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电气传动的发展与现状概述

电气传动的发展与现状概述. 天津电气传动研究所 马小亮. Ⅰ. 电气传动的发展. 电气传动 —控制电动机，使机械实现期望之运动 (运动控制)。 电气传动 技术的换代取决于功率变流装置的换代，功率装置 的换代取决于功率器件及控制装置的换代。 电气传动 技术发展过程中的几个时代： A. 机组变流时代 (上世纪70年代前) 功率装置 —电动-发电机组 (直流调速为主和少量交流变频调速)， 控制装置—电机放大机、磁放大器。 从有级切换电阻的开环控制进步到闭环连续控制。

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电气传动的发展与现状概述

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Presentation Transcript

  1. 电气传动的发展与现状概述 天津电气传动研究所 马小亮

  2. Ⅰ. 电气传动的发展 电气传动—控制电动机，使机械实现期望之运动 (运动控制)。 电气传动技术的换代取决于功率变流装置的换代，功率装置 的换代取决于功率器件及控制装置的换代。 电气传动技术发展过程中的几个时代： A. 机组变流时代 (上世纪70年代前) 功率装置—电动-发电机组 (直流调速为主和少量交流变频调速)， 控制装置—电机放大机、磁放大器。 从有级切换电阻的开环控制进步到闭环连续控制。 主要问题： 设备多，效率低；电流响应慢(>100ms)，控制精度 不高，静动态稳定性不好，转速环频带窄。

  3. B. 汞弧整流管变流(离子传动)时代 (上世纪40-70年代，主要在欧洲) 功率装置—汞弧整流管可控整流直流传动为主和少量交-交变频器(CC)和负载换流电流型交-直-交变频器(LCI)， 控制器—磁放大器，后期用半导体控制器。 开启电力电力静止变流；打下了移相可控整流和静止变频的技术基础，电流响应<100ms，转速环频带展宽。 主要问题： 汞弧整流管维护麻烦，汞弧蒸汽有毒； 汞弧压降(器件导通压降)大，损耗大。

  4. C. 晶闸管变流时代 (上世纪60年代开发，70年代起全面推广，取代机组和汞弧管变流) 功率装置： 以电源自然换流的可控整流直流传动为主； 交-交变频器(CC)和负载换流电流型交-直-交变频器(LCI)，至 今仍有使用； 强制换流的电压型和电流型交-直-交变频器，己淘汰。 控制器：模拟控制器、数字控制器。 开启半导体固体变流；电流响应<20ms，转速环频带展宽至几十， 静动态稳定性好， 已能满足高性能调速要求。 主要问题： 输入输出谐波大，移相控制导致网侧功率因数低，需要庞大的补偿及吸收装置。

  5. D. 自关断器件变流时代 上世纪80年代主要是大功率晶体管BJT和可关断晶闸管GTO，均为电流控制器件，触发功率及阻尼电路大；从 90 年代起IGBT取代BJT；从本世纪初起IGCT取代GTO；另外高压IGBT模块和压接式IGBT(称IEGT或PP-IGBT)问世；小功率装置有时用功率MOSFET；下代可能是碳化硅或氮化镓器件。 功率装置主要是变频装器： 主流是电压型交-直-交PWM变频器，另外还有电流型 交-直-交PWM变频器和矩阵变频器(PWM交-交变频器)。 控制器：数字控制器，现常用DSP+FPGA。 实现以交流调速取代直流调速；从移相控制过渡到PWM控制，因开关频率提高，电流响应可<10ms， 转速环频带展宽至上 百。

  6. Ⅱ. 变频调速现状 • 低压变频器20多年来沒有质的变化，原因—器件、拓扑及控制策略基本没变，控制器换了几代。 • 中压变频器的器件和拓扑多样化。 • 矩阵变频器开始产业化，前景难料。 • 变频器的应用范围扩大，重心从电机调速向新能源及电力系统转移。例如电驱动车辆和船舶，新能源发电，电力系统补偿等。

  7. 1. 低压变频器 逆变器拓扑—电压型两电平PWM ，20多年来沒有质的变化。(矩阵变换MC在后面专题讨论) 发展趋势： a) 逆变器容量扩大 380-480V 110-800kW 500-690V 75-1200kW b) 推广公共直流母线 c) 三种整流单元 二极管整流单元 (DFE) PWM整流单元 (有源前端AFE) IGBT整流/回馈单元 (取代晶闸管整流/回馈)

  8. IGBT整流/回馈单元特点： • 不用PWM，一个电源周期中每个IGBT只导通和关断一次，在自然换流点(a =0处)开始导通，持续120°后关断 (网侧交流电源同步开关)； • 无PWM和闭环调节，控制简单； • 相支路的上下两个开关的导通时间彼此错开60°，无“直通”可能； • 交流电源故障时，关断所有IGBT，二极管桥阻止逆变电流流通，从而避免逆变颠覆发生。 • 能四象限工作，进线不用LCL滤波，且 电抗小(4％)； • 网侧功率因数和谐波与二极管整流相近； • 价格和性能位于DFE和AFE之间。

  9. 无直流贮能元件的交-直-交PWM低压变频器 特点： • 无直流贮能电容或电抗，有交流进线电容； • 网侧交流电源同步开关，输入电流120 °方波； • 负载侧PWM，正弦输出电压，最大=0.87输入电压； • 双向功率流，四象限运行。

  10. 2. 中压变频器 中压变频器的拓扑多样化，常见的有： a. H桥级联 (HBC) b. 中点钳位三电平 (NPC) c. 电容钳位四电平 (FC) d. SGCT电流型交-直-交PWM变频器 e. 五电平变频器 f. 晶闸管负载换流电流型交-直-交变频器 (LCI) g. 晶闸管交-交变频器 (CC) h. 矩阵变换MC桥级联变频器 (MCBC) 其中：a和b广泛应用； c受电容限制，容量不大； e是a、b和c的发展； d器件特殊，电流型价高。 f和g技术较老旧； h在后面专题讨论矩阵变换器时介绍。

  11. H桥级联变频器(HBC)应用最广泛，但存在下列不足：H桥级联变频器(HBC)应用最广泛，但存在下列不足： 浮空整流电源数太多，常用二极管整流，不能回馈； 多绕组移相变压器结构复杂、庞大、昂贵； 直流贮能电容数量多、容量大、分散，影响可靠性。 • 三电平中点钳位变频器(NPC)在国外应用广泛，国内不及HBC，原因及不足： 输出电压<6kV，不符合国标； dv/dt高，影响电机绝缘和轴电流，需使用特殊电机； 高压器件开关频率低，输出谐波大。 如何克服HBC和NPC的不足是当今热点话题。

  12. H桥级联变频器的回馈 为满足某些应用对回馈要求，例如提升传动，我国某些企业把H桥的整流改为PWM整流(AFE)。 问题： • AFE要求进线用LCL滤波且 电抗大(>10%)，变压器漏抗 (5-6%)不够，需增加电抗及 电容； • 3N套PWM整流控制麻烦。 如何简化回馈主电路及控制？

  13. 改进办法—把IGBT整流/回馈电源用于H桥： • 进线电抗小，变压器漏抗已满足，不用增加任何元件； • 无PWM和闭环调节，控制简单； • 网侧功率因数与谐波和二极管整流一样(cosf≥0.95，借助变压器副方绕组移相，网侧谐波小)。 整流 回馈 (上—24脉波，中—12脉波，下—6脉波)

  14. 5电平变频器 针对HBC(H桥数多、复杂)和NPC(输出电压不满足国标、电平数少、谐波大、dv/dt高)的不足，5电平变频器受关注。 (时下热点) • 二极管钳位5电平变频器 因钳位二极管电压太高 及控制复杂，沒实用。

  15. B. 三电平H桥(ACS-5000)： IGCT 6-6.9kV 4-20MW 1Q ABB公司针对亚洲(主要是中国)对6kV的需求开发。 特点： 输出6-6.9kv，电压等级符合国标。 4.5kV器件，器件数少，不用电解电容； 相电压5电平，可用普通电机。 6套整流电源，36脉波二极管整流，网侧谐波小，不能回馈。 与使用4.5kV器件的常规两电平H桥2级级联HBC相比，特点和性能相同，但多12支钳位二极管，无优点。

  16. C. 有源中点和电容混合钳位 (ACS-2000) IGBT，6-6.9kV，0.4-1MVA，1或4Q 特点： 输出6-6.9kv，电压等级符合国标。 相电压5电平，可用普通电机。 同样拓扑的双PWM变频器可以直接经进线电抗接至6kV电网，无变压器。 电容钳位限制容量。

  17. D. 定子绕组打开，两套三相三电平NPC逆变器串联 方案1 定子绕组打开，两套隔离的三相三电平变频器串联 (西门子早期的GTO三电平变频器曾用此方案) 方案2 定子绕组打开，两套公用直流母线的三相三电平逆变器串联 (德国许多学者推荐此方案)

  18. 特点： • 可以输出6-6.9kV或10kv，电压等级符合国标； • 相电压电平数从3增至5，减小谐波； • 6kV电机端的dv/dt、共模电压及对地电压与3kv的NPC相同，可以使用普通电机； • 贮能电容接在三相逆变器输入端，电容量小(三相逆变器直流母线电流中只有开关频率谐波，无低频谐波，电容量小；H桥是单相逆变器，直流母线电流中有二倍频低频谐波，电容量大) ，数量少且集中； • 等效开关频率加倍，有助于低开关频率工作； • 与HBC相比，实现回馈容易。 • 定子绕组打开不是问题，但电缆数增加。

  19. 3. 矩阵变换器MC 矩阵变频器(MC)是一种基于全控器件PWM调制的交-交直接变频器，是电力电子领域最热门课题之一。 优点：一次换流，效率高； 正弦电压输出； 正弦电流输入； 网侧功率因数=1 (与负载功率因数无关)； 双向功率流，四象限运行； 没有庞大的直流贮能电容。 基于上述优点，MC被称为“理想变频器”及“纯硅变频器”。 除无直流贮能电容外，上述优点双PWM交-直-交变频器也有。

  20. A. 低压MC 各相输出端都通个三个双向开关(双向电流及双向电压)交替接至三相交流电源，共计9个双向开关，18个开关器件。

  21. MC的概念由Venturini在1980年提出，性能理想，但产业化进程极慢，30多年来只有安川公司在前几年推出产品， 并未广泛应用。与之竞争的双PWM交-直-交变频器早已普遍应用。 原因： • MC需较多开关器件(18个)，双PWM只需12个，差50％。 • MC最大输出电压=0.87输入电压，把它接至380V电网，输出电压<330V， 不能用标准电机， 双PWM可以需出380V。 • MC换流控制麻烦 MC希望换流过程既无重迭又无间断，无法实现，需采用4步换流或2步换流技术。 双PWM通过设置“死时”安全换流。 • MC不是真的不需要贮能电容(不是“纯硅变频器”)，只是换了安装地点和名字，由输入滤波电容和箝位电容两部分组成。 • MC是交-交直接变频，没有中间直流环节及贮能电容，电网电压的拢动直接影响变频器输出。 双PWM是交-直-交间接变频，有直流贮能电容，变频器输出受到电网拢动的影响小，且间接。 • MC体积和重量比双PWM小 (原因—双PWM的LCL滤波大)。

  22. 低压间接矩阵变频器 (IMC) 在MC和无直流贮能元件交-直-交变频器基础上改型。 特点： • 无直流贮能电容，有交流进线电容； • 网侧PWM，正弦输入电流； • 负载侧PWM，正弦输出电压，最大=0.87输入电压； • 双向功率流，四象限运行； • 原理和优缺点与MC类似。

  23. C. 中压MC—MC桥级联变频器 (MCBC) 桥式MC—由3个共交流进线的 三相/单相MC桥构成。 开关数量和输出电压增加一倍， 性能不变。 为输出3.3kV，3级桥式MC级联： 把各级桥式MC中3个三相/单相 MC桥的交流进线分开，分别 由3套独立的电压幅值和相位都 相同的变压器付方绕组供电。 (IGBT电压1700V， 桥输出电压635V， 变频器输出电压3.3kV)

  24. MCBC与采用整流/回馈单元之HBC(R/I-HBC)的比较： • 二者都有优良的输入和输出特性，都能四象限工作。 • 二者都基于功率单元级联，但MCBC需要较多IGBT器件，每个MC桥需12个IGBT，每个R/I-HBC桥只需10个，差20％，且网侧IGBT电流可减小1/3。 • MC桥无直流贮能电容，但有交流进线“滤波”电容； R/I-HBC桥有直流贮能电容 ，但无交流进线电容。 交流电容的体积/容量比值比直流电容大许多。 二者都不需要进线电抗。 • MCBC的换流及PWM调制控制较麻烦，R/I-HBC简单。 • MCBC是交-交直接变频，没有中间直流环节及贮能电容，电网电压的拢动直接影响变频器输出。 R/I-HBC是交-直-交间接变频，有直流贮能电容，变频器输出受到电网拢动的影响小，且间接。

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