高壓繞線式交流異步電機(jī)采用轉(zhuǎn)子變頻器有關(guān)問題的分析

張選正

(索肯和平(上海)電氣有限公司，上海 201908)

0 引言

高低壓變頻器在國內(nèi)面世20年以來，已廣泛應(yīng)用在各行各業(yè)中，且每年以20%的遞增率增長，使用率已達(dá)30%以上，由此可見發(fā)展前景良好，新品亦不斷出現(xiàn)。由深圳市科陸變頻器有限公司研究開發(fā)并已生產(chǎn)的四象限轉(zhuǎn)子變頻器CL1700系列即是個(gè)創(chuàng)新產(chǎn)品。

1 變頻器輸出接繞線電機(jī)轉(zhuǎn)子

極大多數(shù)變頻器輸出是接電機(jī)的定子繞組方式來調(diào)速或節(jié)電的，如圖1所示。

圖1 變頻器輸出接電機(jī)定子繞組

高壓配電3 kV、6 kV、10 kV的高壓電機(jī)，必須使用高壓變頻器與之相配。通常有二電平、三電平、多電平拓?fù)涞入娐方Y(jié)構(gòu)，而主電路功率器件IGBT或IGCT必須是高壓，甚至要多個(gè)串聯(lián)，這樣使用器件數(shù)量多、電路復(fù)雜、成本較高、柜體較多、占地亦大，但當(dāng)使用交流異步電機(jī)是繞組式時(shí)，則可將變頻器輸出接轉(zhuǎn)子繞組，見圖2。

圖2 變頻器輸出接轉(zhuǎn)子繞組

原因是轉(zhuǎn)子的電壓低，約為輸入高壓的10%，這樣改接后就可使用中、低壓變頻器。因此成本下降、電路簡單、柜體減少、占地減少、技術(shù)成熟，這就是創(chuàng)新轉(zhuǎn)子變頻器的原因所在。CL1700主電路見圖3。

例高壓繞線式電機(jī)功率400 kW，其參數(shù)如表1所示。

當(dāng)轉(zhuǎn)子額定電壓與變頻器輸出的額定電壓相當(dāng)時(shí)，則降壓變壓器T就可不要了。

圖3 CL1700主電路

表1 高壓繞線式電機(jī)參數(shù)

2 CL1700采用的高新技術(shù)

CL1 700采用的高新技術(shù)有:(1)低壓IGBT、二極管直接串聯(lián)技術(shù);(2)輸出標(biāo)準(zhǔn)正弦波技術(shù);(3)輸出電壓低諧波技術(shù)，最小達(dá)到0.19%(25 Hz);，以及輸出電壓穩(wěn)壓技術(shù);(4)動(dòng)態(tài)電流環(huán)控制技術(shù)、數(shù)字控制技術(shù)、空間電壓矢量控制技術(shù)、冗余設(shè)計(jì)技術(shù)。

在額定電壓、額定頻率范圍內(nèi)，CL1700系列變頻調(diào)速裝置的低諧波特性如表2所示。

表2 CL1 700系列的低諧波特性

3 CL1700能為用戶帶來的收益

CL1700能為用戶帶來的收益如下:

(1)降低無功損耗，輸入功率顯著增加，使用CL1700系列變頻調(diào)速裝置后，輸入功率因數(shù)將提高到0.93以上，無功損耗大幅降低;

(2)電耗明顯下降，以風(fēng)機(jī)、水泵類負(fù)載節(jié)能最為顯著，每年平均節(jié)能達(dá)50%，提升機(jī)類每年平均節(jié)能達(dá)25%;

(3)電機(jī)和相關(guān)機(jī)械設(shè)備壽命延長，變頻起動(dòng)克服了其他起動(dòng)方式所固有的沖擊電流，電機(jī)和其驅(qū)動(dòng)的負(fù)載避免了機(jī)械沖擊，壽命延長;

(4)系統(tǒng)維護(hù)工作量大幅減少，電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)的相關(guān)機(jī)械設(shè)備損耗降低;

(5)生產(chǎn)效率及生產(chǎn)工藝自動(dòng)化程度提高;

(6)人員和設(shè)備的工作條件大大改善，操作簡單、工作現(xiàn)場無較大熱量產(chǎn)生，設(shè)備無沖擊和振動(dòng)，操作人員工作環(huán)境和設(shè)備運(yùn)行條件獲得改善;

(7)提升機(jī)系統(tǒng)安全得以提高，操縱更容易;

(8)提升機(jī)系統(tǒng)負(fù)力下放方便易行;

(9)不干擾其他設(shè)備。

4 采用低壓(380 V)成熟二電平拓?fù)浼夹g(shù)的優(yōu)點(diǎn)

采用低壓(380 V)成熟二電平拓?fù)浼夹g(shù)優(yōu)點(diǎn)有:(1)易于把低壓產(chǎn)品先進(jìn)的矢量控制技術(shù)移植到高壓產(chǎn)品中;(2)可靠性高;控制簡單、高精度;(3)控制波形產(chǎn)生的同時(shí)基本能消除低次諧波;(4)低頻段波形好、低頻輸出力矩大;(5)易于再生電能反饋電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)電能雙向流動(dòng)及能耗制動(dòng);(6)產(chǎn)品體積小易維護(hù)。成熟的二電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分別如圖4～圖6所示。

圖4 基本二電平拓?fù)?/p>

圖5 帶能耗制動(dòng)的二電平拓?fù)?/p>

圖6 電能雙向流動(dòng)的二電平拓?fù)淠芰炕仞?/p>

5 器件串聯(lián)技術(shù)

器件串聯(lián)技術(shù)，分別如圖7～圖9所示。

圖7 基本器件串聯(lián)技術(shù)

6 諧波含量圖

諧波含量圖如圖10所示。

圖8 帶能耗制動(dòng)的器件串聯(lián)技術(shù)

圖9 電能雙向流動(dòng)的器件串聯(lián)技術(shù)

圖10 諧波含量圖

由圖10可看出:CL1700具有高效率、低頻時(shí)有2倍大的轉(zhuǎn)矩輸出、無輸入變壓器，輸出電壓諧波小、直流濾波電容采用無極性防爆薄膜電容、電力電子功率器件全部選用進(jìn)口是牽引級(jí)產(chǎn)品、全中文對(duì)話菜單、操作簡單、體積小等優(yōu)點(diǎn)。

7 共用直流母線多逆變器

共用直流母線多逆變器可分為分能量自耗型(見圖11)和能量回饋型(見圖12)兩種。

圖11 分能量自耗型

圖12 能量回饋型

兩個(gè)輸出逆變器有可能發(fā)生以下幾種情況:

(1)A、B逆變器同時(shí)耗電;

(2)A逆變器耗電，B逆變器發(fā)電;

(3)A逆變器發(fā)電，B逆變器耗電;

(4)A、B逆變器同時(shí)發(fā)電。

8 CL1700系列產(chǎn)品基本類型及系統(tǒng)構(gòu)成

CL1700系列產(chǎn)品基本類型有:四象限能量回饋型、提升機(jī)專用矢量控制型、四象限轉(zhuǎn)子變頻器、防爆專用及防爆機(jī)心型、風(fēng)力發(fā)電及機(jī)車牽引專用型。系統(tǒng)構(gòu)成包括:

(1)660 V、1 140 V、1 250 V、1 700 V、2 300 V:一個(gè)柜體，內(nèi)部包含輸入濾液、網(wǎng)側(cè)整流器、直流、負(fù)載側(cè)逆變器、正弦濾波器、控制系統(tǒng)等;

(2)3 000 V:兩個(gè)柜體，包含輸入輸出柜、逆變控制柜;

(3)6 000 V、10 kV:四個(gè)柜體，包含開關(guān)柜、濾波柜、逆變柜(通用抽屜式逆變臂(3 min快速更換))、控制柜(抽屜式)。

9 結(jié) 語

對(duì)現(xiàn)有礦井提升機(jī)采用轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速的改造及新建設(shè)礦井選用本產(chǎn)品，以及現(xiàn)在用繞線式電機(jī)要改造為變頻調(diào)速或其他設(shè)備改造為變頻調(diào)速是一種較合適的方式，并符合好、省的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)要求。

CL1700系列產(chǎn)品主要應(yīng)用在提升機(jī)風(fēng)機(jī)、水泵類負(fù)載。電壓范圍為0.66～13.8 kV AC，容量范圍為30～6 300 kW。

CL1700系列變頻調(diào)速裝置采用成熟的二電平拓?fù)浞桨讣捌骷?lián)技術(shù)，具有以下特點(diǎn):

(1)技術(shù)成熟且可靠性和效率高，模塊化結(jié)構(gòu)且維護(hù)簡單;

(2)額定頻率范圍內(nèi)具有低諧波的正弦波輸出且無較大的dU/dt;

(3)輸入呈現(xiàn)高功率因數(shù)，且控制精度高;

(4)大力矩輸出，電流控制能力強(qiáng)，可帶滿載起動(dòng);

(5)四象限、能耗制動(dòng)、共直流母線等靈活的方案應(yīng)用;

(6)電機(jī)電纜長度可達(dá)5 km，且額定輸出電壓范圍內(nèi)不平衡度小于2%。