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為什么變頻器中間環(huán)節(jié)優(yōu)選直流方式?

2023-05-19 18:25:27

變頻器的發(fā)展經(jīng)歷一個徐徐漸進(jìn)的過程,最初的變頻器并不是采用這種交直交:交流變直流而后再變交流這種拓?fù)?,而是直接交交,無中間直流環(huán)節(jié)。這種變頻器叫交交變頻器,目前這種變頻器在超大功率、低速調(diào)速有應(yīng)用。其輸出頻率范圍為:0-17(1/2-1/3 輸入電壓頻率),所以不能滿足許多應(yīng)用的要求,而且當(dāng)時沒有IGBT,只有SCR,所以應(yīng)用范圍有限。


交交變頻器其工作原理是將三相工頻 電源 經(jīng)過幾組相控開關(guān)控制直接產(chǎn)生所需要變壓變頻電源,其優(yōu)點是效率高,能量可以方便返回電網(wǎng),其最大的缺點輸出的最高頻率必須小于輸入電源頻率1/3或1/2,否則輸出波形太差,電機(jī)產(chǎn)生抖動,不能工作。故交交變頻器至今局限低轉(zhuǎn)速調(diào)速場合,因而大大限制了它的使用范圍。


矩陣式變頻器是一種交交直接變頻器,由九個直接接于三相輸入和輸出之間的開關(guān)陣組成。矩陣變換器沒有中間直流環(huán)節(jié),輸出由三個電平組成,諧波含量比較??;其功率電路簡單、緊湊,并可輸出頻率、幅值及相位可控的正弦負(fù)載電壓;矩陣變換器的輸入功率因數(shù)可控,可在四象限工作。雖然矩陣變換器有很多優(yōu)點,但是在其換流過程中不允許存在兩個開關(guān)同時導(dǎo)通的或者關(guān)斷的現(xiàn)象,實現(xiàn)起來比較困難。矩陣變換器最大輸出電壓能力低,器件承受電壓高也是此類變換器一個很大缺點。應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電中,由于矩陣變換器的輸入輸出不解耦,即無論是負(fù)載還是電源側(cè)的不對稱都會影響到另一側(cè)。另外,矩陣變換器的輸入端必須接濾波 電容 ,雖然其電容的容量比交直交的中間儲能電容小,但由于它們是交流電容,要承受開關(guān)頻率的交流電流,其體積并不小。


交-交變頻就是直接變頻,少了一個環(huán)節(jié),但是用的器件量很多,三相的需要36個晶閘管,控制復(fù)雜。我們老師開玩笑說誰調(diào)通了36個管子就可以立即畢業(yè)。還有交-交變頻只能往工頻一下調(diào)節(jié)頻率,一般調(diào)到工頻的1/3-1/2,差不多20Hz。


2交直交變頻器


我們把這種交流變直流而后再變交流這種變頻器叫交直交變頻器。 交—直—交變頻器則是先把交流電經(jīng)整流器先整流成直流電,直流中間電路對整流電路的輸出進(jìn)行平滑濾波,再經(jīng)過逆變器把這個直流電流變成頻率和電壓都可變的交流電。


分為兩種:


交直交電壓型


交直交電流型


其中前者廣泛使用,現(xiàn)在的通用變頻器就是采用這種拓?fù)?。其特點是:中間為電解電容儲存提供母線電壓,前級采用二極管 不控整流,簡單可靠,逆變采用三相PWM調(diào)制(目前調(diào)制算法是空間電壓矢量)。由于采用了一定容量的電解電容,所以直流母線電壓穩(wěn)定,此時只要控制好逆變IGBT的開關(guān)順序(輸出相序、頻率)和占空比(輸出電壓大小),就可以獲得非常優(yōu)越的控制特性。


由于控制方法和硬件設(shè)計等各種因素,電壓型逆變器應(yīng)用比較廣泛。傳統(tǒng)的電流型交直交變頻器采用自然換流的晶閘管作為功率開關(guān),其直流側(cè)電感比較昂貴,而且應(yīng)用于雙饋調(diào)速中,在過同步速時需要換流電路,在低轉(zhuǎn)差頻率的條件下性能也比較差,在雙饋異步風(fēng)力發(fā)電中應(yīng)用的不多。采用電壓型交直交變頻器這種整流變頻裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、諧波含量少、定轉(zhuǎn)子功率因數(shù)可調(diào)等優(yōu)異特點,可以明顯地改善雙饋發(fā)電機(jī)的運行狀態(tài)和輸出電能質(zhì)量,并且該結(jié)構(gòu)通過直流母線側(cè)電容完全實現(xiàn)了網(wǎng)側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)的分離。電壓型交直交變頻器的雙饋發(fā)電機(jī)定子磁場定向矢量控制系統(tǒng),實現(xiàn)了基于風(fēng)機(jī)最大功率點跟蹤的發(fā)電機(jī)有功和無功的解耦控制,是目前變速恒頻風(fēng)力發(fā)電的一個代表方向。


此外,還有一種并聯(lián)的交直交逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的主要是通過一個交直交電流型和一個交直交電壓型變頻器并聯(lián),電流型逆變器作為主逆變器負(fù)責(zé)功率傳輸,電壓型逆變器作為輔逆變器負(fù)責(zé)補(bǔ)償電流型逆變器諧波。這種結(jié)構(gòu)主逆變器有較低的開關(guān)頻率,輔逆變器有較低的開關(guān)電流。同上面提到的交直交電壓型逆變器相比較,該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有低開關(guān)損耗,整個系統(tǒng)的效率比較高。其缺點也是顯而易見的,大量 電力電子 器件的使用導(dǎo)致成本的上升以及更加復(fù)雜的控制算法,另外該種結(jié)構(gòu)電壓利用率比較低。


3 交直交變頻器存在的問題


盡管交—直—交變頻器具有輸出頻率高、功率因數(shù)高等優(yōu)點,但交—直—交變頻器仍存在許多待改進(jìn)的問題:


當(dāng)前大功率高電壓電力電子器件處在發(fā)展期,GTO元件面臨淘汰,IGBT,IGCT尚待成熟;


采用IGCT(或者GTO)、IECT的變流器,器件故障造成直通短路的保護(hù)還是難題;電源側(cè)變流器如果發(fā)生直通短路會造成電網(wǎng)短路,所以變流器必須采用高漏抗輸入變壓器,一般要求15%,甚至高達(dá)20%;


交—直—交變頻器低頻運行時過載能力減低,一般運行在5Hz以下時變頻器過載能力減半;


交—直—交變頻器輸出PWM調(diào)制電壓波形的電壓變化率du/dt很高,容易造成電機(jī)和電器的絕緣疲勞損傷;輸出導(dǎo)線較長時,共模反射電壓會在電機(jī)側(cè)產(chǎn)生很高的電壓,如果是兩電平的變流器,這個電壓的峰值是直流電壓的兩倍,如果是三電平的變流器,這個電壓的峰值是中間一半電壓的三倍;


交—直—交變頻器PWM調(diào)制將產(chǎn)生諧波、噪聲、軸電流等問題。


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