高壓繞線式交流異步電機采用轉子變頻器有關問題的分析

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面世20年以來，已廣泛應用在各行各業中，且每年以20%的遞增率增長，使用率已達30%以上，由此可見發展前景良好，新品亦不斷出現。由深圳市科陸變頻器有限公司研究開發并已生產的四象限轉子變頻器CL1700系列即是個創新產品。

1 變頻器輸出接繞線電機轉子

極大多數變頻器輸出是接電機的定子繞組方式來調速或節電的，如圖1所示。

圖1 變頻器輸出接電機定子繞組

高壓配電3 kV、6 kV、10 kV的高壓電機，必須使用高壓變頻器與之相配。通常有二電平、三電平、多電平拓撲等電路結構，而主電路功率器件IGBT或IGCT必須是高壓，甚至要多個串聯，這樣使用器件數量多、電路復雜、成本較高、柜體較多、占地亦大，但當使用交流異步電機是繞組式時，則可將變頻器輸出接轉子繞組，見圖2。

圖2 變頻器輸出接轉子繞組

原因是轉子的電壓低，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、技術成熟，這就是創新轉子變頻器的原因所在。CL1700主電路見圖3。

例高壓繞線式電機功率400 kW，其參數如表1所示。

當轉子額定電壓與變頻器輸出的額定電壓相當時，則降壓變壓器T就可不要了。

圖3 CL1700主電路

表1 高壓繞線式電機參數

2 CL1700采用的高新技術

CL1 700采用的高新技術有:(1)低壓IGBT、二極管直接串聯技術;(2)輸出標準正弦波技術;(3)輸出電壓低諧波技術，最小達到0.19%(25 Hz);，以及輸出電壓穩壓技術;(4)動態電流環控制技術、數字控制技術、空間電壓矢量控制技術、冗余設計技術。

在額定電壓、額定頻率范圍內，CL1700系列變頻調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系列變頻調速裝置后，輸入功率因數將提高到0.93以上，無功損耗大幅降低;

(2)電耗明顯下降，以風機、水泵類負載節能最為顯著，每年平均節能達50%，提升機類每年平均節能達25%;

(3)電機和相關機械設備壽命延長，變頻起動克服了其他起動方式所固有的沖擊電流，電機和其驅動的負載避免了機械沖擊，壽命延長;

(4)系統維護工作量大幅減少，電機及其驅動的相關機械設備損耗降低;

(5)生產效率及生產工藝自動化程度提高;

(6)人員和設備的工作條件大大改善，操作簡單、工作現場無較大熱量產生，設備無沖擊和振動，操作人員工作環境和設備運行條件獲得改善;

(7)提升機系統安全得以提高，操縱更容易;

(8)提升機系統負力下放方便易行;

(9)不干擾其他設備。

4 采用低壓(380 V)成熟二電平拓撲技術的優點

采用低壓(380 V)成熟二電平拓撲技術優點有:(1)易于把低壓產品先進的矢量控制技術移植到高壓產品中;(2)可靠性高;控制簡單、高精度;(3)控制波形產生的同時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，實現電能雙向流動及能耗制動;(6)產品體積小易維護。成熟的二電平拓撲結構分別如圖4～圖6所示。

圖4 基本二電平拓撲

圖5 帶能耗制動的二電平拓撲

圖6 電能雙向流動的二電平拓撲能量回饋

5 器件串聯技術

器件串聯技術，分別如圖7～圖9所示。

圖7 基本器件串聯技術

6 諧波含量圖

諧波含量圖如圖10所示。

圖8 帶能耗制動的器件串聯技術

圖9 電能雙向流動的器件串聯技術

圖10 諧波含量圖

由圖10可看出:CL1700具有高效率、低頻時有2倍大的轉矩輸出、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口是牽引級產品、全中文對話菜單、操作簡單、體積小等優點。

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

兩個輸出逆變器有可能發生以下幾種情況:

(1)A、B逆變器同時耗電;

(2)A逆變器耗電，B逆變器發電;

(3)A逆變器發電，B逆變器耗電;

(4)A、B逆變器同時發電。

8 CL1700系列產品基本類型及系統構成

CL1700系列產品基本類型有:四象限能量回饋型、提升機專用矢量控制型、四象限轉子變頻器、防爆專用及防爆機心型、風力發電及機車牽引專用型。系統構成包括:

(1)660 V、1 140 V、1 250 V、1 700 V、2 300 V:一個柜體，內部包含輸入濾液、網側整流器、直流、負載側逆變器、正弦濾波器、控制系統等;

(2)3 000 V:兩個柜體，包含輸入輸出柜、逆變控制柜;

(3)6 000 V、10 kV:四個柜體，包含開關柜、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 語

對現有礦井提升機采用轉子串電阻調速的改造及新建設礦井選用本產品，以及現在用繞線式電機要改造為變頻調速或其他設備改造為變頻調速是一種較合適的方式，并符合好、省的技術、經濟要求。

CL1700系列產品主要應用在提升機風機、水泵類負載。電壓范圍為0.66～13.8 kV AC，容量范圍為30～6 300 kW。

CL1700系列變頻調速裝置采用成熟的二電平拓撲方案及器件串聯技術，具有以下特點:

(1)技術成熟且可靠性和效率高，模塊化結構且維護簡單;

(2)額定頻率范圍內具有低諧波的正弦波輸出且無較大的dU/dt;

(3)輸入呈現高功率因數，且控制精度高;

(4)大力矩輸出，電流控制能力強，可帶滿載起動;

(5)四象限、能耗制動、共直流母線等靈活的方案應用;

(6)電機電纜長度可達5 km，且額定輸出電壓范圍內不平衡度小于2%。