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高压电机的调速技术
作者:山东西子电机 发布日期:2019-09-23 18:19

  

  
  
高压电机调速技术可分为如下几种:
高低型变频(frequency conversion)器
变频(frequency conversion)器为低压变频器,输入侧采用变压器将高压变为低压,将高压电机换掉,采用特殊的低压电机,电机的电压水平多种多样,没有统一标准。
这种做法由于采用低压变频(frequency conversion)器,容量也比较小,对电网侧的谐波较大,可以采用12脉冲整流减少谐波,但是满足不了对谐波的严格要求。在变频器出现故障时,电机不能投入到工频电网运行,在有些不能停机的场合应用会有问题。另外,电机和电缆都要更换,工程量比较大。
高低高型变频(frequency conversion)器
变频器为低压变频器,采用输入降压变压器和输出升压变压器实现与高压电网和电机的接口,这是当时高压变频技术未成熟时的一种过渡技术。
由于低压变频器电压低,电流却不可能无限制的上升,限制了这种变频器的容量。由于输出变压器的存在,使系统的效率降低,占地面积增大;另外,输出变压器在低频时磁耦合能力减弱,使变频器在启动时带载能力减弱。对电网的谐波大,如果采用12脉冲整流可以减少谐波,但是满足不了对谐波的严格要求;输出变压器在升压的同时,对变频器产生dv/dt也同等放大,必须加装滤波器才能适用于普通电机,否则会产生电晕放电、绝缘损坏的情况。如果采用特殊的变频电机可以避免这种情况,但是就不如采用高低型的变频器了。
液力耦合(Coupling)器
在电机轴和负载轴之间加入叶轮,调节叶轮之间液体(一般为油)的压力,达到调节负载转速的目的。这种调速方法实质上是转差功率消耗型的做法,其主要缺点是随着转速下降效率越来越低、需要断开电机与负载进行安装、维护工作量大,过一段时间就需要对轴封、轴承等部件进行更换,现场一般较脏,显得设备档次低,属淘汰(eliminate)技术。
早期对调速技术比较感兴趣的厂家,或者是因为当初没有高压调速技术可以选择,或者是考虑到成本的因素,对液力耦合(Coupling)器有一些应用。如自来水公司的水泵、电厂的锅炉给水泵和引风机(Draught Fan)、炼钢厂的除尘风机等。如今,一些老的设备在改造中已经逐渐被高压变频替换掉。
电流源型直接高压变频(frequency conversion)器
这种变频器,输入侧采用可控硅进行整流,采用电感储能,逆变侧用SGCT作为开关元件,为传统的两电平结构。

由于器件的耐压水平有限,必须采用多个器件串联。器件串联是一种非常复杂的工程应用技术,理论上说可靠性很低,但有的公司可以做到产品化的地步。由于输出侧只有两个电平,电机承受的dv/dt较大,必须采用输出滤波器。电网侧的多脉冲整流器为可选件,用户需要针对自己的工厂情况提出要求。这种变频器的主要优点是不需要外加电路就可以将负载的惯性能量回馈到电网。
电流源型变频器的主要缺点是电网侧功率因数低,谐波大,而且随着工况的变化而变,不好补偿。
串级调速变频器
将异步电机部分转子能量回馈至电网,从而改变转子滑差实现调速,这种调速方式采用可控硅技术,需要使用绕线式异步电动机,而如今工业现场几乎都采用鼠笼式异步电动机,更换电机非常麻烦。这种调速方式的调速范围一般在70%-95%左右,调速范围窄。可控硅技术容易造成对电网的谐波污染;随着转速的降低,电网侧功率因数也变低,需要采取措施补偿。其优点是变频部分容量较小,比其他高压交流变频调速技术成本稍低。
这种调速方式有一种变化形式,即内反馈调速系统,省却了逆变部分的变压器(Transformer),将反馈绕组直接做在定子绕组里,这种做法要更换马达,其他方面的性能与串级调速接近。
串级调速马达受转子滑环的影响,不能做到很大功率(High-power),滑环维护工作量也大,属于七八十年代的落后技术,工业应用已经越来越少。
功率模块串联多电平变频器
这种变频器(Variable-frequency Drive)采用低压变频器串联的方式实现高压,是电压源型变频器。高压电机指额定电压在1000V以上的电动机。常使用的是6000V和10000V电压,由于国外的电网不同,也有3300V和6600V的电压等级。高压电机优点是功率大,承受冲击能力强;缺点是惯性大,启动和制动都困难它的输入侧采用移相降压型变压器,实现18脉冲以上的整流方式,满足国际上对电网谐波的最严格的要求。在带负载时,电网侧功率因数可达到95%以上。在输出侧采用多级PWM技术,dv/dt小,谐波少,满足普通异步电机的需要。可根据负载的需要设计变频器的输出电压,是解决6K
  V、10KV马达调速的较好办法。功率电路采用标准模块化设计,更换简单,所用器件在国内采购也比较容易。
这种变频器采用低压IGBT作为逆变元件,与采用高压IGBT的三电平变频器相比,功率元件数目较多,但技术上较成熟。与采用高压IGCT的三电平变频器相比,功率元件数目较多,但总元件数目却较少,因为IGCT需要非常复杂的辅助关断电路。
由于整流变压器(Transformer)与功率(指物体在单位时间内所做的功的多少)模块的连线较多,因此变压器不能与变频器分开放置,在空间有限的场合不是很灵活。
电压源型三电平变频器
这种变频器采用晶体二极管整流,电容储能,IGBT或IGCT逆变。三电平的逆变形式,采用二极管钳位的方式,解决了两个器件串联的难题,技术上比两个器件简单直接串联容易,同时,增加了一个输出电平,使输出波形比两电平好。
这种变频器的主要问题是:由于采用高压器件,输出侧的dv/dt仍旧比较严重,需要采用输出滤波器(filter)。高压电机产生是由于电机功率与电压和电流的乘积成正比,因此低压电机功率增大到一定程度(如300KW/380V)电流受到导线的允许承受能力的限制就难以做大,或成本过高。需要通过提高电压实现大功率输出。由于受到器件耐压水平的限制,最高电压只能做到4160V,要适应6KV和10KV电网的需要,更换电机是一种做法,但是造成故障时向电网旁路较麻烦。对于6KV电机有一种变通做法,就是将电机由星型接法改为角型接法,这样电机的电压就变为3KV;这种做法使电机的环流损耗上升,国内已经有烧毁电机的事例,有可能与此有关。还有的公司用这种变频器实现高低高方式,使容量比原来采用低压变频器实现高低高方式时大,但是高低高方式所存在的问题依然存在。
三电平变频器(Variable-frequency Drive)一般采用12脉冲整流方式。

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