高压变频器的可靠性实践
仪器信息网 · 2009-05-20 21:40 · 19420 次点击
高压变频器的可靠性,是工矿企业十分关心的问题。我国从九十年代初开始引进高压变频系统,经各单位多年的应用实践,已积累了一定的经验,认识也逐步深化。
可靠性问题贯穿在系统的结构设计、元器件总数和质量(包括管芯缺陷)、计算机技术及软件、品质控制及调试维护的全过程。它是工业技术水平和企业素质的综合体现。高压变频器产品溶合了可靠性设计理念和零缺陷的质量控制方法,它应落实到从总体方案、设计、编程、选材、制作、测试和使用维护的每一个环节。计算机和网络技术的发展和应用使可靠性技术有别于传统的内容,已发展到一个全新的阶段,开发了一系列基于软件技术的新方法,并使系统实现故障自诊断、自修复、远距离诊断和维护咨询。
下面从主回路拓扑结构、功率元器件、可靠性冗余和调试维护等方面进行讨论。
1主回路拓扑结构
在高压变频器中,主回路拓扑结构有多种不同的方案。但在实际应用中,目前比较多的是两种方案:
⑴用IGBT构成的单元串联多电平PWM电压型变频器;
⑵用IGCT/SGCT构成的中性点箝位的三电平电压型变频器。
在本讲座第四讲中,曾对这两种方案的原理和特点作过介绍,现再从可靠性的角度加以说明和比较。
在作比较之前,先对三电平高压变频器主回路的实用线路作一简单说明。对于单元串联多电平变频器,因为以前已有较多的文章予以讨论,这里就不再重复。
今以十二脉波中性点箝位的三电平变频器主回路为例加以说明。在六相整流桥之后,接有高电压浪涌阻容吸收电路。在直流母线中,串有两个IGCT作为预充电限流和熔断器,两个抗共模电压电抗器,两套由扼流电抗器、二极管和电阻构成的di/dt限制器。在逆变器功率器件侧接有中性点箝位二极管及均压电阻等。在输出端还须设置L-C滤波器。
由于IGCT器件耐压的限制,某些型号的三电平变频器至今尚无输出电压6000伏规格的产品,为方便起见,现同以输出电压4160伏规格的产品作可靠性比较。
在单元串联多电平变频器中,逆变器功率器件的数量较多,但主回路为低压,主要部件可以作冗余设计:采用在低压变频器中已应用多年的IGBT器件,门驱动电路简单,输出谐波小、dv/dt小,抗共模电压性能较好,对电动机友善。选用更高电压的IGBT、减少功率单元的数量、提高系统效率,是下一步的改进方向。中性点箝位三电平高压变频器整流和逆变回路中功率器件较少,系统效率较高;但主回路中大功率附加器件较多,回路中高压功率部件冗余目前尚无解决方案。门驱动电流大,驱动线路较为复杂,输出谐波及dv/dt较大,须设置L-C滤波器。该方案较适用于做成AFE方式、配合专用电动机的高压变流器系统,如轧钢机、卷扬机等。随着技术的发展和IGCT器件耐压的提高、门驱动线路的简化,该技术有一定的发展前景。
2功率器件性能
在高压变频器中,目前用得比较多的功率器件当数IGBT和IGCT,今列表对它们的性能作一对比。
IGBT由于其关断损耗小,开关频率高、驱动功率低,门驱动电路简单和保护容易等特点,在低压变频器中已有成熟的应用;在单元串联多电平高压变频器中也显示出它的实用性和经济性。采用耐压更高的IGBT,将进一步提高系统的性能。IGCT是一种新型的大功率器件,它开关快速,开通能力强、存储时间短、开关损耗较低。为减小引线电感,其管芯必须与门驱动电路集成安装、整体更换。IGCT器件耐压等级提高以后,它将是构成大功率和甚大功率高压变频器的优选功率器件。