10kV级联式高压交-交变频技术及在城市供水的应用
1 引言
高压变频器已经在我国城市供水行业中得到了广泛应用,这些产品多以级联式交-直-交pwm电路结构为主,主功率半导体器件采用igbt,该技术路线网侧输出入电流谐波小,电机侧输出电压正弦度高,电气性能满足高压大容量电机调速的要求,并取得了很好的节能效益。但是,该技术方案仍然存在诸多问题,例如电路复杂,成本高,寿命短等等。由北京时代金能电气科技有限公司研发生产的级联式高压交-交变频器,是高压变频技术的全新解决方案,该方案使用可控硅作为主功率器件,无需整流滤波环节,电路简单,可靠性高,不存在大容量电容器所引起的运行寿命短问题。
北京自来水集团某水厂一泵房有4台取水泵并联运行,工作方式为2开2备,泵站设置有集中控制室,用于监视并远程控制水泵的运行状况。水泵拖动电机均为10kv,220kw鼠笼式异步电动机,在变频改造前采用调节阀门来控制取水量,造成很大的电能浪费,为此集团进行了变频节能改造,通过对国内外多个厂家的产品及不同的技术路线进行对比,确定采用了以级联式高压交-交变频技术为技术路线的高压变频器产品。
2 级联式高压交-交变频技术介绍
2.1主电路介绍
级联式高压交-交变频技术的原理是,通过输入变压器产生的多路浮动低压电源给各功率单元供电,各功率单元的输出经过串联后,得到了叠加后的高压输出。输入隔离变压器采用移相技术,使输入电流的高次谐波得以抵消,符合ieee std519-1992和gb/t14549-1993的有关标准对谐波的规定。多级低压电的叠加输出,可以实现输出电压电流的高正弦度,无需增加输出滤波装置就可以直接驱动普通高压同、异步电动机,而不会增加电机温升,电机不需因谐波而降额使用,可使主回路电机、电缆绝缘免受dv/dt应力的损伤,也没有谐波引起的脉动转矩,可延长电机和机械设备使用寿命,电机电缆在压降允许范围内无任何长度限制。
该方案主电路结构如图1所示。各功率单元通过光纤与主控制单元连接,同时功率单元内部的控制电路供电取自变压器浮动电源,因此强电与弱电实现了电气隔离,提高了系统的抗干扰能力和可靠性。
图1 级联式交-交变频器主电路结构图
2.2功率单元电路介绍
级联式高压交-交变频技术采用的功率单元原理如图2所示,其以可控硅作为主半导体开关器件,主电路工作在零电流软关断状态,避免了igbt等器件强迫关断产生的应力,这对于工作在高电压大电流状态的高压大容量变频器尤为重要。而可控硅器件则具有通态损耗小,抗过电流能力强的优点,同时该方案工作在工频开关状态,因此不论是导通损耗还是开关损耗,都大大小于pwm交-直-交传统方案。该方案同样有别于以往的相控交-交变频控制技术,由于采用级联方式,在输出低频时,依然可以保持高功率因数输出,且其输出频率可达到甚至超过50hz。
pwm交-直-交方案功率单元的直流环节需要对输入交流电压进行整流、滤波,因此,其中最薄弱的环节,也是最大的安全隐患所在。特别是电解电容器,由于其内部电解液的逐渐挥发,在额定工作状况下,一般长寿命产品标称额定连续工作寿命仅为3000-5000h,即半年左右,通过降额使用,且在工况较好时,其连续使用寿命也只有5年左右,因此,在电解电容超过使用年限,或检测到性能指标下降时,必须立即加以更换。另外,大容量电容器价格不菲,占相当大比例的设备成本,体积也无法减小,致使设备价格高,体积大。
级联式高压交-交变频方案的开关器件工作于低频状态,且为零电流关断,因此dv/dt非常小,其对电机及导线绝缘的影响可以忽略。同时其工作于四象限状态,避免了在电机减速或者故障时产生反充电,而这一问题对于pwm交-直-交方案,容易引发电容器击穿事故。
3 设备状况
北京自来水集团某水厂一泵房的4台取水泵,变频改造采用直连1对1方式,水厂设有集控室,通过数据总线modbus协议与变频器连接,实现了远程操作及监控的功能。restime系列级联式交-交高压变频产品工作效率高,自身发热少,因此将变频器置于泵房内,不需要额外增加通风降温设施,由于变频器功率单元实现了全密封,因此也不需要采取防尘过滤等措施,不需要定期更换过滤网,日常运行实现了免维护,极大地方便了使用。取水泵电机与变频器主要技术参数如下:
3.1电机主要参数
型号:y450-6;
额定功率:220kw;
额定电流:17a ;
额定功率因数:0.82 ;
额定转速:992r/min 。
3.2 变频器主要参数
变频器功率:500kva;
适配电机功率:400kw;
额定输出电流:29a ;
输入频率:45hz ~ 55hz ;
额定输入电压:10kv ;
允许电压波动:± 15% ;
输出电压范围:0 - 10kv;
变频器效率:≥ 98%;
输出频率范围:0 - 50hz。
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