高压变频培训课件.ppt
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1、高压变频技术交流,内容提要,简介应用领域节能原理性能及规格概述原理及组成介绍现场安装故障处理及维护,1、简介,1.1高压变频器的发展历史 变频技术的诞生、发展史和发展机遇1、需求:变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。2、硬件:20世纪60年代后半期开始,电力电子器件从SCR(晶闸管)、GTO(门极可关断晶闸管)、BJT(双极型功率晶体管)、MOSFET(金属氧化物场效应管)、SIT(静电感应晶体管)、,SITH(静电感应晶闸管)、MGT(MOS控制晶体管)、MCT(MOS控制品闸管)发展到今天的IGBT(绝缘栅双极型晶体管)、HVIGBT(耐高压绝缘栅双极型晶闸管),器件的更新促使电力
2、变换技术的不断发展。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(OTR)、,绝缘栅双极性晶体管(IGBT)、集成门极换流晶闸管(IOCT)等电力电子器件的交直交型高压变频器产品。3、软件:20世纪70年代开始,脉宽调制变压变频(PWMVVVF)调速研究引起了人们的高度重视。20世纪80年代,作为变频技术核心的PWM模式优化问题吸引着人们的浓厚兴趣,并得出诸多优化模式,其中以鞍形波PWM模式效果最佳。,20世纪80年代后半期开始,美、日、德、英等发达国家的VVVF变频器已投入市场并广
3、泛应用。4、市场:国家节能降耗意识和政策的推动。,1.2国产高压变频器现状国产高压变频器简介目前,在国内高压大功率变频器方面有不低于30家,由于罗宾康没有在中国申请专利保护,因此绝大多数厂家都采用美国罗宾康的技术即单元串联多重化结构。随着技术研究的进一步深入,在理论上和功能上国产高压变频器已经可以与进口变频器相比肩,但是受工艺技术的限制,与进口产品的差距还是比较明显。,这些状况主要表现在如下几个方面:国外各大品牌的产品正加紧占领国内市场,并加快了本地化的步伐。国内高压变频器的技术标准还有待规范。与高压变频器相配套的产业很不发达。生产工艺一般,可以满足变频器产品的技术要求,价格相对低廉。变频器中
4、使用的功率半导体关键器件完全依赖进口,与发达国家的技术差距在缩小,具有自主知识产权的产品正应用在国民经济中。具有研发能力和产业化规模的逐年增加。国产高压变频器的功率也越做越大,目前国内最大的应用做到了7500KW 已经研制出具有瞬时掉电再恢复、故障再恢复等功能的变频器。部分厂家已开发出四象限运行的高压变频器。,矢量控制的高压变频器也已经在应用。,国产高压变频器的发展空间根据国家电动机调速技术产业化途径与对策的研究报告披露,中国发电总量的66消耗在电动机上,因此提高电动机系统的效率对于节能降耗总体目标的实现具有至关重要的意义。电动机系统整体效率的提高存在两种途径:提高电动机本身的效率和提高电机传
5、动系统的效率。根据美国在1998年电动机挑战计划的调查表明,对于美国来说,提高电动机效率潜在的节能规模占电动机总耗能量的,4.3%,而提高电机传动系统效率的潜在节能占电动机总耗能量的10.5%。因此采用各种可能的措施提高电机传动系统的效率可以使电动机系统整体效率明显提高。,1.2国外高压变频器现状 国外高压变频器简介国外各大品牌的变频器生产商,均形成了系列化的产品,其控制系统也已实现全数字化。几乎所有的产品均具有矢量控制功能,完善的工艺水平也是国外品牌的一大特点。目前,在发达国家,只要有电机的场合,就会同时有变频器的存在。其现阶段发展情况主要表现如下:技术开发起步早,并具有相当大的产业化规模。
6、,能够提供特大功率的变频器,目前已超过10000KW。变频调速产品的技术标准比较完备。与变频器相关的配套产业及行业初具规模。能够生产变频器中的功率器件,如IGBT、IGCT、SGCT等。高压变频器在各个行业中被广泛应用,并取得了显著的经济效益。,产品国际化,当地化加剧。新技术,新工艺层出不穷,并被大量的、快速的应用于产品中。,高压变频器的未来发展态势交流变频调速技术是强弱电混合,机电一体的综合技术,既要处理巨大电能的转换(整流、逆变),又要处理信息的收集、变换和传输,因此它必定会分成功率和控制两大部分。前者要解决与高压大电流有关的技术问题,后者要解决的软硬件控制问题。因此,未来高压变频调速技术
7、也将在这两方面得到发展,其主要表现为:高压变频器将朝着大功率,小型化,轻型化的方向发展。,高压变频器将向着直接器件高压和多重叠加(器件串联和单元串联)两个方向发展。更高电压、更大电流的新型电力半导体器件将应用在高压变频器中。现阶段,IGBT、IGCT、SGCT仍将扮演着主要的角色,SCR、GTO将会退出变频器市场。无速度传感器的矢量控制、磁通控制和直接转矩控制等技术的应用将趋于成熟。,全面实现数字化和自动化:参数自设定技术;过程自优化技术;故障自诊断技术。应用32位MCU、DSP及ASIC等器件,实现变频器的高精度,多功能。相关配套行业正朝着专业化,规模化发展,社会分工将更加明显,1.3高压变
8、频器的分类 从不同的角度,可以对变频器进行不同的分类。按电压等级不同,变频器可分为:高压变频器、中压变频器和低压变频器。按主回路结构不同变频器可分为:交-直-交变频器、交-交变频器。按储能方式不同,交-直-交变频器可分为:电流源型变频器、电压源型变频器。,按电平数不同,变频器可分为:两电平变频器、三电平变频器、多电平变频器。,2、应用领域 在工业领域,大功率的传动机械中,大功率风机、水泵占据主要地位,例如钢铁工业、高炉鼓风机、除尘风机;石油化工的大型输油泵;化工生产的压缩机;电力工业的给水泵、引风机;煤矿的排水泵和排风扇以及城市建设的自来水供水泵等等,驱动电动机都是40040000kW、310
9、kV的大功率高压交流电动机。高压大功率变频调速系统主要用来对工业领域的这类高压电动机进行调速控制,,所以高压变频器的主要应用在工业领域,广泛应用在冶金、煤炭、石油、化工、发电、热力、供水等行业,各个高耗能行业均有很大需求。其主要应用领域和对象如下:,3、节能原理,1、设计余量:首先,在电机传动系统设计中是根据最大化原则,考虑工艺要求中最恶劣,生产最大量的可能条件来选择电机和传动设备。但实际情况是,具体生产工艺状况随时间、产量、工艺品种改变等诸多因素而变化,并非是选定的最大化工况。其次,相对于电机所拖动的主做功设备如水泵、风机和空气压缩机而言,电动机可选的功率,级别要少得多,配套电机只能按照最大
10、轴功率来选取,有时还要根据最大轴功率的1.15倍来选取电机功率。基于上述两点原因造成了在选取配套电机时所达到的名义负载率也只有60%80%左右。另外,由于实际运行所需的电机输出功率随时根据需求在做不断的调整,未经过传动系统调速的电机却始终恒速转动,也造成了电机功率的浪费。以电力行业为例在峰段时间内的输出功率的,需求往往是谷段时间的2-3倍,在没有传动系统调速的情况下其发电机组配套的风机、水泵等设备在谷段时间内只能通过挡板或者阀门来调节进风量和水压,造成在挡板和阀门上大量的不作功的能源浪费。2、动态调整节能:迅速适应负载变动,供给最大效率电压。变频调速器在软件上设有测控输出功能,始终保持电机的输
11、出高效率运行。,3、通过变频自身的V/F功能节电:在保证电机输出力矩的情况下,可自动调节V/F曲线。减少电机的输出力矩,降低输入电流,达到节能状态。4、变频自带软启动节能:在电机全压启动时,由于电机的启动力矩需要,要从电网吸收7倍的电机额定电流,而大的启动电流即浪费电力,对电网的电压波动损害也很大,增加了,线损和变损。采用软启动后,启动电流可从0-电机额定电流,减少了启动电流对电网的冲击,节约了电能,也减少了启动惯性对设备的大惯量的转速冲击,延长了设备的使用寿命。5、提高功率因数节能:电动机由定子绕组和转子绕组通过电磁作用而产生力矩。绕组由于其感抗作用。对电网而言,阻抗特性呈感性,电机在运行时
12、吸收大量的无功功率,造成功率因数很低。,采用变频节能调速器后,由于其性能已变为:AC DC AC,在整流滤波后,负载特性发生了变化。变频调速器对电网的阻抗特性呈阻性,功率因数很高,减少了无功损耗。6、能量回馈 对于四象限变频器而言,不仅有以上五条的节能效果,而且当电动机运行在制动运行状态时,电动机处于发电状态,能量回归电网,从而产生,节能效果:势能 动能 电能7、案例,4、性能及规格概述4.1变频器特性 GBP系列高压变频器是华飞公司自主研发和生产的高压交流电动机调速驱动装置。变频器采用先进的功率单元串联叠波技术、矢量控制技术、有源逆变能量回馈技术、新颖的全中文操作界面,可靠性高、性能优越、操
13、作简便。可应用于需要单象限运行或四象限运行、带能量反馈、动态响应快、低速运行转矩大等高精度场合。,4.1.1高质量电源输入 输入侧隔离变压器二次线圈经过移相,为功率单元提供电源,消除了大部分由单个功率单元所引起的谐波电流,大大抑制了网侧谐波(尤其是低次谐波)的产生。变频器引起的电网谐波电压和谐波电流含量满足IEEE Std 519-1992和GB/T 14549-93电能质量公用电网谐波对谐波含量的最严格要求,无需安装输入滤波器并保护周边设备免受谐波干扰。变频器额定输入功率因数大于0.97,无需,功率因数补偿电容;能减少无功输入,降低供电容量。4.1.2完美的输出性能 单元串联脉宽调制叠波输出
14、,大大削弱输出谐波含量,输出波形几近完美的正弦波,与其他形式的高压变频器比较具有以下优点:无需输出滤波装置。可以驱动普通高压电动机,而不会增加电机温,升,降低电机容量。电机电缆无任何长度限制。保护电机绝缘不受dv/dt应力的损害。不会因为谐波力矩而降低设备使用寿命。,4.1.3友好的用户界面 GBP系列高压变频器采用全中文液晶显示,面板轻触按钮直接操作,简单方便。全中文文字表述,易学易用。大屏幕显示,可对多组参数进行设置,没有烦琐的参数代码号,参数设置准确、直观、便捷。运行参数同屏显示,一览无余。状态显示。可记录保存多达20个历史故障。,4.1.4其他特性高可靠性。高效率,额定工况下,系统总效
15、率高达96%以上,其中变频部分效率大于98%。功率单元模块化结构,可以互换,维护简单。宽广的输入电压范围。功率单元光纤通讯控制,完全电气隔离。内置PID调节器,可实现闭环运行。,具有本地、远程控制方式。全面的故障监测电路,及时的故障报警保护和准确的故障记录保存。可根据用户要求作特殊设计。,4.2型号说明4.2.1型号规格说明 以GBP-D-06/315为例,代表6kV电压等级的单象限高压变频器,额定输出电流40A(容量400kVA),用于驱动额定功率不大于315kW的异步电动机。,4.2.2型号规格,4.3柜体概述 GBP系列高压变频器柜体的配置根据变频器电压等级、容量、型号及其用户特殊要求而
16、不同,以GBP-D-06/315为例,柜体结构如图下图所示:,4.4技术参数 GBP系列高压变频器现有6kV和10kV电压等级、单象限和四象限系列,根据用户要求可以定制其它非标准电压等级产品。下面以6kV单象限315kW和6kV四象限630kW为例说明GBP系列高压变频器的主要参数:,5、原理及组成介绍,GBP系列高压变频器采用交-直-交直接高压(高-高)方式,主电路开关元件为IGBT。由于IGBT耐压所限,无法直接逆变输出6kV、10kV,而因开关频率高、均压难度大等技术难题无法完成直接串联。GBP系列变频器采用功率单元串联,叠波升压,充分利用当今变频器的成熟技术,因而具有很高的可靠性。,5
17、.1 GBP系列高压变频原理框图:,5.1.1主电路,当有六个功率单元串联时的输出相电压波形,移相变压器及功率单元串联实物图,隔离变压器隔离变压器为三相干式整流变压器,强迫风冷,有使用寿命长、免维护等优点。变压器原边输入为变频器相应电压等级电压,Y形接法;副边绕组数量依变频器电压等级及整机结构而定,采用延边三角形接法,为每个功率单元提供三相多脉动整流抑制电源输入。为了最大限度地抑制输入侧谐波含量,同一相,的副边绕组通过延边三角形接法移相,绕组间的相位差由下式计算:60 移相角度=每相单元数其采用脉动宽度为60的6脉动三相全波整流(或等效三相全波整流)作为基本单元,使m组整流电路的交流侧电压依次
18、移相60/m,则可组成脉动数为p=6m的多脉动整流。,其脉动数p、组数m、移相角及对应的谐波次数h之间的关系如下表所示。,由于为功率单元提供电源的变压器副边绕组间有一定的相位差,从而消除了大部分由单个功率单元所引起的谐波电流,所以GBP系列变频器输入电流的总谐波含量(THD)远小于国家标准5%的要求,并且能保持接近1的输入功率因数。图5.2为6kV系列输入电流实录波形,几近完美的正弦波。,变频器输出是将多个三相输入、单相输出的低压功率单元串联叠波得到。如额定输出690VAC功率单元五个串联时产生3450V相电压。表5-1、5-2为GBP变频器功率单元配置。,相输出Y接,中性点悬浮,得到驱动电机
19、所需的可变频三相高压电源。图5.3为6kV变频器系列的电压叠加示意图。,图5.4为五个690VAC功率单元串联时,每个功率单元输出的电压波形及其串联后输出的相电压波形示意图,可以得到50-5共11个不同的电平。增加电平的同时,每个电平的电压值大为降低,从而减小了dv/dt对电机绝缘的破坏,并大大削弱了输出电压的谐波含量,图5.5为6kV五单元变频器输出的Uab线电压波形实录图。因为电机电感的滤波效果,输出电流波形更优于电压波形,图5.6即为输出电流Ia的实录波形图。电压等级数量的增加,大大,改善了变频器的输出性能,输出波形几乎接近正弦波。,5.1.2功率单元 单象限功率单元,原理见图5.7,输
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