1.IGBT直接串联高压变频器

IGBT直接串联高压变频器 吴加林 成 都 佳 灵 电 气 制 造 有 限 公 司 地址 中国 成都市佳灵路 88号 电话 028-85062948 传真 028-85074260 邮编 610043 http://www.jaling.com Email:jialing@mail.sc.cninfo.net 第 1 页 2002-12-06 IGBT直接串联高压变频器 吴加林 成都佳灵电气制造有限公司 四川 成都 610043 摘 要 本文对世界上常见的几种高压变频器主电路拓扑结构进行了简单的分析 着重介绍了 IGBT 直接串联高压变频器的主电路结构以及高速功率器件直接串联技术 正弦波技术 抗共模电压技术 等三项关键核心技术 并对几种高压变频器的性能进行了较为详细的比较 明确指出了什么是真正直接高压变频器 关键词 IGBT直接串联 高压变频器 关键核心技术 1. 概述 目前 在世界上交流电动机的传动领域 变频调速技术的运用已经比较成熟 尤其 是在低压变频调速技术方面 但在高压变频调速技术方面 由于组成变频器的功率器件 耐压能力所限 也就造成了现在的高压变频器不象低压变频器那样具有成熟的 一致性 的拓扑结构 而现今国内的高压大功率的交流传动电动机已经成为各大企业的重要生产设备 也 是主要的耗电设备 应用高压变频调速也就成为各大企业势在必行的重要措施 组成高压变频器的功率器件的耐压能力在相当长的时间内还不可能满足高压变频 调速的需要 这就导致高压变频调速发展缓慢 远远不如低压变频的如火如荼 因此 如何解决高压变频器中的功率器件耐压能力问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 成为了世界性的难题 如果有高耐压的功率元器件 那么高压变频器也就会象低压变频器那样简单 可靠 能否将低压器件串联组成高压器件呢 人们经过实践发现 由于功率器件的开关速度不 一致 特别是速度越高的功率器件 如 IGBT 全世界都认为是不可能串联的 于是 人们为了生产出高压变频器 就避开了功率器件耐压的难题 而另想出了不少的方式来 实现高压电动机的变频调速 2. 以往几种高压变频器的主电路分析 2.1 单元串联多重化电压源型高压变频器 单元串联多重化电压源型高压变频器是利用低压单相变频器串联 来弥补功率器件 IGBT的耐压能力的不足 所谓多重化技术 就是每相由几个低压功率单元串联组成 各功率单元由一个多绕 组的移相隔离变压器供电 用高速微处理器实现控制和以光导纤维隔离驱动 图 01为 6kV变频器的主电路拓扑图 第 2 页 2002-12-06 B C A 690V 690V 690V 690V 690V 690V 690V 690V 690V 690V 690V 690V 690V 690V 690V 3450V 相电压 6000V 线电压 图 01 多重化高压变频器拓扑结构图 图 02中的每个功率单元都是由低压绝缘栅双极型晶体管 IGBT 构成的三相输入 单相输出的低压的 PWM电压型逆变器 其缺点是 1) 使用的功率单元及功率器件数量太多 6kV系统要使用 150只功率器件 90只二极 管 60只 IGBT 装置的体积太大 重量大 安装位置和基建投资成问题 +24 +24 +24 +12 +12 +12 +0 +0 +0 -12 -12 输入 AC6kV/50Hz -12 +24 +24 +24 输入移相隔离变压器 功率单元 A1 功率单元 B1 功率单元 C1 功率单元 A2 功率单元 B2 功率单元 C2 功率单元 A3 功率单元 B3 功率单元 C3 功率单元 A4 功率单元 B4 功率单元 C4 功率单元 A5 功率单元 B5 功率单元 C5 高压感应 电动机 图 02 五单元串联高压变频器电气框图 2) 无法实现能量回馈及四象限运行 且无法实现制动 3) 当电网电压和电机电压不同时无法实现旁路切换控制 4 所需高压电缆太多 系统的内阻无形中增大 接线太多 故障点相应的增多 第 3 页 2002-12-06 5 一个单元损坏时 单元可旁路 但此时输出电压不平衡中心点的电压是浮动的 造 成电压 电流不平衡 从而谐波也相应的增大 勉强运行时终究会导致电动机的损坏 6 输出电压波形在额定负载时尚好 低于 25Hz以下畸变突出 7 由于系统中存在着变压器 系统效率再提高不容易实现 移相变压器中 6kV 三相 6绕组 3 10kV时需 12绕组 3 延边三角形接法 在三相电压不平衡 实际上三相 电压是不可能绝对平衡的 时 产生的内部环流 必将引起内阻的增加和电流的损耗 也相应的就造成了变压器的铜损增大 此时 再加上变压器的铁芯的固有损耗 变压器 的效率就会降低 从而也就影响了整个高压变频器的效率 这种情况在越低于额定负荷 运行时 越是显著 10kV时 变压器有近 400个接头 近百根电缆 在额定负荷时效 率可达 96% 但在轻负荷时 效率低于 90% 2.2 中性点钳位三电平 PWM变频器 在 PWM电压源型变频器中 当输出电压较高时 为了避免器件串联引起的静态和 动态均压问题 同时降低输出谐波及 dv/dt 的影响 逆变器部分可以采用中性点钳位的 三电平方式 Neutral point clamped NPC 逆变器的功率器件可采用高压 IGBT或 IGCT 有采用新型功率器件集成门极换流晶闸管 IGCT的三电平变频器 也有采用高压绝缘栅 双极型晶体管 IGBT器件的三电平变频器 输出电压等级有 2.2kV 3.3kV和 4.16kV 图 03 中性点钳位三电平 PWM高压变频器主电路拓扑结构图 中性点钳位三电平 PWM 变频器的整流部分采用 12脉波二极管整流器 逆变部分 采用三电平 PWM 逆变器 由图 03可以看出 该系列变频器采用传统的电压型变频器 结构 通过要用高耐压的 IGBT 或 IGCT 功率器件 使得器件总数减少为 12个 仅 限于 4.16kV 中性点钳位三电平 PWM变频器的逆变部分采用传统的三电平方式 所以输出波形 中会不可避免地产生比较大的谐波分量 这是三电平逆变方式所固有的 因此在变频器 的输出侧必须配置输出 LC滤波器才能用于普通的鼠笼型电机 同样由于谐波的原因 电动机的功率因数和效率 甚至寿命都会受到一定的影响 只有在额定工况点才能达到 最佳的工作状态 但随着转速的下降 功率因数和效率都会相应降低 对于 6kV高压电机 三电平变频器采用了 / 改接的办法 将 型接法的 6kV电 机改为 接法 线电压为 3.47kV 采用 3.3kV或 4.16kV输出的变频器即能满足要求 同时也满足了 IGCT或 IGBT电压型变频器对电机的绝缘等级提高一级的要求 但在进行了 / 改接后 电机的电压与电网的电压不一致 无法实现旁路功能 当变频器出现故障时 又要保证生产的正常进行 必须首先将电机改回 型接法 再投 入 6kV电网 为此 电机的改接必须加装 / 切换柜实现 以便实现旁路功能 若采用有源输入前端 则可实现能量回馈及四象限运行 但三电平变频器的结构不 易实现冗余设计 中性点钳位三电平变频器的结构虽然较为简单 但二极管的增多 线路增多 况且 每个二极管的驱动波形不一致 也必将导致钳位和开关性能的不一致 第 4 页 2002-12-06 中性点钳位的电压浮动 不稳定 易产生直流磁环 加上谐波量高 容易损坏电动 机 输出电压谐波大 尤其是 11次 13次谐波达到 20%以上 这对电缆和电动机都是 致命的影响 因此 必须采用专用电动机 不适合改造 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 应用 除非加滤波器 2.3 多电平+多重化高压变频器 多电平+多重化高压变频器汇集了多电平和多重化变频器的一些优点 它以多个中 压三电平 PWM逆变器功率单元多重化串联的方式实现直接高压输出 该型变频器的性能价格优势并不大 与其同时采用多电平和多重化两种技术 还不 如采用前面提到的高压 IGBT的多重化变频器或者三电平变频器 反而显得有些不伦不 类 a 三相 AC6600kV主电路 b 功率单元内部主电路 图 04 多电平+多重化高压变频器电路结构 因为 用三电平技术构成单相逆变功率单元 在器件数量上并不占优势 要比同样 电压和功率等级的三电平三相逆变器足足多用一倍的器件 同样比普通单相逆变功率单 元也正好多出一倍的器件 例如 用现在最高耐压的 3300V的 IGBT器件 采用单元串 联多重化电路 6kV系统每相需三个单元串联 总共 9个单元 共需 54只整流二极管 36只 IGBT 而采用三电平功率单元 每相需两单元串联 总共 6个单元 共需 72只 整流二极管 48只 IGBT 足足多用了 1/3的器件并且使功率单元的冗余成本增加了一 倍 降低了多重化变频器冗余性能好的优点 同时增加了装置的成本 多电平+多重化高压变频器的本意是想解决高压 IGBT 的耐压有限的问题 但如此 解决的方式 不但增加了系统的复杂性 产生的故障点大为增多 而且降低了多重化冗 余性能好和三电平结构简单的优点 所以该型变频器实际上并不可取 2.4 电流源型高压变频器 功率器件直接串联的电流源型高压变频器是在线路中串联大电感 再将 SCR 或 GTO SGCT等 开关速度较慢的功率器件直接串联而构成的 如图 05所示 第 5 页 2002-12-06 图 05 电流源型高压变频器主电路图 其实这种方式虽然使用功率器件少 易于控制电流 但是没有真正解决高压功率器 件的串联问题 因为即使功率器件出现故障 由于大电感的限流作用 di/dt受到限制 功率器件虽不易损坏 但带来的问题是对电网污染严重 功率因数低 并且电流源型高 压变频器对电网电压及电机负载的变化敏感 无法做成真正的通用型产品 电流源型高压变频器是最早的产品 但凡是电压型变频器到达的地方 它都被迫退 出 因为在经济上 技术上 它都明显处于劣势 3. 功率器件 IGBT直接串联的真正直接高压变频器 有十七年变频器研发 生产经验的成都佳灵电气制造有限公司 研究和总结了以往 各种高压变频器 认为均不理想 因此 决心克服 IGBT不能串联的难题 研制出一种 象低压变频器一样的通用标准高压变频器 经过多年的研究 佳灵 人终于研制出了 IGBT 串联的真正直接高压变频器 至 今已有一百多台利用此技术的产品在各行业中应用 电压等级为 1250V 10kV 且多 项技术已获中国专利并申请了世界专利 3.1 主电路简介 由图 06 中看出系统由电网高压直接经高压断路器进入变频器 经过高压二极管全 桥整流 直流平波电抗器和电容滤波 再经逆变器逆变 加上正弦波滤波器 简单易行 地实现高压变频输出 直接供给高压电动机 第 6 页 2002-12-06 图 06 IGBT直接串联高压变频器 功率器件 IGBT 直接串联的二电平电压型高压变频器是采用变频器已有的成熟技 术 应用独特而简单的控制技术成功设计出的一种无输入输出变压器 IGBT直接串联 逆变 输出效率达 98%的高压调速系统 对于需要快速制动的场合 可象图 07所示 采用直流放电制动装置 图 07 具有直流放电制动装置的 IGBT直接串联高压变频器主电路图 如果需要四象限运行 以及需要能量回馈的场合 或输入电源侧短路容量较小时 也可采用如图 08所示的 PWM整流电路 使输入电流也真正实现完美正弦波 图 08 具备能量回馈和四象限运行的 IGBT直接串联高压变频器主电路图 3.2 核心关键技术 3.2.1 高速功率器件的串联技术 根据查新 世界各国均未生产出 IGBT直接串联的高压变频器 原因正如上海大学 教授及业内一些权威人士所言 IGBT是不能串联的 因为开关时间短 微秒级 很难 保证所有管子串联同时开关 否则有的早开 所有的电压都来加在晚开的管子上 那么 第 7 页 2002-12-06 这个 1200V的管子加上 6000V 只能烧掉 一烧一串 不可能串联 佳灵公司运用数十年积累的功底 和为中华民族争光的决心 勇气 认为在重大装 备的原创技术上一定要有中国人自己的成果 永远跟在别人后面伊伊学语 是不可能成 为世界大国的 佳灵人用自己的全部心血和智慧 利用绝对 相对原理 终于解决了高 速功率器件的串联问题 从此人类将有能力对几千伏 几万伏 几十万伏的电压 电流 进行任意控制 这不仅对高压电机变频调速 而且对柔性输电系统 城市无功补偿 有 源滤波 城市电网稳压 潮流控制 直流输电 都将带来革命性的影响 在军事上也将 有不可估量的用途 3.2.2 正弦波技术 高压电机对变频器的输出电压波形有严格的要求 是业内人士都知道的常识 佳灵公司解决变频器输出电压波形 从两方面着手 一是优化 PWM波形 二是研 制出特种滤波器 如图 09 10所示 过去一些人认为 三电平的电压波形一定优于二电平 今后就是低压变频器也应 采用三电平 这种说法可能不太全面 三电平的总谐波含量可能低于二电平 但由于三电平的 11次 13次谐波含量特别高 处理起来特别困难 而二电平只要波形优化得好 60次 以下的谐波皆可大大降低 而对 60 次以上的谐波滤波自然容易得多 人们使用三电平 是为避免器件串联的困难 不得已而为之 正如东北大学刘宗富教授所讲 能用两点 式谁会去用三点式呢 3.2.3 抗共模电压技术 仅解决 IGBT的串联 并不能甩掉输入变压器 原因在于共模电压的存在 在低压 变频器领域 近年来发现的电机轴承损坏 共模电压就是影响之一 在高压变频器的领 域中 共模电压更是必须解决的关键问题之一 共模电压 也叫零序电压 是指电动机定子绕组的中心点和地之间的电压 我们 以典型的电流源型变频器 不带输入变压器 为例 如图 09所示 图 09 25Hz时输出电压电流波形 由于上下直流母线的滤波电抗器大小相同 而且流过相同的电流 所以每个电抗器 上的压降也相同 因此以接地点 G为参考电平 各点电压符合以下关系 UPG EPG=EnG UnG 所以有 UPG UnG = EPG EnG 两边除以 2 可得 UmG = UPG UNg /2 = EPG EnG /2= EmG 由于整流电路在同一时刻只有两相同时导通 导致整流电路输出的直流中点电压不 等于供电电源的中心点电压 即 UmG 0 图 10是在晶闸管触发延迟角为 20º时的各点 电压波形 中点电压 UmG 按照电网电压三倍的频率进行变化 在晶闸管触发延迟角为 第 8 页 2002-12-06 90º时幅值达到最大 图 10 40Hz时输出电压电流波形 电流源型变频器逆变器的工作原理与整流器大致相同 因此逆变器输入直流中点对 电动机中心点的电压 EmN波形与 UmG波形大致相同 只是 EmN的变化频率为变频器输 出频率的三倍 会随着变频器输出频率的变化而变化 由于 UmG=EmG= EmN+UNG 所以共模电压 UNG=UmG EmN 由于输出频率一般不等于电网频率 且不 图 11 典型的电流源型高压变频器结构图 断变化 因此的组合可以导致共模电压在某一时刻达到最大值 由于 UmG和 EmN的最 大值都可以达到额定相电压峰值的 50% 所以共模电压最大可接近相电压的峰值 如果 电源的中心点接地 电动机的机壳也接地 这样共模电压就施加到电动机定子绕组的中 心点和机壳之间 这样高的共模电压 使电动机绕组承受的绝缘应力为电网直接运行情 况下的 2倍 严重影响电动机绝缘 图 11显示了一输出电压为 4160V的 GTO电流源 型变频器的共模电压波形 图 12 电流源型变频器各点电压波形 当没有输入变压器时 共模电压会直接施加到电动机上 增加绕组对地的电应力 第 9 页 2002-12-06 引起绝缘击穿 影响电动机的使用寿命 如果设置输入变压器 变压器二次侧中点不能 接地 则共模电压由输入变压器和电动机共同来承担 按照输入变压器一次 二次绕 组间的分布电容和电动机绕组对机壳间的分布电容 两个容抗串联 进行分配 由于一 般输入变压器的分布电容大大小于电动机绕组对机壳的分布电容 比如前者为后者的 1/10 这样约 90%的共模电压由输入变压器来承担 只要考虑加强输入变压器的绝缘 即可 而变压器的绝缘加强 相对电动机要容易得多 如果没有输入变压器 则电动机 绝缘必须加强 以承受共模电压 比如 4160V额定电压的电动机要求采用 10kV的绝缘 设计 不能使用标准的异步电动机 MGI 允许 6kV 电动机可以承受的共模电压范围为 基波相电压峰值和共模电压峰值之和不超过 8.7kV 图 13 GTO电流源型变频器的共模电压 PWM变频器的共模电压中含有与开关频率相对应的高频分量 高频的电压分量会 通过输出电缆和电动机的分布电容产生对地高频漏电流 影响逆变器功率电路的安全 电动机通过地产生的高频漏电流 一部分通过定子绕组经定子绕组和转子间的分布电 容 经过轴承再到机壳 然后到地 后者的作用相当于轴电流 会引起电动机轴承的 电 蚀 影响轴承的寿命 由于共模电压含有高频高压成份 在电机线圈与铁芯之间形成交变电场 而其中的 绝缘材料被极化 产生电晕放电 并产生出臭氧 而臭氧是强氧化剂 也是腐蚀剂 于 是很快电机绝缘就被击穿 这也就是为什么有的变频器只能采用专用电动机 是因为共 模谐波未处理好 只能强化电机绝缘性能解决 共模电压也是对外产生干扰的原因 特别是长线传输设备 许多用户的设备应用变 频器后出现了严重干扰 总是找不到原因 可考虑共模电压的问题 无论是电流源还是 电压源变频器产生共模电压是必然的 佳灵公司根据共模电压产生的机理 采取了 堵 和疏 的办法将共模电压消灭在变频器内部 由于采用了上述三项核心关键技术 使 佳灵 IGBT直接高压变频器的效率达到 98%以上 输出电压正弦化 共模电压最小化 适用于任何异步电机 同步电机 无需 降容使用 几 km 的长线传输也无问题 只是传输距离太长时应考虑线路电压补偿 如提高电压或增大导线截面等 3.3 系统特点 1 电压等级为 3kV~10kV 2 功率器件选用西门子公司九十年代末推出的高压功率模块 IGBT直接串联 3 系统自带专门设计的高压开关柜 与本身高压变频器高效安全配套 并含变/工频切 换装置和电子式真空断路器 4 全中文操作界面 基于Windows操作平台 彩色液晶触摸屏 便于就地监控 设定 参数 选择功能和调试 5 内置 PLC可编程控制器 易于改变和扩展控制逻辑关系 第 10 页 2002-12-06 6 高压主电路与低压控制电路采用光纤传输 安全隔离 使得系统抗干扰能力强 7 控制电路通讯方式采用全数字化通讯 简单 可靠 8 系统的整流单元 逆变单元设计 选用组合模块化积木结构 整机占地面积小 重 量轻 便于安装 维护 9 系统控制采用专用的工业控制计算机 结合 PLC可编程控制技术 使电动机在变频 运行时变量调节的更平滑 稳定 使实时过程控制自动化程度高 10 装置可在本机上操作 也可实现远距离外控 具备完善 方便的操作功能选择 11 系统具有标准的计算机通讯接口 RS232 或 RS422 RS485 可方便的与用户 DCS 系统或工控系统组态建立整个系统的工作站 进一步提高系统的自动化控制程度 实现 整个工控系统的全闭环监控 从而获得更加完善的 可靠自动化运行 12 具备全面的故障监测 可靠的故障报警保护功能 13 输入功率因数高 输出电压谐波含量小 无需功率因数补偿和谐波抑制器 14 输出电压为标准正弦波形 对电缆和电动机的绝缘无损害 减轻电动机的轴承和叶 片等机械部分震动和磨损 延长电动机的使用寿命 输出至电动机的线缆长度可达 20km 15 采用独特的抗共模电压技术 使系统中共模电压 1000V 无需再提高电动机的绝 缘等级 无需专用电机 16 易于实现能量回馈和四象限运行 并可直接引出直流进行直流输电 17 适用于石油 化工 给排水 电力 冶金 建材 军事 矿山等行业的高压电动机 变频节能运行系统 18 对用户的高压异步电动机无任何特殊要求 不但适用于新旧异步电动机 也适用于 同步电动机 第 11 页 2002-12-06 4. IGBT直接串联高压变频器与以往几种高压变频器的主要性能比较 序 号 方 案 电路结构 输入 变压器 整流 方式 逆变电 路器件 输出 电压等级 整体 性能 控制 电路 控制方式 效 率 体积 重量 适 用 1 IGBT 直 接高压变 频器 IGBT 器件直 串 国内外首 创 国家专利 无需一切 变压器 二极管 或 IGBT PWM IGBT 1 13.8kV 最好 最简单 PWM 二电平 98% 系统 面积 最小 最轻 风 机 水 泵 超重 负荷 较 重负荷 2 单元多重化 IGBT 低压单 相变频器串 联 需极复杂 的多绕组 变压器 二极管 IGBT或IGCT 3 10kV 较好 复杂 多 重 化 PWM 90% 96% 系统 面积 大 最重 风机泵 3 多电平 IGBT 串联中心嵌位 需 12脉冲 变压器 二极管 IGBT 3 4.16kV 好 较复 杂 PWM 三电平 96% 系统 面积 较大 重 一 般 传 动 风机 泵 4 多 电 平 +多重化 三电平单相 变频串联 需多绕组 变压器 二极管 IGBT 3 10kV 较好 多而 最复 杂 多 重 化 + 多单元 90% 96% 系统 面积 大 最重 风机 泵 5 电流型 SGCT或 SCR 要变压器 SGCT或 SCR SGCT 或 SCR 3 10kV 最差 复杂 PWM/6 脉 冲或 12脉 冲 96% 系统 面积 较大 重 风机 泵 第 12 页 2002-12-06 5. 结论 1 功率器件的耐压等级决定了高压变频器的主路结构 要想避开器件串联而要作出 高压变频器 必然使线路复杂化 从而产生一系列严重的相关问题 比如 占地面积 大 布置松散 接线多 效率低 安装调试复杂等 2 IGBT器件的串联成功 使高压变频器同低压变频器形成相同的电路拓朴方式 因 此成熟的低压变频器的一切控制策略均可用于高压变频器 特别是像低压变频器一样 的控制简单是提高可靠性的关键 正如俗话说的 愈简单 愈可靠 3 针对高压电机的特殊要求 而在输出电压波形和共模电压的处理上的技术措施 使 IGBT直接高压变频器的各项指标大大优于低压变频器 4 真正的 高-高 变频器是 一体化设计 体积小 方便安装调试 这样的变频器 不需要另外加装变压器 电抗器 滤波器 补偿电容器 避雷器 启动设备等一系列 其它装置 其自成系统 所有设备器件都装设在自己的装置内 成为一体化设计 使 得体积小 结构紧凑 现场占地很少 接线少 安装调试简单 变频器运行稳定性能 良好 对电网谐波污染少 IGBT直接串联高压变频器的成功 因其简单 可靠 方便 必将成为高压变频器 的主流产品 标准产品 特别是其优越的性能 在不久的将来将应用到各个领域为节能 降耗 提高自动化水平发挥更大的作用 通讯联系方式 成 都 佳 灵 电 气 制 造 有 限 公 司 地址 中国 成都市佳灵路 88号 电话 028-85062948 传真 028-85074260 邮编 610043 http://www.jaling.com Email:jialing@mail.sc.cninfo.net 第 13 页 2002-12-06 Email:jialing@mail.sc.cninfo.net