高压变频调速系统

    摘要：对功率半导体器件在高压变频技术中的应用及方法进行比较论述。以某高压变频调速系统改造工程实例，介绍IGCT变频器应用的技术要求及结构特点。通过采用直接转矩控制，解决风机的起动问题。整个系统高效、节能。

    关键词：高压变频  IGCT  DTC

1 引言

    随着功率半导体器件的发展，交流电动机的速度控制发生了深刻的变化。以各种功率半导体器件构成的变频器已发展了好几代，并广泛应用于1kV以下低压电动机，而高压变频技术近十年内一直未得到满意的应用。

变频器的核心部分是功率自关断器件。绝缘栅双极晶体管IGBT具有快速的开关性能，工作频率可达20kHz，关断过程均匀，不需要缓冲电路，采用同步门驱动器，但其单管面积有限（为2.6cm2），为了提高导通电流和工作电压，只能将它串并联，做成模块使用，从而增加了设计制造的难度，变频器器件数量增加，可靠性降低。高压IGBT（耐压3～4.5kV）串联的数量相对减少一些，但其导电损耗更高，难被用户接受。因此，在大电流低损耗的应用中，GTO仍有优势，它通过门极电流来控制导通和关断，高阻断电压、大通态电流是它突出的特点。GTO芯片的直径现已达150mm，工作电压6kV，工作电流6kA。GTO的应用在高压变频技术中较成熟，并得到了较好的使用效果。GTO频率低，应用电路中需要庞大的缓冲器以补偿关断拖尾损耗，不均衡的切换也需许多附加电路来关断，控制系统复杂。

目前，一种集GTO和IGBT优点于一身的新型门极换相晶闸管IGCT已由ABB研制成功。它由GCT和硬门极驱动电路集成而成。GCT是IGCT的核心器件，由GTO改进而来。IGCT有以下特点：

（1）续流二极管集成在同一芯片上；

（2）不需要缓冲电路；

（3）门控电路与功率器件集成一体。

因此，功率密度大，可靠性极高，非常适合于结构上不采用串联方式的高压变频调速装置。它具有高阻断电压，大导通电流，低导通电压降，可忽略的开关损耗，很小的关断时间（<3μs）。ABB公司已有3.3kV、4.16kVIGCT变频器，已向中国市场推出6kV、IGCT、双PWM变频器产品。

高压大容量变频器主要有两种结构：

（1）高—低—高式，即间接高压变频器。通常由输入、输出变压器及低压通用变频器构成。其输入变压器是降压变压器，将高电压降至变频器的允许电压。经低压变频器调频后，再由升压变压器供给高压电动机负载。由于两次电压变换增加了损耗，效率下降，转矩控制性能差，特别是升压变压器的设计构造复杂，推广应用受到限制。

（2）高—高式，即直接高压变频器。该方式电磁兼容性好，谐波污染小，运行效率高（98％以上），功率因数高（0.95以上），设备占地面积小，对大容量高压电机的变频驱动效果明显。

直接高压变频技术也有以下主要方面：

①VSI－PWMNPC（中性点箝位）技术

图1为变频器结构图。

该技术具有较高的功率因数，调速范围宽，低速性能平滑，与低压通用变频器技术相似。

缺点：单电机不能实现再生回馈，谐波电流大，输出电压受限（<6kV）

②VSI－PWM多电平技术（多重化技术）

高压变频早期技术。在全速时，网侧谐波含量极低，对供电电源无污染（如ROBICON，完善无谐波高压变频器）。功率因数高，整个调速过程cosφ>0.9，无需功率因数补偿。负载侧谐波量低，逆变器逆变脉冲可达30脉波，是低压IGBT电压源技术。但此变频器的最大弱点是需特制输入变压器，其次级线圈有十几个绕阻，联结必须满足电动机全电流运行；功率器件数量较多，如输出电压4.16kV时需要60个IGBT，90个整流二极管，可靠性降低。其主电路结构、功率单元如图2及图3所示。

③CSI－PWMGTO变频技术

该变频器在全速或满负荷运行时，输出波形好，电动机无需降容使用，调速范围宽，转矩脉动低，可消除电机串联谐振，电机运行噪音小。具有再生回馈功能。有直接6kV高压变频器。

但是由于采用了电流源技术，功率因数随电机转速变化而变化，控制系统较复杂。

CSI－PWMGTO高压变频器结构图见图4。

RockwellA－B1557变频器即集中了CSI和PWM特点。它采用梯形调制消除了电动机在低频运行时的所有谐波，而有选择的谐波消除法和采用负载侧电容器消除在高频运行时的主要谐波成份及转矩共振。是一种较为理想的高压变频器产品，并取得了较好的市场应用成果。

2 闪速炉风机的工艺特点及现状

如图5所示为某闪速炉铜冶炼工艺SO2烟气系统流程图。

图中可知，送、排风机及SO2风机是整个烟气流程的关键设备，没有这些风机，烟气便不能流通。因为转炉吹炼采用双炉期交换作业，转炉作业是间隙的。烟气量随吹炼期和停风期而从最大值到零之间剧烈波动。为了适应这种范围的变动，保证制酸工厂入口烟气的压力（负压）比较稳定，以保护制酸厂的稳定生产和设备安全，必须对烟气流程的送、排风机和SO2风机进行调速。由于这些风机的容量都非常大，从5、6百千瓦到几千千瓦，负荷占全厂电力负荷的40％左右。因此，采用调速方式是有效节能的重要课题。

某大型铜冶炼厂早期引进日本住友金属矿山闪速炉工艺技术，其闪速炉排风机电动机及其电控设备均为明电舍（Meiden）株式会社1980年制造，主要技术参数如下：

风机：双吸入径向风机，No16DMR(BO型），2台，1台备用。

风量2230Nm3/min，风压450mmHg，转速920r/min。

驱动电机：TF－ERD500LM型绕线式异步电动机，6kV，6p，700kW。

调速方法采用液体（碳酸钠水溶液950ml）变阻器，配套设备有冷却液循环系统、冷却器及变速用伺服机构。整套装置复杂、庞大。

电阻器是耗能元件，当液阻串接于电动机转子回路中处于长期工作状态，尽管阻值很小，但其发热的连续累积使电机调速和起动过程中的能耗增大。

采用液体变阻器调速时的功率损失△P为：

△P≈SP1=[(n0－n）/n0]P1=(1－i)P1

式中：P1—电动机输入功率

i—速比n/n0

可见，电动机转差愈大，其功耗损失愈大。特别是当深调速时（风机转速低时）损失更大。而采用变频调速，节能效果明显。如图6为风机（输入功率—风量、转速）运行特性。有资料表明，大容量风机、水泵采用高压变频调速器驱动后，其综合节电可达30％～45％。

图7为闪速炉排风机特性曲线。该风机为大惯量负载。整套设备已使用近二十年，且工作环境差，性能参数恶化。由于风机叶片受SO2等气体残污粘结，静阻力矩增大，给电动机的起动带来很大困难，有时还需采用特殊方法（吊车拉绳）进行盘车起动，严重影响了冶炼厂的正常生产。

因此，采用高压变频技术改造现有的风机调速控制系统势在必行。

3 系统改造设计及电机起动转矩性能分析

3.1 系统改造

根据低压变频器的应用经验和对高压变频器的技术比较分析，我们采用了ABBACS1000变频器，其输入整流12脉冲，网侧谐波满足IEEE519要求，新型功率半导体器件IGCT，三电平VSI逆变器结构，ABB专利—DTC控制技术。风机“工作”“备用”切换控制采用真空接触器。

排风机由绕线式异步电动机驱动，转子绕组为星形联接的。绕组的另一端分别与三个集电环相联，通过集电环、电刷和外接液阻调速器联接。采用变频调速时，转子绕组已没有必要外接电阻，为避免电刷与集电环之间因接触不良引起故障，而将绕组接集电环的三根线短接，并将电刷抬起。其转子电路改造如图8所示。

由于ACS1000高压变频器输出电压为3.3kV，还需对6kV电动机定子线圈作Y－△转换，如图9所示。由于使用相同的电动机模型，△接的电动机控制方式与Y接的电动机完全相同，输出轴功率不变。并且，改接后电动机绕组间电压是3.3kV，等于将原电机的绝缘等级提高近一倍，非常适合该风机的变频改造运行。

3.2 电动机转矩性能分析

风机在起动过程中，其阻转矩随转速的上升而迅速上升。当起动完毕后，阻转矩达（0.6～1.0）Me。闪速炉排风机起动初期由于滑动轴承中的油膜尚未形成，呈现的静摩擦阻力矩较动摩擦阻力矩为大，并且运行环境SO2等气体残污粘结，都使起动时的阻转矩加大。

图10为异步电动机的转矩特性。

目前异步电动机的矢量控制方案，大多采用转子磁链定向方式。由于力矩与ω2成直线关系，不受定子频率f1的变化而改变，与f1无关。电动机的控制是U1、f1、ψ2=C的关系必须由U1与f1之间的关系来保证。ψ2是气隙磁链ψm和转子漏磁链ψ12的矢量和。当负载增加时，转子漏磁链的幅值随之增加，导致气隙磁链ψm的增加，电机的功率因数和效率将会变差，铁心可能进入高饱和。对于要求快速起动和满载起动的情况，则应保持电动机的主磁通为额定值。在变频软起动过程中，为尽量减小起动电流而减小了变频器的起动容量。因此，通常通过设定起动时间（相当于间接地选择了起动过程中的动态转矩），减小起动电流和起动损耗。

ACS1000IGCT变频器采用了ABB独有的直接转矩控制（DTC）方式。直接在定子坐标系下分析电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。控制磁场所用的是定子磁链ψm，只要知道定子电阻就可把它观测出来。而矢量控制的转子磁链定向，需要转子电阻和电感（转子磁链难于准确观测）。因此DTC大大减少了矢量控制技术中转矩控制易受参数影响的问题。变频器通过DSP处理电动机状态（40，000次/秒），实现对逆变器中每个开关状态进行分别确定，使传动装置始终保持最佳开关组合，对负载突变或电源干扰引起的动态变化作出迅速反应，无需反馈转子位置信号进行精确的速度和转矩控制，可在零转速时产生满载转矩。

调试运行说明ACS1000完全满足闪速炉排风机起动转矩和调速性能要求。

4 IGCT变频器的结构特点

IGCT是变频器的心脏，它以脉宽调制（PWM）方式控制输出频率和输出电压的幅值，由于DTC技术在控制上的应用，不需要特殊的脉宽调制器。在逆变器中有三个电位：直流母排正电位、中性点N、直流母排负电位。在逆变器工作的某一时间，每一桥臂上中间的两个IGCT会产生中性点箝位作用。ACS1000IGCT变频器采用的即为三电位、中性点箝位的逆变器电路结构。该三电位结构可产生好的输出波形，谐波成份小，使正弦波滤波器的容量减小，空间得到优化。

IGCT变频器主电路结构图如图11所示。

直流母排中的IGCT与输入整流桥的正端和负端串联。在通电的初始阶段，IGCT呈截止状态，电容器通过预充电电阻充电。一旦直流电压上升至其最终值的79％。IGCT进入导通状态，成为输入整流桥和直流母排的主连接通道，一旦出现输出电流故障，IGCT马上截止以防整流桥故障。IGCT的快速关断能力（≈1μs）使IGCT变频器具有良好的无熔丝故障保护功能。

变频器中有两个电抗器，用来限制输入到逆变器电路中相应的上、下两部分电流的上升率，以防止IGCT承受过高的di/dt。当直接接在直流母排上的一个IGCT导通时，从直流母排上吸取的电流迅速增加，在很短的时间内（几μs），电抗器产生一个反电势阻止电流的增大，从而有效地限制di/dt。与每个电抗器相关的二极管、电阻和电容器组将电抗器在上述过程中储存的能量释放掉，当逆变器中IGCT关断时，防止过高的电压加在IGCT上。

直流母排电容对整流桥的输出进行滤波，使整流母排成为低阻抗的电压源供逆变器工作。其结构除了直流电压被两组串联的电容器等分外，其余类似于任何电压型逆变器，由上端和下端的电容器组构成了三电位逆变器所要求的直流母排三点结构（＋，N，－）。

通用变频器的逆变器开关相当于一个共模电压源。变压器绕组和电缆分布电容通过吸收逆变器产生的每一个开关的边缘电流，来对共模电压作出反应。IGCT变频器直流母排共模电抗器的作用类似于变压器，并与共模抑制电阻一起对反向电压和电流进行抑制。共模电抗器有效地将一组并联的电阻和电抗与逆变器等效的共模电压源串联，使电压的瞬态扰动和尖峰被抑制在安全范围内。

逆变器的输出直接接到一组低通LC滤波器上。该滤波器对逆变器输出进行滤波并消除高频电压成份，从而大大减少了加到电动机的电压谐波含量，dv/dt的影响也大大削弱，电动机出线端的电压振荡得到消除。

LC滤波器中的电容器为Y接，公共点接地，可以使电动机有效隔离逆变器正常工作时产生的共模电压，由共模电压的快速变化而引起的电动机高频轴电流问题不再存在。为了使逆变器开关频率获得较好的滤波效果，LC滤波器通常采用较低的谐振频率。但若要过滤那些接近逆变器所产生的基波频率的低频波形，会使滤波器产生不能接受的谐振电流。基于此，IGCT变频器在对电动机进行控制的同时，主动监测并控制滤波器吸收的电流。采用这种与滤波器相结合的独特的双用途控制技术，使IGCT变频器能产生很好的输出波形。

5 结语

据有关资料分析，目前国内需要调速运行的高压大功率电动机总装机容量达860万千瓦，每年大电机的产量中至少有50万千瓦需要调速运行。因此高压大电机，特别是大容量风机、水泵的变频调速市场极其广阔，社会经济效益显著。

采用直接转矩控制方式的IGCT变频器是高压变频技术理想的系统解决方案，具有良好的应用前景。