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高壓變頻器

  • 高壓變頻器
變頻器是交流電氣傳動系統(tǒng)的一種,是將交流工頻電源轉(zhuǎn)換成電壓、頻率均可變的適合交流電機調(diào)速的電力電子變換裝置。中壓變頻器也經(jīng)常被被稱為高壓變頻器.常用的電壓等級為3kV,3.3kV,6kV,6.6kV

高壓變頻器的種類繁多,其分類方法也多種多樣。按著中間環(huán)節(jié)有無直流部分,可分為交交變頻器和交直交變頻器;按著直流部分的性質(zhì),可分為電流型和電壓型變頻器;按著有無中間低壓回路,可分為高高變頻器和高低高變頻器;按著輸出電平數(shù),可分為兩電平、三電平、五電平及多電平變頻器;按著電壓等級和用途,可分為通用變頻器和高壓變頻器;按著嵌位方式,可分為二極管嵌位型和電容嵌位型變頻器等等。

ontent">電流型變頻器

  由于在變頻器的直流環(huán)節(jié)采用了電感元件而得名,其優(yōu)點是具有四象限運行能力,能很方便地實現(xiàn)電機的制動功能。缺點是需要對逆變橋進行強迫換流,裝置結(jié)構(gòu)復雜,調(diào)整較為困難。另外,由于電網(wǎng)側(cè)采用可控硅移相整流,故輸入電流諧波較大,容量大時對電網(wǎng)會有一定的影響。

電壓型高壓變頻器

  由于在變頻器的直流環(huán)節(jié)采用了電容元件而得名,隨著技術(shù)的進步,高壓變頻器可以實現(xiàn)四象限運行,也能實現(xiàn)矢量控制,已經(jīng)成為當前傳動系統(tǒng)調(diào)速的主流產(chǎn)品。

高低高變頻器

  采用升降壓的辦法,將低壓或通用變頻器應用在中、高壓環(huán)境中而得名。原理是通過降壓變壓器,將電網(wǎng)電壓降到低壓變頻器額定或允許的電壓輸入范圍內(nèi),經(jīng)變頻器的變換形成頻率和幅度都可變的交流電,再經(jīng)過升壓變壓器變換成電機所需要的電壓等級。

  這種方式,由于采用標準的低壓變頻器,配合降壓,升壓變壓器,故可以任意匹配電網(wǎng)及電動機的電壓等級,容量小的時候(<500KW)改造成本較直接高壓變頻器低。缺點是升降壓變壓器體積大,比較笨重,頻率范圍易受變壓器的影響,還有就是由于引入了變壓器使得系統(tǒng)效率比較低。

一般高低高變頻器可分為電流型和電壓型兩種。

高低高電流型變頻器

  電路拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示,在低壓變頻器的直流環(huán)節(jié)由于采用了電感元件而得名。輸入側(cè)采用可控硅移相控制整流,控制電動機的電流,輸出側(cè)為強迫換流方式,控制電動機的頻率和相位。能夠?qū)崿F(xiàn)電機的四象限運行。

高低高電壓型變頻器

  前段引入降壓變壓器,將電網(wǎng)降壓,然后連接低壓變頻器。低壓變頻器輸入側(cè)可采用可控硅移相控制整流,也可以采用二極管三相橋直接整流,中間直流部分采用電容平波并儲能。逆變或變流電路常采用 IGBT元件,通過SPWM變換,即可得到頻率和幅度都可變的交流電,再經(jīng)升壓變壓器變換成電機所需要的電壓等級。需要指出的是,在變流電路至升壓變壓器之間還需要置入正弦波濾波器(F),否則升壓變壓器會因輸入諧波或dv/dt過大而發(fā)熱,或破壞繞組的絕緣。該正弦波濾波器成本很高,一般相當于低壓變頻器的1/3到1/2的價格。

高高變頻器

  高高變頻器無需升降壓變壓器,功率器件在電網(wǎng)與電動機之間直接構(gòu)建變換器。由于功率器件耐壓問題難于解決,目前最直接的做法是采用器件串聯(lián)的辦法來提高電壓等級,其缺點是需要解決器件均壓和緩沖難題,技術(shù)復雜,難度大。但這種變頻器由于沒有升降壓變壓器,故其效率較高低高方式的高,而且結(jié)構(gòu)比較緊湊。

  高高變頻器也可分為電流型和電壓型兩種。由于專利技術(shù)保護的原因,電流型的僅羅克韋爾一家,電壓型的僅成都佳靈一家。

高高電流型變頻器

  它采用GTO,SCR或IGCT元件串聯(lián)的辦法實現(xiàn)直接的高壓變頻,目前電壓可達10KV。由于直流環(huán)節(jié)使用了電感元件,其對電流不夠敏感,因此不容易發(fā)生過流故障,逆變器工作也很可靠,保護性能良好。其輸入側(cè)采用可控硅相控整流,輸入電流諧波較大。變頻裝置容量大時要考慮對電網(wǎng)的污染和對通信電子設備的干擾問題。均壓和緩沖電路,技術(shù)復雜,成本高。由于器件較多,裝置體積大,調(diào)整和維修都比較困難。逆變橋采用強迫換流,發(fā)熱量也比較大,需要解決器件的散熱問題。其優(yōu)點在于具有四象限運行能力,可以制動。

  需要特別說明的是,該類變頻器由于較低的輸入功率因數(shù)和較高的輸入輸出諧波,故需要在其輸入輸出側(cè)安裝高壓自愈電容。

高高電壓型變頻器

  電路結(jié)構(gòu)采用IGBT 直接串聯(lián)技術(shù),也叫直接器件串聯(lián)型高壓變頻器。其在直流環(huán)節(jié)使用高壓電容進行濾波和儲能,輸出電壓可達13.8KV,其優(yōu)點是可以采用較低耐壓的功率器件,串聯(lián)橋臂上的所有IGBT作用相同,能夠?qū)崿F(xiàn)互為備用,或者進行冗余設計。缺點是電平數(shù)較低,僅為兩電平,輸出電壓dV/dt也較大,需要采用特種電動機或加裝共模電壓濾波器和高壓正弦波濾波器,其成本會增加許多。由于它與低壓變頻器有著一樣的拓撲結(jié)構(gòu),因此它像低壓變頻器一樣具有四象限運行功能,也可以實現(xiàn)矢量控制。

  這種變頻器同樣需要解決器件的均壓問題,一般需特殊設計驅(qū)動電路和緩沖電路。對于IGBT驅(qū)動電路的延時也有極其苛刻的要求。一旦IGBT的開通、關(guān)閉的時間不一致,或者上升、下降沿的斜率相差太懸殊,均會造成功率器件的損壞.

嵌位型變頻器

  鉗位型變頻器一般可分為二極管鉗位型和電容鉗位型。

二極管嵌位型變頻器

  它既可以實現(xiàn)二極管中點嵌位,也可以實現(xiàn)三電平或更多電平的輸出,其技術(shù)難度較直接器件串聯(lián)型變頻器低。由于直流環(huán)節(jié)采用了電容元件,因此它仍屬于電壓型變頻器。這種變頻器需要設置輸入變壓器,它的作用是隔離與星角變換,能夠?qū)崿F(xiàn)12脈沖整流,并提供中間嵌位零電平。通過輔助二極管將IGBT等功率器件強行嵌位于中間零電平上,從而使IGBT兩端不會因過壓而燒毀,又實現(xiàn)了多電平的輸出。

  這種變頻器結(jié)構(gòu),輸出可以不安裝正弦波濾波器。但是由于采用了變壓器,成本上有所增加。

電容嵌位型變頻器

  它采用同橋臂增設懸浮電容的辦法實現(xiàn)了功率器件的嵌位,目前這種變頻器應用的比較少。

單元串聯(lián)型變頻器

  這是近幾年才發(fā)展起來的一種電路拓撲結(jié)構(gòu),它主要由輸入變壓器、功率單元和控制單元三大部分組成。采用模塊化設計,由于采用功率單元相互串聯(lián)的辦法解決了高壓的難題而得名,可直接驅(qū)動交流電動機,無需輸出變壓器,更不需要任何形式的濾波器。


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