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1、高压变频调速系统,中 国 矿 业 大 学 电力传动与自动控制研究所 二O一O年四月,蒯松岩 (博士、副教授),第一章 电力电子高压变频器的主要类型,1. 概述,按国际标准(IEC 60038:1983)和中国国家标准(GB 156-2003)的规定。电压被分为245kv四个等级。 在135k电压段，我国使用3kv、6kv、10kv和35kv四个标准电压。习惯上将3kv、6 kV、10kv电动机称为高压电动机，相应地,将用于驱动该电压等级电动机的变频器通称为高压变频器。,在欧美国家，在此电压区段常见的标准电压有3.3kV、6.6kv、11kV、4.16kV(该电压仅适用于北美洲)等多种，归属中压
2、范畴，相应电压等级的变频器一般称中压变频器。高压变频器是应高压交流电动机无级调速的需要而诞生的，它利用电力电子器件的通断作用将工频电源变换成为了另一种频率的电能控制装置，直接供给高压电动机使用。高压变频器是迄今为止最理想的高压电动机的调速装置。,1.1 高压变频器的发展,高压变频器是随着大功率电力电子器件的迅速发展而发展起来的，只要电力电子器件有了新的发展，高压变频器就一定有个新飞跃。从主回路结构上来看，高压变频器的发展可分为两个阶段。,第一阶段是以晶闸管(SCR)作为主要电力电子器件的交交型高压变频器产品; 第二阶段是广泛采用了双极性晶体管(GTR)、绝缘栅双极性晶体管(IGBT)、集成门极
3、换流晶闸管(I GCT)等电力电子器件的交-直-交型高压变频器产品。,国外第一台高压变频器交一交变频调速的异步电动机矢量控制系统，由日本的东芝电器公司在1980年研制成功.电动机容量为1800kw。 1981年，德国西门子公司研制成功了交一交变频的同步电动机矢量控制系统，电动机容量为4000kw。 1982年，口本富士公司研制成功了交一交变频的同步电动机调速系统.用于初轧万L主传动，电动机容量2500kw。,国内开发、研制工作是从20世纪80年代末开始的，到20世纪90年代陆续推出了国产的高压变频器。1994年，冶金部自动化研究院为天津中板厂成功研制了5000kw轧机全数字交一交变频同步电动机
4、调速系统。,1.2 高压变频器的工作原理、 电路构成,1.2.1 工作原理 按照电机学的基本原理，交流异步电动机的转速满足如下的关系式:式中: n电动机的实际转速;no电动机的同步转速:p电动机的极对数;f电动机的运行频率;s电动机的滑差。,从式中看出，电动机的同步转速no正比于电动机的运行频率(no=60f/p)。由于滑差s一般情况下比较小(00.05)，电动机的实际转速n约等于电动机的同步转速no，所以调节电动机的供电频率f,就能改变电动机的实际转速。这就是高压变频器的工作原理。,电动机的滑差s和负载有关，负载越大则滑差越大。在电源频率不变的情况下，电动机的实际转速还会随负载的增加而略有下
5、降。,1.2.2 电路构成,高压变频器的技术种类多种多样。但是，无论对哪种产品而言。从电路构成上来说，高压变频器的电路都分为主电路和控制电路两部分，其电路框图如图1-1所示。,主电路(IGBT、IGCT、GTR等电力电子器件做逆变器件)给电动机提供调压、调频电源:此电源的输出电压或输出电流及频率，由控制电路的控制指令进行控制;而控制指令则根据外部的运转指令进行运算获得;,对于需要更精密速度控制或快速响应的场合，运算内容还应包含变频器主电路和传动系统检测出来的信号;保护电路除用于防止因变频器主电路的过电压、过电流引起的损坏外.还应保护电动机及传动系统。,图1-1高压变频器的电路框图,1、主电路给
6、电动机提供调压调频电源的电力变换部分，称为变频器的主电路。通常，高压变频器的主电路由三部分构成,即将工频电源电压变换为直流功率的整流器，吸收整流器和逆变器产生的电压或电流脉动的滤波电路,以及将直流功率变换为交流功率的逆变器。,2、控制电路给异步电动机供电(电压、频率可调)的主电路提供控制信号的电路，称为控制电路。如图1-1所示，在点画线框内，仅以控制电路A部分构成控制电路时，无速度检测电路，为开环控制:在控制电路B部分，增加了速度检测电路，因此，对于转速指令，可以进行使电动机的转速控制更精确的闭环控制。,在控制电路中.又包括以下几部分电路。运算电路。将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电
7、压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率。电压、电流检测电路。与主电路电位隔离，检测电压、电流等的电路。驱动电路。为驱动开关器件的电路。它与控制电路隔离，使主电路开关器件导通、关断。,速度检测电路。以装在电动机轴上的速度传感器的信号为速度信号，将其送入运算电路，根据指令和运算结果可使电动机按指令转速运转， 保护电路。检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时，为了防止变频器和异步电动机的损坏，使变频器停止工作或抑制电压、电流值。通常，保护电路可分为变频器保护和异步电动机保护两种。,1.2.3 分类,1.2.3.1按电压等级分类按电压等级不同，变频器可分为;高压变领器、中压变频器
8、和低压变频器。按照国际惯例,电压10kV时称高压,110kV为中压，1kv时称低压。与其电压范围相对应的变频器分别称为高压变频器、中压变频器、低压变频器。在我国，习惯上把10kV、6KV或3kV的电动机均称为高压电动机，相应的电压为10kV、6kV或3kV的变频器均称高压变频器。,1.2.3 交-直-交和交-交变压变频器,从整体结构上看，电力电子变压变频器可分为交-直-交和交-交两大类。1.交-直-交变压变频器交-直-交变压变频器先将工频交流电源通过整流器变换成直流，再通过逆变器变换成可控频率和电压的交流，如1-2图所示。,交-直-交变压变频器基本结构,图1-2 交-直-交（间接）变压变频器,
9、由于这类变压变频器在恒频交流电源和变频交流输出之间有一个“中间直流环节”，所以又称间接式的变压变频器。具体的整流和逆变电路种类很多，当前应用最广的是由二极管组成不控整流器和由功率开关器件（P-MOSFET，IGBT等）组成的脉宽调制（PWM）逆变器，简称PWM变压变频器，如1-3图所示。,交-直-交PWM变压变频器基本结构,图1-3 交-直-交PWM变压变频器,变压变频 (VVVF),中间直流环节,恒压恒频 (CVCF),PWM 逆变器,DC,AC,AC,50Hz,调压调频,C,PWM变压变频器的应用之所以如此广泛，是由于它具有如下的一系列优点：（1）在主电路整流和逆变两个单元中，只有逆变单元
10、可控，通过它同时调节电压和频率，结构简单。采用全控型的功率开关器件，只通过驱动电压脉冲进行控制，电路也简单，效率高。,（2）输出电压波形虽是一系列的PWM波，但由于采用了恰当的PWM控制技术，正弦基波的比重较大，影响电机运行的低次谐波受到很大的抑制，因而转矩脉动小，提高了系统的调速范围和稳态性能。,（3）逆变器同时实现调压和调频，动态响应不受中间直流环节滤波器参数的影响，系统的动态性能也得以提高。（4）采用不可控的二极管整流器，电源侧功率因素较高，且不受逆变输出电压大小的影响。,PWM变压变频器常用的功率开关器件有：P-MOSFET，IGBT，GTO和替代GTO的电压控制器件如IGCT、IEG
11、T等。受到开关器件额定电压和电流的限制，对于特大容量电机的变压变频调速仍只好采用半控型的晶闸管（SCR），并用可控整流器调压和六拍逆变器调频的交-直-交变压变频器，见图1-4。,普通交-直-交变压变频器的基本结构,2. 交-交变压变频器,交-交变压变频器的基本结构如下图所示，它只有一个变换环节，把恒压恒频（CVCF）的交流电源直接变换成VVVF输出，因此又称直接式变压变频器。有时为了突出其变频功能，也称作周波变换器（Cycloconveter）。,交-交变压变频器的基本结构,图1-5 交-交（直接）变压变频器,常用的交-交变压变频器输出的每一相都是一个由正、反两组晶闸管可控整流装置反并联的可逆
12、线路。也就是说，每一相都相当于一套直流可逆调速系统的反并联可逆线路（图1-5a）。,交-交变压变频器的基本电路结构,图1-5-a 交-交变压变频器每一相的可逆线路,交-交变压变频器的控制方式,整半周控制方式正、反两组按一定周期相互切换，在负载上就获得交变的输出电压 u0 ， u0 的幅值决定于各组可控整流装置的控制角 ， u0 的频率决定于正、反两组整流装置的切换频率。如果控制角一直不变，则输出平均电压是方波，如图1-5 b 所示。,输出电压波形,控制方式（ 2 ）, 调制控制方式要获得正弦波输出，就必须在每一组整流装置导通期间不断改变其控制角。 例如：在正向组导通的半个周期中，使控制角 由/
13、2（对应于平均电压 u0 = 0）逐渐减小到 0（对应于 u0 最大），然后再逐渐增加到 /2（ u0 再变为0），如图1-6所示。,图1-6 交-交变压变频器的单相正弦波输出电压波形,输出电压波形,当角按正弦规律变化时，半周中的平均输出电压即为图中虚线所示的正弦波。对反向组负半周的控制也是这样。,单相交交变频电路输出电压和电流波形,三相交交变频电路,三相交交变频电路可以由3个单相交交变频电路组成，其基本结构如下图所示。如果每组可控整流装置都用桥式电路，含1个晶闸管（当每一桥臂都是单管时），则三相可逆线路共需31个晶闸管，即使采用零式电路也须18个晶闸管。,三相交交变频器的基本结构,输出星形联
14、结方式三相交交变频电路,三相桥式交交变频电路,图1-8 交-交变频器的结构示意图,因此，这样的交-交变压变频器虽然在结构上只有一个变换环节，省去了中间直流环节，看似简单，但所用的器件数量却很多，总体设备相当庞大。不过这些设备都是直流调速系统中常用的可逆整流装置，在技术上和制造工艺上都很成熟，目前国内有些企业已有可靠的产品。,这类交-交变频器的其他缺点是：输入功率因数较低，谐波电流含量大，频谱复杂，因此须配置谐波滤波和无功补偿设备。其最高输出频率不超过电网频率的 1/3 1/2，一般主要用于轧机主传动、球磨机、水泥回转窑等大容量、低转速的调速系统，供电给低速电机直接传动时，可以省去庞大的齿轮减速
15、箱。,近年来又出现了一种采用全控型开关器件的矩阵式交-交变压变频器，类似于 PWM控制方式，输出电压和输入电流的低次谐波都较小，输入功率因数可调，能量可双向流动，以获得四象限运行，但当输出电压必须为正弦波时，最大输出输入电压比只有0.811。目前这类变压变频器尚处于开发阶段，其发展前景是很好的。,3 电压源型和电流源型逆变器,在交-直-交变压变频器中，按照中间直流环节直流电源性质的不同，逆变器可以分成电压源型和电流源型两类，两种类型的实际区别在于直流环节采用怎样的滤波器。图1-9绘出了电压源型和电流源型逆变器的示意图。,两种类型逆变器结构,1.电流源型变频器常规电流源变频器输入端采用可控整流,
16、控制电流的大小;中间采用大电感,对电流进行平滑。逆变桥将直流电流转换为频率可变的交流电流，供给交流电动机。负载换流式电流源型变频器(LCI)的结构如图1-10所示。,图1-10 负载换流式电流源型变频器的结构示意图,2.电压源型变频器电压源型变频器输入端一般不可控，大多采用二极管进行全波整流;中间采用大电容滤波，对电压进行平滑。逆变桥采用PWM控制技术，既控制电压输出波形中交流基波的幅值大小，也控制交流基波电压的频率。电压源型变频器的结构如图1-11所示。,图1-11 电压源型变频器的结构示意图,性能比较,两类逆变器在主电路上虽然只是滤波环节的不同，在性能上却带来了明显的差异，主要表现如下：（1）无功能量的缓冲 在调速系统中，逆变器的负载是异步电机，属感性负载。在中间直流环节与负载电机之间，除了有功功率的传送外，还存在无功功率的交换。滤波器除滤波外还起着对无功功率的缓冲作用，使它不致影响到交流电网。,因此，两类逆变器的区别还表现在采用什么储能元件（电容器或电感器）来缓冲无功能量。 （2）能量的回馈 用电流源型逆变器给异步电机供电的电流源型变压变频调速系统有一个显著特征，就是容易实现能量的回馈，从而便于四象限运行，适用于需要回馈制动和经常正、反转的生产机械。,
