高压大容量变频技术ppt课件

1、现代电力电子及高性能现代电力电子及高性能大容量交流调速技术大容量交流调速技术 -现状及进展现状及进展主要内容F现代电力电子技术概述现代电力电子技术概述F高压大容量变频器原理及构造高压大容量变频器原理及构造F高性能大容量交流调速系统高性能大容量交流调速系统F结论和问题结论和问题一个中心技术一个中心技术三个根本特征三个根本特征五个开展方向五个开展方向多种运用领域多种运用领域一、 概 述现代电力现代电力电子技术电子技术一个中心技术一个中心技术电源电源变频变频定频定频开关开关有源有源无功无功现代电力电子技术现代电力电子技术三个根本特征三个根本特征电能处置与节能电能处置与节能弱电控制强电弱电控制强电高技

2、术的支撑高技术的支撑现代电力电子技术五个开展方向五个开展方向高功率密度高功率密度高压大功率高压大功率高功率因数高功率因数高性能高性能高频高效高频高效现代电力电子技术多种运用领域多种运用领域 电源系统电力系统储能系统现代交通系统 电气传动系统现代电力电子技术的开展趋势F高频化高频化FBJT 10kHzFIGBT 几十几十kHzFMOSFET 几百几百kHzF高效率高效率F软开关技术软开关技术现代电力电子技术的开展趋势F高功率密度组合化高功率密度组合化FSCR + MOSFET = MCTFGTO +MOSFET = IGCTFBJT + MOSFET = IGBTFIGBT + DRIVE =

3、IPM 规范化，量产；规范化，量产；可制造性，降低本钱可制造性，降低本钱现代电力电子技术的开展趋势F高压大功率高压大功率FGTO 6000V/6000A 4500V/4500AFIGBT 3300V/2400A 4500V/1200A FIGCT 4500V/4000AFBJT 1400V300AFMOSFET 500V/240A现代电力电子技术的开展趋势F高功率因数高功率因数F 功率因数功率因数 谐波污染谐波污染FSCR相控整流相控整流 低低 较大较大FDIODE整流整流 高高 仍有仍有FPWM整流整流(PFC) 1 THD小小 F全数字控制全数字控制F单片机单片机 + DSP = TNMS

4、320F240 二、二、 高压大功率变频器高压大功率变频器原理及构造原理及构造2.1 运用领域运用领域电能消费和消费电能消费和消费我国能源消费总值居于世界前茅，我国能源消费总值居于世界前茅，但是单位产值能耗太大，节能方但是单位产值能耗太大，节能方面差距很大。面差距很大。 我国发电量的我国发电量的60607070左右用左右用于推进电动机做功，其中于推进电动机做功，其中9090的的电机是交流电机，大部分为电机是交流电机，大部分为40040040000Kw40000Kw，3 310Kv10Kv的大功率高压的大功率高压交流电动机。由于采用直接恒速交流电动机。由于采用直接恒速拖动，每年呵斥大量的能源浪费

5、。拖动，每年呵斥大量的能源浪费。节能的潜力节能的潜力w 占工业用电30以上的各种风机、泵类负载，工况变化较大，如采用交流调速技术实现变速运转，节能效果明显。以平均节电20计算，对全国来说年节电500亿度，同时可以相应减少2000万吨发电用煤，50万吨二氧化硫和1200万吨二氧化碳的排放。w 改造终了构成的产业市场容量达1500亿元。高性能调速系统高性能调速系统w 在轧钢、造纸、水泥制造、矿井提升、轮船推进器等传统工业的改造和高速列车、城市地铁轻轨 、电动汽车等现代化交通工具的驱动中也需求运用大容量的调速系统, 以提高系统性能和消费效率。 高性能调速系统高性能调速系统 国内铁路市场分析: 干线车

6、：未来十年内机车数量：4000 台 牵引变频器价值占总额：约 30%达 152 - 200 亿人民币 地铁、轻轨： 未来五至十年机车数量：1500 台 牵引变频器价值占总额：约 30%达 36 亿人民币高压高压PWMPWM变频技术变频技术元件串联 电压型二电平 ALSTOM 电流型 (ROCKWELL) 多电平H桥 ROBICON 三电平 SIEMENS 电容浮动 ALSTOM 变压器高低高 SIEMENS，安川2.2 国外公司和国内现状国外公司和国内现状国外公司情况国外公司情况欧美公司欧美公司1)SIEMENS 1)SIEMENS 工程工程+ +产品产品* * SIMOVET SIMOVET

7、A A系列，晶闸管电流型，低价、成熟系列，晶闸管电流型，低价、成熟, , 淘汰技术。淘汰技术。* * MV MV6SE806SE80系列中压变频器系列中压变频器, , 高压高压3 36KV IGBT6KV IGBT，三电平，目的产品，开展趋势，已在国内推三电平，目的产品，开展趋势，已在国内推2020台，台，* * 天津有合资厂，消费低压天津有合资厂，消费低压 6SE70 6SE70，6RA706RA70，20002000年开场组装中压产品。年开场组装中压产品。* * 技术战略技术战略1000KW1000KW以下采用以下采用MDMD低压电机兰州电机厂低压电机兰州电机厂1500KW1500KW以上

8、采用以上采用MVMV800KW800KW1500KW1500KWMDMD或或MVMV高中高高中高国外公司情况国外公司情况2)ABB 2)ABB 工程为主工程为主* * 中压变频器中压变频器ASC1000ASC1000系列，系列， 采用采用IGCTIGCT，三电平，三电平， 目的产品，体积小，目的产品，体积小， DTC DTC直接转矩控制。直接转矩控制。* * 北京有合资厂北京有合资厂, , 消费低压消费低压 600 600，500500系列变频器系列变频器, , 未来能够组装高压产品。未来能够组装高压产品。3)GE 3)GE 工程为主工程为主* * INNOVITION MV INNOVITI

9、ON MV系列中压变频器系列中压变频器 , IGCT , IGCT、IGBTIGBT 三电平三电平, , 三电平三电平HH桥，主要运用大功率轧机传动。桥，主要运用大功率轧机传动。* * 上海合资厂已解除，建研讨中心，目前没有大上海合资厂已解除，建研讨中心，目前没有大 规模风机，水泵推行方案，在美国规模风机，水泵推行方案，在美国FUJIFUJI低压变频器，低压变频器， ROBICON ROBICON中压变频器打中压变频器打GEGE产品系列铭牌。产品系列铭牌。* *20002000年年GEGE与与TOSHIBATOSHIBA合资建大传动公司。合资建大传动公司。国外公司情况国外公司情况4)ROBIC

10、ON 4)ROBICON 产品产品. .* * 中压变频器中压变频器HH桥技术的代表桥技术的代表, , 低压变频器技术的延伸，低压变频器技术的延伸， 在国际上流行，开展快，已有在国际上流行，开展快，已有4040台在中国用，价钱适中，台在中国用，价钱适中，效果好，技术过渡产品。效果好，技术过渡产品。* * 国内代理多，技术仿制多国内代理多，技术仿制多, , 没有在中国建厂，同华能商没有在中国建厂，同华能商议协作散件组装。议协作散件组装。5)ANSALDO 5)ANSALDO 工程工程+ +产品产品* * 中压变频器采用高压中压变频器采用高压3KV IGBT3KV IGBT，HH桥串技术，技术独桥

11、串技术，技术独特，还没有在中国推行。特，还没有在中国推行。* * IGBT IGBT三电平三电平3KV3KV变频器变频器, , 到达到达5000KW, 5000KW, 运用于大功运用于大功率轧机主传动。率轧机主传动。* * 北整厂同北整厂同ANSALDOANSALDO有协作，能够代理，散件组装。有协作，能够代理，散件组装。国外公司情况国外公司情况6)ROCKWELL ( AB ) 6)ROCKWELL ( AB ) 产品产品* * 1557 1557系列中压变频器，采用系列中压变频器，采用GTOGTO电流型电流型, GTO, GTO元元件串联，件串联，5 5年前占北美风机，水泵市场年前占北美风

12、机，水泵市场70%70%，技术目，技术目前已落后，在中国已推前已落后，在中国已推1010余台。余台。* * AB AB目前同目前同RELANCERELANCE合并，运用于大功率轧机传合并，运用于大功率轧机传动的动的IGBTIGBT三电平三电平15671567系列中压变频器停产，采用系列中压变频器停产，采用SGCTSGCT的的PowerFlex 7000PowerFlex 7000电流型变频已推出。电流型变频已推出。国外公司情况国外公司情况日本公司日本公司7)7)东芝东芝* * TOSVERT TOSVERTMVMV系列中压变频器，系列中压变频器，H H桥，桥，1700V IGBT1700V I

13、GBT，3KV3KV规范产品，两个规范产品，两个3KV MV3KV MV串接构成串接构成6KV6KV产品，初入产品，初入中国市场。中国市场。* * 2000 2000年同年同GEGE合资建大传动公司。合资建大传动公司。8)8)三菱三菱* * 低压变频器占中国低压变频器占中国1/41/4左右，高压左右，高压GTOGTO，GCTGCT三电平三电平中压变频器用于大功率轧机传动，中压变频器用于大功率轧机传动， IGBT IGBT三电平用于三电平用于轧机辅传动，在钢铁业宝山、鞍山有影响，上海建宝轧机辅传动，在钢铁业宝山、鞍山有影响，上海建宝菱公司。菱公司。* * 1999 1999年推出年推出IGBTI

14、GBT，HH桥桥3KV3KV电压变频器。电压变频器。国外公司情况国外公司情况9)FUJI9)FUJI* * 低压变频器占中国低压变频器占中国1/31/3左右左右, ,开场推出开场推出3KV3KV中压变中压变频器，频器， 三电平三电平IGBTIGBT单相单相HH桥，级联成中压变频器桥，级联成中压变频器, , H H桥与三电平结合，技术独特，桥与三电平结合，技术独特，20002000年开场进入年开场进入中国。中国。 国内研讨现状国内研讨现状目前比较成熟的有晶闸管直流电机调速, 可控硅交交变频调速等，采用的构造为：w普通三相逆变器w降压普通变频升压电路w交交变频电路w变压器耦合的多脉冲逆变器传统大功

15、率逆变器拓扑构造的缺陷w 研讨比较成熟，但在实现大功率的同时，性能上没有什么突破，且w . 安装复杂，制造本钱高w . 控制方式可靠性低w . 对电网污染严重，功率因数低，无功损耗大，w 须附加谐波治理安装，设备本钱成倍添加2.3 2.3 新型大功率变频器拓扑构造新型大功率变频器拓扑构造 F经过多电平逆变器上电压F经过器件的并联上电流F采用多相电机高压大容量的实现方法：高压大容量的实现方法：新型多电平电压型逆变器w 日本长岗科技大学A. Nabae等人于1980年在IAS年会上初次提出三电平逆变器，为高压大容量电压型逆变器的研制开辟了一条新思绪。w 以后经过多年的研讨开展出几种主要的拓扑构造，

16、为高压大容量高性能逆变器提供了新的开展方向多电平逆变器相比传统两电平的优点w 更适宜大容量、高电压场所w 可产生M层阶梯输出电压，对阶梯波再作调制，可以得到很好近似的正弦波，含有谐波数很低w 电磁干扰EMI问题大大减轻，一次动作的dv/dt只需普通双电平的1/(M-1)w 消除谐波效率高，损耗低，效率高1、二极管箝位式多电平逆变器图1 二极管箝位式三电平逆变器拓扑图2 二极管箝位式五电平逆变器 多电平逆变器相电压输出波形 输出相电压为七电平常的电压波形。实验结果阐明输出相电压的dv/dt减小了七倍，输出电压的THD和输出电流的THD都大大减小。传统二极管箝位式拓扑的特点w 二极管箝位式拓扑具有

17、多电平逆变器共同的优点，但存在本身缺乏：w 箝位二极管接受电压不均匀w 器件所需额定电流不同w 不同级的直流侧电容电压在传送有功功率时出现不平衡景象w 不能实现有功功率的双向流动w 改良构造处理了多个箝位二极管串联均压问题。改良二极管箝位式拓扑1图3 二极管箝位式改良拓扑1w在图3的两个相邻箝位二极管上加箝位电容 。w处理了二极管串联问题，电容对器件关断时的过压进展箝位。w经过电容充放电，减小电容电压的不平衡。w所加电容能实现电流的双向流动。改良二极管箝位式拓扑2图3 二极管箝位式改良拓扑2w 经过附加电路让电容能量只在电源电容之间流动，可维持电压稳定。图4的balancer电路即是让能量经过

18、电感L在电容C1与C2之间传送，坚持电压恒定。改良二极管箝位式拓扑3图4 二极管箝位式改良拓扑3w 图5所示拓扑构造左边整流部分与右边逆变部分完全一样，采用两个多电平二极管箝位式多电平变换器并联，中间辅助直流斩波器能平衡直流侧电容电压改良二极管箝位式拓扑4图5 二极管箝位式改良拓扑4w 假设将两个一样变换器背对背运用，左边作为整流器，右边作为逆变器，直流侧电容相应节点进展衔接，可平衡电容电压改良二极管箝位式拓扑5图6 二极管箝位式改良拓扑52、电容箝位式多电平逆变器 由T.A.Meynard和H.Foch在1992年PESC年会上提出。最初目的是减少二极管嵌位多电平变流器在较多电平情况下过多的

19、嵌位二极管。即采用悬浮电容器来替代嵌位二极管任务，直流侧的电容不变。任务原理与二极管箝位式变流器类似。但在电压合成方面，开关形状的选择比二极管箝位式具有更大的灵敏性。图7 电容箝位式多电平变流器拓扑构造拓扑构造虽省去了大量的二极管, 但又引入不少电容。对高压大容量系统而言, 电容体积庞大、占地多、本钱高、封装不易。电容的引进使电压合成的选择增多, 经过在同一电平上进展适宜的不同开关形状的组合, 可使电容电压坚持平衡,可较好地运用于有功 调理和变频调速系统。控制方法非常复杂, 而且开关频率将增高,开 关损耗加大, 效率随之降低。电容箝位式拓扑构造的特点为坚持电容电压的平衡，Meynard提出了一

20、种采用背对背的变流器构造来调整电容充放电的平衡，并采用成一定比例的开关方式来同时控制整流桥和逆变桥，使得流向电容的功率和从电容流出的功率一样。经过对电容电压进展检测，假设出现不平衡，可以适当改动整流桥的控制。缺陷：引入了大量的悬浮电容，而且存在着电容电压平衡的问题，难得到实践运用。电容悬浮式多电平变流器3、带分别直流电源的串联型图8 带分别直流电源的串桥式逆变器构造直流侧采用电压一样但相互隔离的直流电源，不存在电压平衡问题，无须二极管或电容箝位，易于进展调速控制; 因每个H桥都采用单相控制，直流电容在任一时辰都有交流电流经过，因此需求用较大容量的直流电容控制方法相对简单。因每一级构造的一样性,

21、 可分别对每一级进展PWM控制, 然后进展波形重组带分别直流电源的串联型逆变器的特点普通二极管嵌位式、电容悬浮式限于三或五电平，串联型构造电平数可较多，适宜更高电压，谐波含量更少; 对一样电平数, 串联型构造所需器件数目最少由于每一级逆变桥构造一样, 给模块化设计和制造带来方便, 且装配简单, 系统可靠性高。另外, 某一级逆变桥出现缺点时, 就被旁路掉, 剩余模块可不延续供电, 以尽量减少消费损失带分别直流电源的串联型逆变器的特点w因这种构造较容易采用低压的功率开关器件，实现多级电压串联，获得高电压，大容量，因此具有较大的适用性。w国际上很多著名的电气公司包括罗宾康、东芝、ANSLADO、三菱

22、都曾经具有同类的产品，可用w在高压大容量电机调速、无功补偿等一些行业。w国内也有产品问世，用于拖动风机、水泵等调速系统中。带分别直流电源的串联型逆变器的运用4、三相逆变器串联式1999年 Cengelci E等人提出了一种新型的变压器耦合式单元串联高压变频构造。其主要思想是用变压器将三个由高压IGBT或IGCT构成的常规逆变器单元的输出叠加起来，实现更高压的输出，并且这三个常规逆变器可采用同一种控制方式，电路构造和控制方法都大大简化图9 三相逆变器串联式逆变器拓扑构造图三个常规的逆变器为中心构成高压变频器，且每个常规逆变器可采用常用PWM方法三个常规的逆变器平衡运转，各分担总输出功率的1/3整

23、个变频器输出可等效为7电平PWM控制，谐波小和dv/dt低输出变压器的容量只需总容量的1/318脉冲输入，网侧无谐波且功率因数高三相逆变器串联式逆变器的优点由于三个逆变器电压、电流和功率完全对称，三个逆变器可采用完全一样的控制规律，但是相当于两电平的高压变频器，dv/dt太大可以采用将三个逆变器的PWM信号相互错开1/3周期的方法，对SPWM来说就是三个逆变器各自采用一个三角波，相位互差1200。相当于一个线电压为7电平的高频变压器 三相逆变器串联式逆变器的控制战略图10 电机线电压PWM波形图11 输出变压器绕组图三、 高性能大容量 交流调速系统 多电平变频器的空间 矢量PWM控制 多电平逆

24、变器控制战略主要有两大类，即非PWM控制和PWM控制。当逆变器电平数达11电平以上时，输出阶梯波形曾经很好近似正弦波，在对谐波要求不严厉场所，采用优化开关角控制即可，无需再作PWM。当电平数较少或必需严厉限制谐波时，需采用PWM控制。 大功率逆变器电路拓扑构造不断更新的同时，相应的PWM控制技术也得到了飞速的开展。随着多电平电路拓扑构造的出现，PWM控制技术又有了许多新的进展空间电压矢量PWM法，是以三相对称正弦波电压供电时交流电动机的理想磁通为基准，用逆变器不同的开关方式所产生的实践磁通去逼近基准圆磁通，由比较结果断定逆变器的开关顺序，构成所需的PWM 波形。在SVPWM法中，定义合成电压矢

25、量 )(222sssuuuvcbacbaEd其中ej32对180导通形逆变器，sa、sb、sc每个变量有两个形状0或者1，三相桥臂开关共有8个形状，包括6个非零矢量和2个零矢量。 对应的6个非零矢量的运动轨迹为六边形。采用控制电压矢量导通时间的方法，用尽能够多的多边形磁通轨迹逼近理想的圆形磁通，或者采用磁通闭环的方式产生PWM波形，可以有效地改善低速磁通和电流波形，抑制电机的脉动和噪音。多电平空间矢量PWM控制特点消除谐波效果类似于多电平SPWM对于三电平，五电平逆变器，开关方式容易计算，易于数字化实现。但随电平数添加，开关方式的计算量剧增，而且所需内存添加很多开关方式选择冗余度大。选择适宜矢

26、量，可到达消除共模电压作用，而且对于二极管箝位式多电平逆变器，可消除或减小直流侧电容电压的不平衡性 其中，形状量Sa,Sb,Sc 均各有0、 +1、 -1 三种形状，这样共可获得33=27 种形状，其中包括6个长矢量，6个中矢量，12个短矢量和3个零矢量。在这些电压矢量中，零矢量对应3种开关形状，与中间的正六边形顶点相对应的矢量存在着两种开关形状。实践控制中，选取适当的空间矢量组合和电压矢量导通时间，可得到很逼近圆形的磁通。对中点箝位式三电平逆变器，合成电压矢量对中点箝位式三电平逆变器，合成电压矢量vu uus ssabcabcdE222()其中ej32opnponnponpppnopnppo

27、ponoonpoppnoonnpnopoppnooopononppooonppnpooonnpnnnpn图12 三电平NPC电路矢量图三电平电压空间矢量PWM控制w 优势：优化开关矢量，降低开关频率，减小交流侧电流的总谐波畸变率，易于进展中点电电压控制w 其实现取决于微处置器的性能，尤其是运算速度w 首要义务：根据控制系统电压给定值，选取适当的开关形状以减小输出电压的谐波w 本质：经过在每个开关周期中，用参考矢量所在小三角形中三个顶点矢量来进展等效，结合参考电压和该三角形三个顶点矢量，实现该矢量的PWM调制w 方法：根据三电平电压空间矢量PWM控制和给定电压表达式的算法，计算给定电压在矢量图中

28、小三角形的位置，并计算出各个顶点应该占有的时间w 电压开关矢量的顺序选择和作用时间：w 首先确定给定电压矢量所处的三角形位置和替代其三个矢量的作用时间，然后进展开关矢量顺序选择和划分。同时保证变流器的稳定平安运转以及尽能够减小交流侧电压谐波w 直流电容电压平衡建模与算法：w 结合思索直流电容电压平衡的情况和给定电压的位置区间，经过适中选取t值，某些特殊情况下，结合调整直流电容的值，或经过在给定电压远离中开关矢量，来调理直流电容电压的平衡三电平电压空间矢量PWM控制对三电平变流器的实践分析和仿真实验阐明：假设不对直流电容电压平衡进展实时的校正，那么变流器的直流电容电压会出现较大的浮动，这样会大大

29、提高系统的交流谐波含量，加大功率器件的耐压，降低安装的可靠性。这种基于检测交流电流瞬时方向的直流电容电压平衡算法，实现简单，可以不受变流器的实践功率流向和功率因数的影响，在恣意功率流动方向下，一直以较快的速度维持了直流电容电压的平衡。三电平电压空间矢量PWM控制2. 多电平PWM逆变器中点电压平衡问题w 意义艰苦，处理难度大w 目前国外研讨进展：w 中点电压控制问题普遍注重，各种控制战略的提出并予以运用，直流电压平衡上已得到胜利的运转。其中一些到达了在控制中点电压的同时防止了极窄脉冲缺点的问题，另一些那么经过不在最大电流时开关动作以使损耗最小化，或者结合前端逆变器来实现中点电压的控制。但是，最终它们都没有能在各种负载情况下对中点电压的控制难题提出根本的处理方案中点电压偏移缘由 3倍输出频率的大电流流过中性点器件特性等的分散性与负载性质及开关形状有关等：电压式三点式逆变器大多采用电容分压构