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基于集成门极换流晶闸管器件实现两电平变频器的设计

电子设计 2021-02-23 10:20 次阅读

引言

在国际能源紧缺、全球气候变暖的严峻形势下,减少能源消耗、减少温室气体大量排放成为当务之急。实践证明,对一定工况下的工业电动机进行变频调速是一种行之有效的节能方式。根据统计,我国仅待调速节能的风机就有4000多万台,年耗电约15oo亿kW·h,节能潜力达450亿kW·h/年,节能潜力巨大。

节能效果显著的高压变频器早期之所以推广速度缓慢,一方面是因为一次性投入较大且一些产品可靠性不高,另一方面是因为应用变频器以后会带来一些新的问题,如电网谐波污染、电机谐波损耗发热及电机绝缘老化等。随着国家对节能减排的重视和变频器技术的发展,高性价比高压变频器的应用越来越多普通变频器往往具有较高的di/dt和du/dt电应力,电路输出含有较高的谐波,而通过采用合理的电路拓扑结构可有效地降低其di/dt和du/dt,通过采用合理的控制算法可降低其谐波输出,从而在大大提高变频器本身可靠性的同时降低对电网的谐波污染。而基于IGGT器件的两电平高变频器产品,输出谐波含量小于2%,效率高达98%。

1变频器技术介绍

普通级联高压变频器主回路拓扑和功率单元内部电路分别如图1、图2所示,基于IGCT器件的两电平变频器主电路拓扑如图3所示。

基于集成门极换流晶闸管器件实现两电平变频器的设计

由图3可知,两电平高压(6kv)变频器串联后的单个功率管要承受的额定电压为6000×√2÷≈32800(v),最大运行电压达到2800×1.15×1.08≈3500(v)(考虑过电压15%和变压器阻抗8%),这对单管吸收回路及其控制提出了很高的要求。由图1、图2可知,级联产品每个功率管需要承受的额定电压为6000÷√3×√2÷5×1.15×1.08≈1200(V)。因此,两电平拓扑高压变频器的实现难度要比级联式变频器高得多。该两电平高压(6kV)变频器具有如下特点:

(1)级联式变频器需要150只功率管,而两电平变频器只需要36只功率管,因此,两电平变频器的故障几率可以大大降低,可靠性得到极大提高;

(2)级联式变频器的变压器出线达45根,而两电平变频器出线仅9根,使故障概率明显减小;

(3)级联式变频器不允许将电机放到离变频器过远的地方,以防止机端反激等原因造成变频器异常保护甚至变频器和电机损坏,而两电平变频器具有Lc滤波环节,输出电缆中不存在大的du/dt,不存在机端反激现象,因而不存在这样的限制;

(4)在能量流方面,两电平变频器只需将整流电路稍加改造即可实现4象限运行,这是当前的级联式变频器技术所做不到的;

(5)两电平变频器中采用高压金属膜电容器而不采用电解电容器,使整机寿命可达10年以上,这也是级联式变频器很难实现的。

2基于IGCT器件的两电平技术介绍

图3是两电平高压变频器的主电路拓扑,逆变部分使用了高耐压、大电流的功率开关器件IGCT,其内部集成有反并联续流二极管;为了减小对电网的冲击,整流电路采用18脉冲二极管整流结构。其核心技术为特定消谐技术、Lc滤波技术及多IGCT串联均压技术等。

在设计中,将特定消谐技术和LC滤波技术进行了完美结合,取得了较为理想的效果。试验测得两电平高压变频器输出电压和电流波形如图4所示,其中几乎没有谐波和大的du/dt存在,这对电机绝缘没有任何损伤;同时,将滤波电容中点接地可以消除共模电压(即消除电机轴向电压),使电机使用寿命不受影响。

基于IGCT器件的两电平高压变频器的设计难点在于多个串联功率管的动态均压。经过严格计算、精确仿真和反复试验改进,得到了额定电流条件下功率管关断均压实测波形,如图5所示。图5中第2峰值电压分别为3525V,3360V和3240V,此处3只功率管的电压与电压平均值的偏差均小于5%,达到了很好的均压效果。

动态均压电路如图6所示,该电路在带来良好均压效果的同时会造成IGCT开通瞬间di/dt过大,这是IGCT器件所不允许的。从抑制di/dt的角度考虑,需要增加电阻阻值,但大电阻必然会降低动态均压的效果。因此,图5所示的均压不是最佳效果,而是考虑di/dt后的综合结果。

在关键工艺方面,由于采用横向功率管压装技术,功率回路功率密度大为提高,即使含滤波回路,两电平高压变频器的体积和质量也明显小于其他产品。

3运行效果

扬州发电有限责任公司330MW机组凝结水泵(1120kW)在进行变频改造以前,机组满负荷运行时电机的工作电流为126A,负荷降低时电流降低很少。进行变频改造后,机组满负荷时变频器输入电流为92A,机组210MW负荷时变频器输入电流为41A,综合节电在35%以上。该泵改造前年耗电约8×1000000kW·h,改造后年耗电约5×1000000kW·h,按上网电价0.39元/(kW·h)计算,每年至少可节省电费I10万元,经济效益相当可观。在节能的同时,电厂电机控制自动化水平也得到了很大提高。

4结论

从上面的分析可以看出,两电平高压变频器具有非常出色的性能,在降低输出谐波含量、提高变频器效率、延长电机的使用寿命及提高系统的工作稳定性等方面均有很大的优势。在电力系统、煤矿、城市供水等对设备可靠性、安全性要求很高的应用场合,采用输出谐波含量低、对负载损伤小的两电平高压变频器是一种很好的选择。

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3是一款20A降压转换器(内置MOSFET),工作电压范围为3V至21V,无需外部偏置。该固定式变频器具有高效率,可调节输出以提供低至0.6V的电压。可调电流限制允许器件用于多个电流水平。该器件采用耐热增强型6mm x 6mm QFN封装,高效电压模式同步降压转换器,工作电压为3 V至21 V,输出电压低至0.6 V,最高25 A DC负载或30 A瞬时负载。 特性 优势 宽输入电压范围为3V至21V 允许同一器件用于3.3V,5V和12V母线 300kHz,500kHz和1MHz开关频率 用户可选择的选项,允许在效率和解决方案尺寸之间进行优化权衡 无损耗低侧FET电流检测 提高效率 0.6V内部参考电压 低压输出以适应低压核心 外部可编程软启动 降低浪涌电流并防止启动时出现无根据的过电流 预偏置启动 防止反向电流流动 所有故障的打嗝模式操作 如果故障情况消除,则允许重新启动 可调输出电压 灵活性 可调节电流限制 优化过流条件。允许较低饱和电流的较小电感器用于较低电流应用 输出过压保护和欠压电压保护 应用 终端产品 高电流POL应用 AS...
发表于 07-30 04:02 274次 阅读
NCP3233 降压转换器工作电压范围为3V至21V 最高可达20A

HFBR-3810MSZ 光纤链路用于DC至10Mbaud

Broadcom’光纤(FO)短链路是一种经济高效的半导体产品,可在单个PCB上提供12 kV瞬态电流隔离。 FO Short Link基于650 nm光纤技术,适用于逆变器/驱动器,电力电子或医疗设备等应用。 FO Short Link产品提供爬电距离和间隙距离,最小值为18.1 mm。此外,HFBR-3810MSZ器件提供金属屏蔽选项,可提供更高的EMI和ESD抗扰度。 特性 金属屏蔽选项,可提供更高的EMI和ESD抗扰度 信号速率为DC至10MBaud的数据传输 具有CMOS / TTL输出的直流耦合接收器,易于设计;无需数据编码或数字化电路 高抗噪性 符合IEC 60664-1的瞬态电压抑制高达12kV 激光等级1,根据IEC-60825:修订2001 符合RoHS标准 应用 变频器/驱动器 电力电子 医疗/ X光设备 电隔离...
发表于 07-04 11:13 65次 阅读
HFBR-3810MSZ 光纤链路用于DC至10Mbaud

HFBR-3810Z 光纤链路用于DC至10Mbaud

Broadcom’光纤(FO)短链路是一种经济高效的半导体产品,可在单个PCB上提供12 kV瞬态电流隔离。 FO Short Link基于650 nm光纤技术,适用于逆变器/驱动器,电力电子或医疗设备等应用。 HFBR-3810Z和HFBR-3810MSZ器件提供爬电距离和间隙距离,最小值为18.1 mm。 功能 信号速率为DC至10MBaud的数据传输 具有CMOS / TTL输出的直流耦合接收器,易于设计;无需数据编码或数字化电路 高抗噪性 符合IEC 60664-1的瞬态电压抑制高达12kV 激光等级1,根据IEC-60825:修订2001 符合RoHS标准 应用 变频器/驱动器 电力电子 医疗/ X光设备 电隔离...
发表于 07-04 11:10 70次 阅读
HFBR-3810Z 光纤链路用于DC至10Mbaud

SN7416 具有高电压输出的六路反向缓冲器/驱动器

这些TTL十六进制反相缓冲器/驱动器具有高压集电极开路输出,用于连接高电平电路(如MOS)或驱动高电平电流负载(如灯或继电器),也可用作驱动TTL输入的变频器缓冲器。 SN5406和SN7406的最小击穿电压为30 V. SN5416和SN7416的最小击穿电压为15 V. SN5406和SN5416的最大灌电流为30 mA,SN740和SN7416的最大灌电流为40 mA。 特性 将TTL电压电平转换为MOS电平 高漏电流能力 输入钳位二极管简化系统设计 指示灯和继电器的开路集电极驱动器 输入与大多数TTL电路完全兼容 参数 与其它产品相比 反向缓冲器/驱动器   Technology Family VCC (Min) (V) VCC (Max) (V) Bits (#) Voltage (Nom) (V) F @ Nom Voltage (Max) (Mhz) ICC @ Nom V...
发表于 10-15 16:20 149次 阅读
SN7416 具有高电压输出的六路反向缓冲器/驱动器