高壓大功率變頻器在鋼鐵廠的應(yīng)用

按國(guó)際慣例和我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電壓等級(jí)的劃分，對(duì)供電電壓≥10kV時(shí)稱高壓，1kV～10kV時(shí)稱中壓。我們習(xí)慣上也把額定電壓為6kV或3kV的電機(jī)稱為“高壓電機(jī)”。高壓電動(dòng)機(jī)在工礦企業(yè)中應(yīng)用極為廣泛，在冶金、鋼鐵、化工、水處理等行業(yè)中，用于拖動(dòng)風(fēng)機(jī)、泵類、壓縮機(jī)及各種大型機(jī)械，其消耗的能源占電機(jī)總能耗的70％以上。由于相應(yīng)額定電壓1～10kV的變頻器有著共同的特征，因此，我們把驅(qū)動(dòng)1～10kV交流電動(dòng)機(jī)的變頻器稱之為高壓變頻器。但目前我國(guó)的調(diào)速和起動(dòng)方法仍很落后，浪費(fèi)了大量的能源且造成機(jī)械壽命低。因此，推廣應(yīng)用高壓變頻調(diào)速及起動(dòng)裝置的效益和潛力是非常巨大的。

2 幾種高壓大功率變頻器概述

2.1 單元串聯(lián)多重化電壓源型高壓變頻器

該系列高壓變頻器是利用低壓?jiǎn)蜗嘧冾l器串聯(lián)，解決功率器件IGBT的耐壓能力的不足。所謂多重化，就是每相由幾個(gè)低壓功率單元串聯(lián)組成，各功率單元由一個(gè)多繞組的移相隔離變壓器供電，用高速微處理器實(shí)現(xiàn)控制和以光導(dǎo)纖維隔離驅(qū)動(dòng)。

其缺點(diǎn)是:

（1） 使用的功率單元及功率器件數(shù)量太多，6kV系統(tǒng)要使用150只功率器件（90只二極管，60只IGBT），裝置的體積太大，重量大，安裝位置和基建投資也成問(wèn)題;
（2） 所需高壓電纜太多, 系統(tǒng)的內(nèi)阻無(wú)形中增大, 接線太多，故障點(diǎn)相應(yīng)的增多;
（3） 一個(gè)單元損壞時(shí), 單元可旁路, 但此時(shí)輸出電壓不平衡中心點(diǎn)的電壓是浮動(dòng)的, 造成電壓、電流不平衡，從而諧波也相應(yīng)的增大, 勉強(qiáng)運(yùn)行時(shí)終究會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)的損壞;
（4） 輸出電壓波形在額定負(fù)載時(shí)尚好，低于25Hz以下畸變突出;
（5） 由于系統(tǒng)中存在著變壓器, 系統(tǒng)效率再提高不容易實(shí)現(xiàn);
（6） 變壓器鐵芯的固有損耗, 也影響了整個(gè)高壓變頻器的效率。這種情況在越低于額定負(fù)荷運(yùn)行時(shí), 越是顯著。

2.2 中性點(diǎn)箝位三電平PWM變頻器

該系列變頻器采用傳統(tǒng)的電壓型變頻器結(jié)構(gòu)。其逆變部分采用傳統(tǒng)的三電平方式，輸出波形中會(huì)產(chǎn)生較大的諧波分量，這是三電平逆變方式所固有的。因此在變頻器的輸出側(cè)須配置輸出LC濾波器才能用于普通的鼠籠型電機(jī)。同樣由于諧波的原因，電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)、效率以至壽命都會(huì)受到一定的影響，在額定工況點(diǎn)能達(dá)到最佳的工作狀態(tài)，但隨著轉(zhuǎn)速的下降，功率因數(shù)和效率都會(huì)相應(yīng)降低。

2.3 多電平+多重化高壓變頻器

多電平+多重化高壓變頻器的本意是想解決高壓IGBT的耐壓有限的問(wèn)題，但此種方式，不僅增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，而且降低了多重化冗余性能好和三電平結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。因此此類變頻器實(shí)際上并不可取。

2.4 電流源型高壓變頻器

功率器件直接串聯(lián)的電流源型高壓變頻器是在線路中串聯(lián)大電感，再將SCR（或GTO、SGCT等）開(kāi)關(guān)速度較慢的功率器件直接串聯(lián)而構(gòu)成的。

這種方式雖然使用功率器件少、易于控制電流，但沒(méi)有真正解決高壓功率器件的串聯(lián)問(wèn)題。因?yàn)榧词构β势骷霈F(xiàn)故障，由于大電感的限流作用，di/dt受到限制，功率器件雖不易損壞，但帶來(lái)的問(wèn)題是對(duì)電網(wǎng)污染嚴(yán)重、功率因數(shù)低。電流源型高壓變頻器是最早的產(chǎn)品，但凡是電壓型變頻器到達(dá)的地方，它都被迫退出，因?yàn)樵诮?jīng)濟(jì)上、技術(shù)上，它都明顯處于劣勢(shì)。

3 功率器件IGBT直接串聯(lián)的真正直接高壓

3.1 主電路簡(jiǎn)介

圖1中看出系統(tǒng)由電網(wǎng)高壓直接經(jīng)高壓斷路器進(jìn)入變頻器，經(jīng)過(guò)高壓二極管全橋整流、直流平波電抗器和電容濾波，再通過(guò)逆變器進(jìn)行逆變，加上正弦波濾波器，簡(jiǎn)單易行地實(shí)現(xiàn)高壓變頻輸出，直接供給高壓電動(dòng)機(jī)。

圖1 IGBT直接串聯(lián)高壓變頻器

功率器件IGBT直接串聯(lián)的二電平電壓型高壓變頻器是采用變頻器已有的成熟技術(shù)，應(yīng)用獨(dú)特而簡(jiǎn)單的控制技術(shù)成功設(shè)計(jì)出的一種無(wú)輸入輸出變壓器、IGBT直接串聯(lián)逆變、輸出效率達(dá)98%的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)。

對(duì)于需要快速制動(dòng)的場(chǎng)合，采用直流放電制動(dòng)裝置，如圖2所示。

圖2 具有直流放電制動(dòng)裝置的IGBT直接串聯(lián)高壓變頻器主電路圖

如果需要四象限運(yùn)行, 以及需要能量回饋的場(chǎng)合，或輸入電源側(cè)短路容量較小時(shí), 也可采用如圖3所示的PWM整流電路, 使輸入電流真正實(shí)現(xiàn)完美正弦波。

圖3 具備能量回饋和四象限運(yùn)行的IGBT直接串聯(lián)高壓變頻器主電路圖

現(xiàn)將 IGBT直接串聯(lián)高壓變頻器與以往幾種高壓變頻器的主要性能比較列于附表。

附表 IGBT直接串聯(lián)高壓變頻器與其它幾種高壓變頻器的主要性能比較表

3.2 IGBT直接串聯(lián)高壓變頻器技術(shù)介紹

（1） 高速功率可關(guān)斷器件的串聯(lián)技術(shù)

佳靈獨(dú)有的世界首創(chuàng)高速功率可關(guān)斷器件（特別是IGBT）直接串聯(lián)技術(shù)[3], 使真正無(wú)輸出、輸入變壓器的高壓變頻器成為現(xiàn)實(shí)。這對(duì)于提高性能、效率、減小體積、重量等各項(xiàng)主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo), 是以往任何一種變頻器都無(wú)法比擬的。

（2） 抗共模電壓技術(shù)

采用抗共模電壓技術(shù)，使高壓變頻器徹底去掉變壓器得以最終實(shí)現(xiàn)，并對(duì)電機(jī)無(wú)特殊的絕緣要求，使佳靈公司高壓變頻器真正成為世界最小體積的變頻器[3]。

（3） 正弦波技術(shù)

輸入電流正弦波技術(shù)，提高了功率因數(shù)，降低了對(duì)電網(wǎng)的干擾，特別是根據(jù)電源及負(fù)載的情況，輸入端可用多種不同的配置，以符合IEEE519-92的要求。更可滿足四象限快速加減速等場(chǎng)合的應(yīng)用要求。

3.3 IGBT直接串聯(lián)高壓變頻器的性能特點(diǎn)

（1）無(wú)與倫比的電動(dòng)機(jī)速度和轉(zhuǎn)矩控制

IGBT直接串聯(lián)高壓變頻器的開(kāi)環(huán)動(dòng)態(tài)速度控制精度與采用閉環(huán)磁通矢量控制的變頻器相對(duì)應(yīng)。其靜態(tài)速度控制精度通常為正常轉(zhuǎn)速的0.1%至0.5%，能滿足大多數(shù)工業(yè)領(lǐng)域的要求。在速度調(diào)節(jié)精度要求更高的場(chǎng)合，可采用脈沖編碼器。IGBT直接串聯(lián)高壓變頻器具有快速轉(zhuǎn)矩階躍響應(yīng), 對(duì)電網(wǎng)側(cè)和負(fù)載側(cè)的變化具有極快的反應(yīng), 對(duì)失電、負(fù)載突變和過(guò)電壓狀態(tài)易于控制。因此，IGBT直接串聯(lián)高壓變頻器的優(yōu)勢(shì)特別明顯。

（2） 模塊化的構(gòu)造與設(shè)計(jì)保證了系統(tǒng)的高利用率

每個(gè)功率單元都是相同的，并裝在一個(gè)可抽出的機(jī)架上，模塊化的結(jié)構(gòu)使得調(diào)換單元的工作只需15min，換一個(gè)功率單元只需斷開(kāi)5個(gè)接口和一個(gè)光纖插口。模塊化設(shè)計(jì)不僅使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)十分緊湊，而且也增強(qiáng)了系統(tǒng)的維修便利性，因而提高了系統(tǒng)的可利用率。

（3） 高效率及完善的磁通優(yōu)化

IGBT直接串聯(lián)高壓變頻器系統(tǒng)效率在98%以上。這一效率大大超過(guò)其它變頻調(diào)速系統(tǒng)的效率，其它變頻調(diào)速系統(tǒng)的效率計(jì)算，需包括變壓器，功率因數(shù)補(bǔ)償裝置，諧波濾波器等的損失。

在優(yōu)化模式狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)的磁通能自動(dòng)地與負(fù)載對(duì)應(yīng)，保證了高效率，并降低了電動(dòng)機(jī)噪音。由于磁通的優(yōu)化，根據(jù)不同的負(fù)載點(diǎn)，電動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)的總體效率提高1%到10%。

（4） 變頻輸出質(zhì)量適用于普通電機(jī), 電機(jī)無(wú)須降容

IGBT直接串聯(lián)高壓變頻器輸出波形，在整個(gè)速度和負(fù)載范圍內(nèi)具有正弦波特性。適用于普通的標(biāo)準(zhǔn)感應(yīng)電機(jī)和同步電機(jī)，電機(jī)無(wú)須降容，也不必使用專用變頻電機(jī)。

在低工作頻率段時(shí)，IGBT直接串聯(lián)高壓的PWM開(kāi)關(guān)模式消弱了所有流向電動(dòng)機(jī)的諧波。在高工作頻率段，PWM與內(nèi)置于變頻中的微型電容器配合將諧波含量作進(jìn)一步消除。與恒速運(yùn)行相比，沒(méi)有額外的電機(jī)溫升及瞬變電壓對(duì)電動(dòng)機(jī)絕緣破壞現(xiàn)象。

（5） 安靜平穩(wěn)的電機(jī)運(yùn)行，降低了噪聲

低噪聲運(yùn)行的直接原因是高質(zhì)量的電壓電流輸出波形。由于開(kāi)關(guān)狀態(tài)是分別確定的，沒(méi)有固定的開(kāi)關(guān)頻率，因此沒(méi)有使用普通PWM技術(shù)的交流傳動(dòng)裝置中常見(jiàn)的共振所引起的刺耳的噪音。

4 IGBT直接串聯(lián)高壓變頻器的應(yīng)用

4.1 項(xiàng)目應(yīng)用背景

JCS6K-800高壓大功率IGBT直接串聯(lián)變頻器應(yīng)用于萊鋼廠4#轉(zhuǎn)爐煤氣鼓風(fēng)機(jī)的變頻運(yùn)行。由于采用了IGBT直接串聯(lián)技術(shù)、直接速度控制技術(shù)、抗共模電壓技術(shù)、正弦波技術(shù)，不需要輸入輸出變壓器。系統(tǒng)效率高、體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，安裝簡(jiǎn)單，現(xiàn)場(chǎng)配線少，調(diào)試周期短, 投入生產(chǎn)快。配套電機(jī)為南陽(yáng)防爆集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的800kW/6kV YB630S1-2型電動(dòng)機(jī)，風(fēng)機(jī)為吉林四平鼓風(fēng)機(jī)廠生產(chǎn)的7000m3/H逆旋風(fēng)機(jī)，整個(gè)機(jī)組在調(diào)速范圍之內(nèi)