗余设计,允许某个单元泛起故障时继续运行。若是能够实现故障单元的在线维护或更换,即高压变频产物在不遏制运行的情况下破除故障,产物的靠得住性将年夜年夜提高。


单元串联多电平方式的高压变频器主要由3部门组成,主回路的输进端是一个移相整流变压器,它给每一个逆变单元提供一个自力的电源。每一个逆变单元均是一个三订交流输进、单订交流输出的低压变频器,数个逆变单元的交流输出依次串联,形成单相的高压输出,由3组这样的逆变单元组形成了三相高压逆变电源。这3组单元的其中一端短接形成三相电源Y型接法的中性点,另外一端形成了高压电源的输出端;所有的单元由一个主控制器协调工作,同时实现变频器和外部装备的接口。单元串联多电平方式高压变频器的电路示意图如图1所示。



单元串联多电平方式的高压变频器怪异的电路拓扑结构使其具有许多优点:


1)主回路中心不存在低压年夜电流环节,实现了直接的高一高变频。


2)每一个单元都是一个低压的变频单元,元器件耐压要求低,避免了功率元器件的串联,电路简单、技术成熟靠得住。


3)每相中各个逆变单元的输出采用移相式脉宽调制(PWM)技术,使相电压实现了多个电平叠加,电压很是接近正弦波,输出电压谐波很小,不会使电念头因谐波发生附加发烧和转矩脉动,可以适用于普通异步电念头。


4)输进侧的移相变压器可以使整个变频器实现多脉波整流,减小输进电流谐波对供电电网的谐波污染,不需要接纳其他措施即可知足国标对谐波的要求。


5)输出电压每一个电平台阶年夜小仅为单元直流母线电压,所以dv/dt很小,可以实现输出电缆的长距离传输。


6)逆变单元之间容易实现冗余设计,局部故障时可以继续运行。如某一相的某个功率单元因故障退出运行,则此功率单元将自动旁路,变频器仍可继续运行,此时此相的输出由其余功率单元承当,接纳自动平衡技术后,整个装配的输出仍可到达三相平衡。


7)所有的功率单元都完全一样,便于进行模块化设计。


8)经由过程其他一些设计措施,整个变频器还可以实现在线更换、单元自动投进等其他靠得住性功能。正是由于单元串联多电平方式的高压变频用具有这些特点,国内外许多厂家都进行此类产物的开发研究,推出了各类品牌的产物,市场上运用也比力多,已被用户认可。


(4)若何用好高压变频


高压变频产物除需要装备靠得住性高之外,还需要维护利便,便于用户使用。高压变频产物是一种电子产物,电子产物要求运行温度不跨越允许范围,这就要求产物的冷却系统平安靠得住,维护利便。


3 单元串联多电平方式高压变频器的控制方式


单元串联多电平方式高压变频器的控制方式主要有两种:单处置器方式和多处置器方式。


单处置器方式是指整个变频器的运行全数靠一个主控制处置器来实现;多处置器方式是指变频器的每一个单元和主控制器均有自己自力的处置器,单元之间完全自力,主控制器经由过程通讯协调所有单元协调工作。


单处置器方式下,主控制处置器发生所有单元的脉冲,经过光纤通讯传输至各个单元,每一个单元自己进行脉冲分配,控制各个功率元件(通常为IGBT);单元对自身的状态进行检测。经由过程光纤传送给主控制器进行处置,处置成效再经由过程光纤传输至单元进行响应的动作;同时主控制器还要完成外部接口的工作。一般情况下,主控制器采用多级中断划分处置分歧优先品级的工作,要求各个中断的时序清晰,使命明确。主控制器和单元之间要求通讯速度快,靠得住性要求高。


多处置器方式下,各个单元自己完成自身的脉冲发生及分配,控制本单元的功率元件;经由过程光纤传输接受主控制器的指令,进行响应的动作;同时检测本单元的状态进行判断,实现各类庇护直至单元退出,并将单元状态经由过程光纤传送至主控制器,以便主控制器进行所有单元的协调工作。主控制器主要完成所有单元的协调,经由过程指令使各个单元进行响应的动作,同时完成外部接口的工作。单元处置器承当了发生波形及庇护的主要工作,主控制器的使命简单,单元和主控制器之间的通讯速度不要求很高,而且可以进行通讯容错设计,靠得住性年夜年夜提高。


单处置器方式和多处置器方式各具特点,现就以下几个方面进行一下比力。