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最新传动装置-阿尔斯通MV7000型中压变频器的剖析
2006年2月16日 14:1  

1 引言
交流变频调速技术是多年来一直在发展和广泛应用的技术,我国目前在各行各业都可以看到它的普遍应用,随着电力电子元器件:晶体管,晶闸管的研制和开发,使其过去受到功率元器件限制的大容量,中压交流变频装置已经在工业各个领域开始得到普及和应用。阿尔斯通公司去年为武钢的硅钢厂提供了六套当今国际上最现代化的变频传动装置MV7000应用于冷轧硅钢板材的生产。其主回路电控系统框图见图1。
此系统的最大特点是系统应用了交流中压变频控制装置MV7000;直流母线的能量回馈系统,三台主电机共用一条公用直流母线,达到了方案的经济,节能和最优化配置。整流侧则采用的是当今最为先进的电能管理变流器。电机为3.3kV的交流中压鼠笼电动机

2 MV7000传动系统
目前在我国大量采用的变频调速装置基本都是低压变频器,即380V~690V。而中压大容量的变频器尚处于起步阶段。根据我国的国情,大容量、高电压的交流变频装置将会在今后的变频调速的领域起着重要的角色,将是市场的大赢家。
2.1 MV7000选用的功率元器件
(1) 元器件开发的两条线
多年来,由于电力电子元器件的耐压等级和所承受的电流受到限制,同时传动系统拓扑结构也还仅仅局限于原来传统上所采用的二电平的控制结构方式,使得中压变频调速技术的发展一直受到了限制。近年来的功率元器件的发展,各元器件制造厂家的研制和开发基本遵循着两条线进行的,即:
l 半导体晶体管-IGBT-IEGT;
l 可控硅(晶闸管)-GTO-IGCT
(2) 高电压变频传动装置事主要的几种方式
同样传动设备(装置)的研发也是按照市场上的功率元器件状况来进行的。当今的传动系统装置的开发厂家也同样在伴随着电力电子元器件的发展而发展,同时促进元器件厂家的更多的开发出容量更大的元器件-为他们提供着一大的环境和平台。大功率晶体管、晶闸管、GTO、IGCT、IGBT和IEGT的相继应用到传动系统之中,以及变频器拓扑技术结构形式上的开发,使得高电压大容量变频器得以应用在工业系统当中。我们知道高电压变频传动装置主要有如下几种方式:
l 电流源变频器,这主要采用传统的晶闸管技术;
l 电压源变频器:目前更多的开发集中在这类变频器上。即:采用GTO、IGBT和IGCT的元器件的三电平和多电平拓扑结构的控制技术基本都是在这种装置上开发。阿尔斯通的MV7000型变频器是在原中电压IGBT元器件变频器的基础上开发出的,它采用了目前国际上最好的大功率元器件IEGT构造的中压变频器。图2表示出当今各种大功率元器件的主要参数的比较。从图2的参数比较中我们可以清楚的看到,此元器件的开关速度(切换频率),非常小的门极触发电流,所承受的电压值和峰值电流,以及对本身元器件的过载电流保护等都是当今最先进的。
2.2 MV7000 系统构成
在高电压,大功率的变频器发展过程中,首先经历的是在原有的二电平控制结构基础上并联或串联上几个元器件,这种多个元器件的串并联的连接方式与和引起很多复杂电流均流问题,元器件电压的均衡问题,而解决这些问题的好方法是尽可能的采用大容量功率元器件,或者在传动装置的拓扑结构上做文章。这样就相继开发出了三电平,多电平结构的高压变频器。阿尔斯通MV7000是一三电平,电压源型的变频器,其柜体的组成如图3所示,输出波形近似于正弦波形,它以非常小的谐波电流提供给电机。由于其系统的中性点是强制连接的,电流波形更接近异步鼠笼电机或交流同步电机的正弦电流。由于该装置采用IEGT元器件,变频器的一每相上有四个IEGT管子就够了,使系统的结构相对简单和大大减小了柜子的体积。同时MV7000的结构更适合于对交流异步电动机的控制。此柜子的特点:
(1) 整流柜可以根据工艺控制性能的要求,采用二极管形式的整流柜(当然它可以是6脉冲、12脉冲、24脉冲…);也可以是AEM型,即称之为能源管理型整流装置,此整流柜与逆变柜在硬件结构上完全一样,他们之间的区别在于控制对象,前者的控制对象为电网,后者则为电机。若采用AEM的整流器的化,系统可以在四象限上运行;对电网的功率因数为1;
(2) 可以驱动交流同步电动机;更适合于驱动交流异步电动机。
2.3 MV7000现代化的控制技术
MV7000是一高集成度、模块化的硬件设计结构、光触发功率元器件的硬件组成,从而确保了它的高可靠性和非常便于客户的维护等优点;在软件上MV7000变频装置,也应用了很多现代控制技术,系统中主要有:矢量控制功能和KALMAN滤波算法的实际应用;转子的磁场矢量定位控制;系统可以预先估算出电机的磁通和速度,有此功能的话,系统可以在速度开环的情况下仍可以精确的控制电机,另外,在速度闭环回路中的测速机出现故障时,也可以很好的确保系统的正常运行,这是很多工艺控制过程中希望能达到的;PWM脉宽调制技术和PWM波形的控制技术等等,这些现代控制技术的采用使得MV7000具有宽广的应用领域,如在冶金板材轧机的轧制中,轧制工艺上要求在低速轧制过程中,控制系统要与高速状态具有同样的控制精度,这样才能保证带钢张力的均衡。而我们知道异步电机之所以难控制,主要是电机的低频端特性极差,很难控制。阿尔斯通的MV7000由于具备了上述的多种现代控制技术,可以很好的控制交流异步电动机的低频特性。可使其应用在各种要求苛刻的冶金板材轧钢机的交流鼠笼电机的控制上。在阿尔斯通的MV7000中采用了一种非常有用的、在实际控制效果中又可以达到非常好的系统性能。这就是PWM脉宽的频率调制技术和PWM波形的控制技术[3]。通俗的讲,是调节PWM脉宽调制的分布形状和PWM的调制频率,根据不同的工艺控制的要求,不同速度对系统不同参数的影响程度,系统通过控制软件实现和高速工业计算机的控制,可以是系统达到在某个控制段,使我的系统要达到相对应于某些指标为最优。从而可以达到的效果是:
l 可以控制电机在非常低的频率(速度)下,达到100%的转矩运行;
l 可以使我的传动系统很好的运行在100Hz以上的高速状态;
l 可以调节系统使电机的电流畸变率降到最低;
l 可以减少变频器的换相损失;
l 可以使系统控制在低噪音和低震动运行(此特点尤其适合于船舶的驱动控制上)。

3 MV7000应用领域和对象
(1) 电机方面
可以驱动交流同步电动机;更适合于驱动交流异步电动机。
(2) 工艺过程控制方面
l 应用在控制性能很高的领域,如:冶金的各种轧钢机,造纸、板材的轧制等。
l 应用在对噪音和系统震动要求非常苛刻的船舶电驱动系统。
l 应用在对运行速度要求很高的领域,如:石油天然气输送管线的高速压缩机驱动控制和风洞试验场的风机。它们的速度常常要求电机的速度达到10000r/min以上。
l 同样可以应用在我们通常大量应用的大风机大水泵的电机驱动上,也可以应用在各种节能改造的变频调速的项目中。
MV7000的应用范围:从附表的MV7000的系列产品中可以看到它的应用范围是很宽的。
附表 阿尔斯通MV7000的产品系列

MV7000 Volts MVV IEGT 4500 Volts
MV7304 3300 4,0 85mm wo/d
MV7306 3300 6,0 125mm w/d
MV7308 3300 8,4 125mm wo/d
MV7312 3300 12,0 125mm w/d
MV7316 3300 16,8 125mm wo/d
MV7608 6600 8,0 85mm wo/d
MV7612 6600 12,0 125mm w/d
MV7616 6600 16,8 125mm wo/d
MV7624 6600 24,0 125mm w/d
MV7632 6600 33,6 125mm wo/d
MV7000 FP Volts MVV Flat-Pack IGBT
MV7302 FP 3300 2,0 4500 Volts
MV7303 FP 3300 3,0 4500 Volts
MV7402 FP 4160 2,0 6500 Volts
MV7403 FP 4160 3,0 6500 Volts
4 结束语
MV7000产品是阿尔斯通公司近期在中国推出的,采用最新的电力电子技术、三电平中压变频器。它最先应用在法国的船舶电驱动上,然后又应用在法国的石油天然气的管道输送项目中的超高速压缩机的驱动上(电机转速在10000r/min以上),紧接着又采用在具有高性能的控制要求的武钢硅钢厂二十辊硅钢片冷轧机上。控制系统采用了很多高新传动方面的技术,操作和维护都很方便和简洁。作为一种应用于中压大功率新型变频装置,它集当今国际最先进的传动控制技术于一身:IEGT大功率元器件应用于主回路;三电平主电路的拓扑结构;高集成度的模块化控制结构设计;PWM脉宽调制技术和PWM波形的控制技术;矢量控制技术和交流异步电机的低频转矩控制技术,低频消除谐波调制技术和提高电网的功率因数达到1.0等等。

 
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