交流變頻調(diào)速技術(shù)是現(xiàn)代化電氣傳動的主要發(fā)展方向之一,,它不僅調(diào)速性能優(yōu)越,而且節(jié)能效果良好,。實踐證明,,驅(qū)動風機、水泵的大,、中型籠型感應(yīng)電動機,,采用交流變頻調(diào)速技術(shù),,節(jié)能效果顯著,控制水平也大為提高,。
目前,,變頻調(diào)速技術(shù)已廣泛應(yīng)用于低壓(380V)電動機,但在中壓(3000V以上)電動機上卻一直沒有得到廣泛應(yīng)用,,造成這種情況的主要原因是目前在低壓變頻器中廣泛應(yīng)用的功率電子器件均為電壓型器件,,耐壓值基本都在1200-1800V,研制高壓變頻器難度較大,,為了攻克這一技術(shù)難題,,國內(nèi)外許多科研機構(gòu)及大公司都傾注大量人力物力進行研究,工業(yè)發(fā)達國家高壓變頻器技術(shù)已趨于成熟,,國外幾家著名電器公司都有高壓大容量變頻器產(chǎn)品,,典型的如美國A-B(羅克韋爾自動化公司所屬品牌)、歐洲的西門子公司,、ABB公司等,。這些公司產(chǎn)品的電壓一般為3-6.6kv,容量從250-4000kW,,所采用的技術(shù)也有很大差別,。
A-B從1990年研制成功并開始投入商業(yè)運行的變頻器主要采用CSI-PWM技術(shù),即電流源逆變-脈寬調(diào)制型變頻器,,采用電流開關(guān)器件,,無需升降壓變壓器即可以直接輸出6KV電壓,,分強制風冷和水冷型,,功率從300到18000馬力,至今已經(jīng)應(yīng)用于多個行業(yè)上千臺應(yīng)用記錄,。是最有影響力,,最為廣泛接受的中壓變頻技術(shù)。
美國羅賓康公司采用大量低壓電壓型開關(guān)器件,,配合特殊設(shè)計的多脈沖多次級抽頭輸出隔離整流變壓器,,同樣能夠?qū)崿F(xiàn)輸出端直接6千伏輸出,由于是大量低壓元件串接,,故被稱之為多極化電壓性解決方案,。
西門子公司和ABB公司分別采用中壓 IGBT和IGCT器件,是典型的電壓型變頻器,。器件耐壓等級為4160/3300V,,直接輸出電壓最高達3300V。所以國內(nèi)也有將此種方案稱為高中方案,,對應(yīng)的將6KV-6KV(如A-B方案)稱為高高方案,。
中壓變頻器的發(fā)展和廣泛應(yīng)用是最近十數(shù)年的事情,,相比之下低壓變頻器的應(yīng)用卻已經(jīng)有超過二十年的時間。在中壓變頻器大面積推廣應(yīng)用之前,,也出現(xiàn)了 另外一種方案,。即采用升降壓變壓器的“高-低-高”式變頻器,亦稱間接中壓變頻器,。 “高-低-高”式高壓變頻器,,即間接高壓變頻器裝置由輸入、輸出變壓器及低壓變頻器組成,。輸入變壓器為降壓變壓器,,它將高壓電源電壓降至變頻器所允許的范圍,經(jīng)低壓變頻器后,,再經(jīng)輸出變壓器升壓,,供給高壓電動機。由于這種系統(tǒng)技術(shù)難度相對小,,投資相對低,,所以在國內(nèi)一度應(yīng)用較為活躍。但是此方案由于兩次電壓變換增加了損耗,,影響了節(jié)能效果,,并且占地面積大,還產(chǎn)生大量的高次諧波,,有較明顯的缺陷,,在技術(shù)上有明顯的過渡性。所以一般認為適用于功率小于200kw的中壓電動機,。
相比之下,,“高-高”式高壓變頻器,即直接高壓變頻調(diào)速系統(tǒng),,一般由輸入側(cè)隔離變壓器和多個功率單元串聯(lián)組成,,由于省掉了輸出變壓器,因而減少了損耗,,提高了功率,,減少了占地面積,另外隨著開發(fā),、制造,、應(yīng)用和維護的日臻成熟,高高式中壓變頻器的產(chǎn)品日趨標準化,,成本不斷下降,,所以今天已經(jīng)成為中壓變頻應(yīng)用的首選方案。
總之,,不同于低壓變頻產(chǎn)品廠商眾多,,技術(shù)雷同的情況,,中壓產(chǎn)品主要供應(yīng)廠商的解決方案各不相同。其中核心差別在于所選用的器件類型不同,。相應(yīng)地系統(tǒng)配備(變壓器,、電抗器、濾波裝置等)都會有所差別,,系統(tǒng)的可靠性,、效率、諧波抑制效果(電力電子設(shè)備對電網(wǎng)端的影響)和馬達的友好性(電力電子設(shè)備到馬達的輸出端電流和電壓波形情況對馬達的影響),、熱損值,、故障模式都會有所差別。不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計又會使得散熱效果,、環(huán)境要求,、應(yīng)用友好性和系統(tǒng)可維護性存在諸多差別。
從商業(yè)應(yīng)用的角度考慮,,制造商產(chǎn)品研發(fā),、銷售、應(yīng)用和支持的經(jīng)驗,、在本地的業(yè)績,、經(jīng)驗以及支持能力也是考察的重要因素.
1) 中壓變頻高低高解決方案
對于功率相對較低的中壓負載,采用降壓變壓器將電網(wǎng)電壓降低,,經(jīng)由低壓變頻器,,再經(jīng)過升壓變頻器控制中壓電機。
• 優(yōu)點:
a) 系統(tǒng)初始投資相對高高變頻要低,;
b) 同樣不需要更換電機或者改變電機的接線方法,,電纜變動不大。
• 缺點:
c) 系統(tǒng)采用升壓-降壓兩個變壓器,,不僅使得系統(tǒng)占地面積大,,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,,可靠性降低(變壓器 是中壓變頻系統(tǒng)中較為薄弱的環(huán)節(jié),,更使得系統(tǒng)運行效率大大下降(約8-10%),影響節(jié)能效果,,系統(tǒng)總體擁有成本升高,。
d) 升壓變壓器必須能夠承受變頻器頻率輸出范圍的大幅變動,設(shè)計和制造水平要求較高,,一般需要進口,,為日后的技術(shù)支持和產(chǎn)品維護帶來一定的困難。另外一般的變壓器設(shè)計階段就已經(jīng)確定了最佳運行頻率,,應(yīng)用于變頻輸出升壓可能會引起系統(tǒng)整體性能的下降,。
e) 高低高方案中的低壓變頻器均為電壓源型,,本身輸出波形就不是很理想,高次諧波經(jīng)由升壓變壓器放大后對(老)電機發(fā)熱,、噪聲等都會帶來不利的影響,,縮短電機的使用壽命。尤其需要特別指出的是,,對于改造應(yīng)用,,許多用戶現(xiàn)有的電機都是B級絕緣的老式電機,如果發(fā)熱和溫升問題不能夠很好的解決,,將為系統(tǒng)的性能,、壽命、可靠性方面埋下隱患,。
f) 不同于高高變頻器等專門的中壓變頻設(shè)備,,高低高系統(tǒng)不能很好地解決系統(tǒng)進線端諧波對電網(wǎng)的污染問題,不符合相關(guān)的工業(yè)和國際標準(如IEEE 519諧波抑制指南,。
2) 高中變頻方案(三電平電壓型)
d) 此類方案標準輸入端整流一般采用 12 脈沖,,而要滿足國際上關(guān)于電網(wǎng) 諧波控制的基本要求(IEEE-5.19,1992)最低也要18脈沖整流變壓器。有的廠商采取提高整流變壓器阻抗的方法來解決這個問題(高達12%-14%),,這樣就影響了系統(tǒng)的效率,;因此,對于三電平技術(shù)方案,,要想徹底消除諧波隱患,,其電路結(jié)構(gòu)決定必須采用24脈沖整流。
e) 雖然高中方案較之高低高方案有了很大的進步,,但是由于電壓型器件只能單方向?qū)?,所以每一個基本單元必須使用成對反并聯(lián)的管子,而且采用中性點引出,,這樣并不能做到器件數(shù)量的最低化,,系統(tǒng)可靠性受到影響;
f) 由于電壓型器件開關(guān)頻率很高,,輸出波形中含有較多的高頻分量,,這樣的電源輸出質(zhì)量對于電機尤其是老式的電機損傷較為明顯,也容易埋下事故隱患,。高中方案為了解決這一問題通常會在輸出端加裝較大的LC濾波回路,,系統(tǒng)的效率變會受到影響。
總之,,高中方案較之高低高方案是技術(shù)上的一個重大的進步,,投資介于高低高和高高方案之間,但是相對來說,,受到器件發(fā)展水平的限制,,還不是成熟的解決方案,,尤其是當用戶電機為老式電機式,需要承擔一定的風險,。
3) 多重化電壓型方案(低壓變頻器串接疊加)
所謂多重化電壓型解決方案,,就是每相采用多個低壓IGBT低壓變頻器(630伏)串接疊加,達到高電壓輸出到電機的目的,。隔離變壓器的設(shè)計與其他方案不同,,變壓器的次級引出多個抽頭,每個抽頭引出630伏電壓向低壓IGBT器件提供饋電,。
• 優(yōu)點:
a) 由于直接可以輸出6千伏電壓,,較之高低高或者某些高中方案省掉了升壓變壓器,系統(tǒng)效率有所提高,。
b) 變壓器次級繞組抽頭的增加提高了隔離變壓器脈沖數(shù),,系統(tǒng)進線側(cè)消諧作用增強,對進線電源諧波污染小,,所以有些廠商提出的“完美無諧波”解決方案就是這樣的道理,。
• 缺點:
a) 該方案的最大缺點是系統(tǒng)特別復(fù)雜,犧牲了系統(tǒng)的可靠性和效率,。典型地,,其功率元件的總數(shù)量是CSI-PWM電流型解決方案的12倍,大量與之配套的電子熔絲,、電容器數(shù)量眾多,,給系統(tǒng)的可靠性、可維護性帶來較大的影響,。
b) 由于隔離變壓器制造工藝復(fù)雜,,其次級繞組抽頭的接線端子數(shù)量典型地是CSI-PWM電流型解決方案的9倍,所以一般廠商將變壓器與變頻器集成制造,,一般同樣需要進口,,而變壓器一般是中壓變頻系統(tǒng)較為薄弱的環(huán)節(jié),萬一出現(xiàn)故障,,用戶將很難在短時間內(nèi)恢復(fù),,對生產(chǎn)影響較大。
c) 由于變頻器柜內(nèi)器件數(shù)量十分龐大,,系統(tǒng)熱耗散加劇,,對冷卻系統(tǒng)和空調(diào)要求較高,,強制的風冷措施使得變頻器系統(tǒng)能耗增加,,效率降低。
d) “完美無諧波”以犧牲系統(tǒng)可靠性和效率為代價,,在滿足IEEE-519進線端諧波污染問題上,,并非最簡單的實現(xiàn)形式,。而且同所有電壓源型解決方案一樣,“完美無諧波”是指進線端諧波抑制,,出線端(針對電機的電壓電流輸出波形)并不是十分理想,,必須要加相應(yīng)的濾波回路,對老的電機(如B級絕緣)的適應(yīng)性和靈活性就不如電流源型解決方案,。另外,,這種方案無法實現(xiàn)停車時的能量回饋制動。
e) 許多多重化電壓型中壓變頻廠商的產(chǎn)品并非免維護設(shè)計,,如有些產(chǎn)品中使用的大量的電容器(超過200個),,每隔3-4年就修要更換一次,運行中可維護性相對較差,。
f) 受IGBT類器件的設(shè)計原理限制,,功率器件故障模式和中壓IGBT一樣會產(chǎn)生爆裂電弧,較為危險,,嚴重情況下可能造成變頻嚴重損毀以至被燒毀,,需要加以考慮。
g) 從上述論述中可知,,多重化電壓型中壓變頻解決方案系統(tǒng)總體運行效率要低一些,,運行成本支出不可忽視。