三电平变频器的发展及其应用

三电平变频器的发展及其应用引言随着我国煤炭生产自动化程度的不断提高，矿用变频器在煤矿井下采、掘、运等机械设备和井上通、压、排、提等四大件的调速应用中发挥了良好的调速性能和节能降耗的作用。为此，矿用变频器在煤矿井下得到了广泛的应用，归纳起来有几个优点：1）能解决大功率电机高精度的转矩控制；2）能实现大功率电机的软起、软停和过程控制；3）多机联动时的功率平衡；4）四象限运行时的再生制动和能量回馈，节能减排；5）净化环境，安全生产；6）延长设备使用寿命。然而，现用的矿用变频器均采用正弦波脉宽调制，所用器件是IGBT器件，经过交-直-交变换后，变频器输出不是完全的正弦波形，而且有3次以上的谐波。通常二电平的结构为6脉波，其输入侧对电网的干扰比较大，甚至干扰煤矿井下安全生产监测监控系统。为解决这个问题，同时又能使变频调速这一新技术能在煤矿井下得到使用，我公司与日本东芝-三菱公司合作，共同研制了1140V、800KW矿用隔爆兼本质安全型变频调速装置；与AB公司合作，研发了3300V、1800KW矿用隔爆兼本质安全型变频调速装置。系统结构上均采用电压源型三电平矢量控制，达到12脉波方案。其中1140V、800KW变频器整流部分采用AFE有源整流，省掉了整流变压器，在电路上采用高阻接地，安全电流达到≤12mA。三电平变频器相对于传统的两电平而言，它可以使主开关器件的电压降低一半。由于输出多了一个电平，可以使du/dt降低一半，从而使输出电压谐波减小，电动机的温度大大降低，所有这些优点，特别适合于煤矿井下1140V以上大容量的调速系统。三电平变频器的整流电路标准配置为12脉波整流电路，其输入变压器为三绕阻，二次采用△和Y接法，两组二次绕组对应线电压之间的相位差为π/6，从而使整流后的电压波形具有12个脉波，有效地降低了整流器产生的谐波电流；若输出侧同时配置正弦波滤波器，则可以完全消除整流器产生的谐波。三电平式变频器主要优点：1)结构简单，体积小；2)与两电平相比，采用同样电压等级，器件可以实现2倍的电压输出；3)降低电机的共模电压；4)降低对电网的共模干扰；5)能方便实现能量的双向流动，电机的四象限运行；6)与两电平相比，输出du/dt减小一半；7)与两电平相比，相电压输出电平数增加，输出谐波减小。本案采用的“三电平控制”，既继承了“二电平控制”的优点，又解决了原来“二电平控制”的缺点和不足，但是，三电平变频器涉及到一个中心点接地的问题，由于现在我们国家煤矿井下的供电系统，规定中心点不接地，为此本案所研发的三电平变频器能否应用到井下，便是一个急需解决的问题。为此，我们的解决方案是：将隔爆型三绕组变压器采用DYN11型式，其输入与输出的中性点经高阻接地，阻值满足《煤矿安全》规程规定和GB3836.1～2-2000的要求，而矿用隔爆兼本质安全型三电平变频调速装置的整流输入由三绕组变压器的二次输出绕组分别接入一组三相桥式二极管整流器，形成十二脉波的多重化输入方式，两组整流电路相串联，并且整流桥的中性点与中间环节的电容的中性点相连，这样直流环节的两组串联电容各分别由变压器的二次绕组（及其整流桥）供电，所以在逆变算法中不存在中点电压漂移的问题，使运算得到简化。这样做，既保证了三电平变频器的可靠工作，又保证了煤矿生产和人员安全。国外三电平变频调速装置实施方案简单比较公司整流器输入直流环节逆变器控制算法ABB公司1)三绕组变频器2)两组整流器串联，分别接变压器二次二个绕组供电整流桥中性点与中间直流环节的电容中性点不相连1)用IGCT管子2)LC滤波器1)开关频率易偏离，但可采用滞环比较方式进行校正2)直接转矩控制3)控制运算不需坐标变换西门子公司同上整流桥中性点与中间直流环节的电容中性点相连1)用IGCT或IGBT管子2)LC滤波器1)不存在中性点电压漂移问题2)矢量控制3)需坐标变换（三相-两相）东芝三菱公司同上整流桥中性点与中间直流环节的电容中性点相连1)用IGCT管子2)LC滤波器3)用AFE有源整流1)不存在中性点电压漂移问题2)矢量控制关于三绕组变压器目前国内外中高压变频器的技术问题均成熟，特别是矿用中、高压变压器在煤矿井下得到了广泛使用。对多绕组移相变压器中性点经高阻接地的安全问题均已解决，如江苏盐城、南京中电的变压器厂生产的DYN11型式的隔爆型三绕组变压器其中性点就是经高阻接地，其阻值满足《煤矿安全规程》和GB3836.1～2-2000的规定要求。而三电平变频调速装置就是用一台三绕组变压器来供电的。本方案也是采用前述方式，故安全是没有问题的。在6000V、1000KW高压变频调速装置中，ABB、AB（罗克威尔）和西门子、东芝-三菱公司均采用有源整流（AFE），以减少耗电、耗材、耗财的移相变压器，控制方式仍为PWM方式，通过拓扑结构设计和软件配合，实现五电平控制，达到24脉波可四象限运行，也可二象限运行。二象限运行时，AFE有源整流还有功率因素补偿功能。