高壓電機的調(diào)速技術(shù)
高壓電機調(diào)速技術(shù)可分為如下幾種:
高低型變頻器
變頻器為低壓變頻器,輸入側(cè)采用變壓器將高壓變?yōu)榈蛪海瑢⒏邏弘姍C換掉,采用特殊的低壓電機,電機的電壓水平多種多樣,沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。
這種做法由于采用低壓變頻器,容量也比較小,對電網(wǎng)側(cè)的諧波較大,可以采用12脈沖整流減少諧波,但是滿足不了對諧波的嚴(yán)格要求。在變頻器出現(xiàn)故障時,電機不能投入到工頻電網(wǎng)運行,在有些不能停機的場合應(yīng)用會有問題。另外,電機和電纜都要更換,工程量比較大。
高低高型變頻器
變頻器為低壓變頻器,采用輸入降壓變壓器和輸出升壓變壓器實現(xiàn)與高壓電網(wǎng)和電機的接口,這是當(dāng)時高壓變頻技術(shù)未成熟時的一種過渡技術(shù)。
由于低壓變頻器電壓低,電流卻不可能無限制的上升,限制了這種變頻器的容量。由于輸出變壓器的存在,使系統(tǒng)的效率降低,占地面積增大;另外,輸出變壓器在低頻時磁耦合能力減弱,使變頻器在啟動時帶載能力減弱。對電網(wǎng)的諧波大,如果采用12脈沖整流可以減少諧波,但是滿足不了對諧波的嚴(yán)格要求;輸出變壓器在升壓的同時,對變頻器產(chǎn)生dv/dt也同等放大,必須加裝濾波器才能適用于普通電機,否則會產(chǎn)生電暈放電、絕緣損壞的情況。如果采用特殊的變頻電機可以避免這種情況,但是就不如采用高低型的變頻器了。
液力耦合器
在電機軸和負(fù)載軸之間加入葉輪,調(diào)節(jié)葉輪之間液體(一般為油)的壓力,達到調(diào)節(jié)負(fù)載轉(zhuǎn)速的目的。這種調(diào)速方法實質(zhì)上是轉(zhuǎn)差功率消耗型的做法,其主要缺點是隨著轉(zhuǎn)速下降效率越來越低、需要斷開電機與負(fù)載進行安裝、維護工作量大,過一段時間就需要對軸封、軸承等部件進行更換,現(xiàn)場一般較臟,顯得設(shè)備檔次低,屬淘汰技術(shù)。
早期對調(diào)速技術(shù)比較感興趣的廠家,或者是因為當(dāng)初沒有高壓調(diào)速技術(shù)可以選擇,或者是考慮到成本的因素,對液力耦合器有一些應(yīng)用。如自來水公司的水泵、電廠的鍋爐給水泵和引風(fēng)機、煉鋼廠的除塵風(fēng)機等。如今,一些老的設(shè)備在改造中已經(jīng)逐漸被高壓變頻替換掉。
電流源型直接高壓變頻器
這種變頻器,輸入側(cè)采用可控硅進行整流,采用電感儲能,逆變側(cè)用SGCT作為開關(guān)元件,為傳統(tǒng)的兩電平結(jié)構(gòu)。由于器件的耐壓水平有限,必須采用多個器件串聯(lián)。器件串聯(lián)是一種非常復(fù)雜的工程應(yīng)用技術(shù),理論上說可靠性很低,但有的公司可以做到產(chǎn)品化的地步。由于輸出側(cè)只有兩個電平,電機承受的dv/dt較大,必須采用輸出濾波器。電網(wǎng)側(cè)的多脈沖整流器為可選件,用戶需要針對自己的工廠情況提出要求。這種變頻器的主要優(yōu)點是不需要外加電路就可以將負(fù)載的慣性能量回饋到電網(wǎng)。
電流源型變頻器的主要缺點是電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)低,諧波大,而且隨著工況的變化而變,不好補償。
串級調(diào)速變頻器
將異步電機部分轉(zhuǎn)子能量回饋至電網(wǎng),從而改變轉(zhuǎn)子滑差實現(xiàn)調(diào)速,這種調(diào)速方式采用可控硅技術(shù),需要使用繞線式異步電動機,而如今工業(yè)現(xiàn)場幾乎都采用鼠籠式異步電動機,更換電機非常麻煩。這種調(diào)速方式的調(diào)速范圍一般在70%-95%左右,調(diào)速范圍窄??煽毓杓夹g(shù)容易造成對電網(wǎng)的諧波污染;隨著轉(zhuǎn)速的降低,電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)也變低,需要采取措施補償。其優(yōu)點是變頻部分容量較小,比其他高壓交流變頻調(diào)速技術(shù)成本稍低。
這種調(diào)速方式有一種變化形式,即內(nèi)反饋調(diào)速系統(tǒng),省卻了逆變部分的變壓器,將反饋繞組直接做在定子繞組里,這種做法要更換電機,其他方面的性能與串級調(diào)速接近。
串級調(diào)速電機受轉(zhuǎn)子滑環(huán)的影響,不能做到很大功率,滑環(huán)維護工作量也大,屬于七八十年代的落后技術(shù),工業(yè)應(yīng)用已經(jīng)越來越少。
功率模塊串聯(lián)多電平變頻器
這種變頻器采用低壓變頻器串聯(lián)的方式實現(xiàn)高壓,是電壓源型變頻器。它的輸入側(cè)采用移相降壓型變壓器,實現(xiàn)18脈沖以上的整流方式,滿足國際上對電網(wǎng)諧波的最嚴(yán)格的要求。在帶負(fù)載時,電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)可達到95%以上。在輸出側(cè)采用多級PWM技術(shù),dv/dt小,諧波少,滿足普通異步電機的需要。可根據(jù)負(fù)載的需要設(shè)計變頻器的輸出電壓,是解決6KV、10KV電機調(diào)速的較好辦法。功率電路采用標(biāo)準(zhǔn)模塊化設(shè)計,更換簡單,所用器件在國內(nèi)采購也比較容易。
這種變頻器采用低壓IGBT作為逆變元件,與采用高壓IGBT的三電平變頻器相比,功率元件數(shù)目較多,但技術(shù)上較成熟。與采用高壓IGCT的三電平變頻器相比,功率元件數(shù)目較多,但總元件數(shù)目卻較少,因為IGCT需要非常復(fù)雜的輔助關(guān)斷電路。
由于整流變壓器與功率模塊的連線較多,因此變壓器不能與變頻器分開放置,在空間有限的場合不是很靈活。
電壓源型三電平變頻器
這種變頻器采用二極管整流,電容儲能,IGBT或IGCT逆變。三電平的逆變形式,采用二極管鉗位的方式,解決了兩個器件串聯(lián)的難題,技術(shù)上比兩個器件簡單直接串聯(lián)容易,同時,增加了一個輸出電平,使輸出波形比兩電平好。
這種變頻器的主要問題是:由于采用高壓器件,輸出側(cè)的dv/dt仍舊比較嚴(yán)重,需要采用輸出濾波器。由于受到器件耐壓水平的限制,最高電壓只能做到4160V,要適應(yīng)6KV和10KV電網(wǎng)的需要,更換電機是一種做法,但是造成故障時向電網(wǎng)旁路較麻煩。對于6KV電機有一種變通做法,就是將電機由星型接法改為角型接法,這樣電機的電壓就變?yōu)?KV;這種做法使電機的環(huán)流損耗上升,國內(nèi)已經(jīng)有燒毀電機的事例,有可能與此有關(guān)。還有的公司用這種變頻器實現(xiàn)高低高方式,使容量比原來采用低壓變頻器實現(xiàn)高低高方式時大,但是高低高方式所存在的問題依然存在。
三電平變頻器一般采用12脈沖整流方式。
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