大功率交流電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)的研究(1)-預(yù)覽頁
【正文】 力電子及電氣傳動學(xué)科 的高新技術(shù)，大功率交流電機(jī)變頻調(diào)速是國家重大 技術(shù)裝備的關(guān)鍵設(shè)備，也是當(dāng)前節(jié)能減排的重點推 廣技術(shù)。例如在國防與交通領(lǐng)域，大功率交流變 頻調(diào)速是大型艦船電力推進(jìn)、高速機(jī)車牽引、磁懸浮 列車的核心設(shè)備。大功率交流調(diào)速技術(shù)復(fù)雜，裝備容量大，涉及電 力電子、自動控制和電機(jī)等多個學(xué)科領(lǐng)域，該技術(shù)被 少數(shù)國外大公司壟斷，國家重點工程和重大裝備中 的大型交流調(diào)速系統(tǒng)長期依賴進(jìn)口。但是國內(nèi)外學(xué)術(shù)界對同步電機(jī)調(diào)速理論的研究 不多，變頻同步電機(jī)的運(yùn)行機(jī)理不清楚，特別是電機(jī) 變頻狀態(tài)的阻尼繞組理論模糊，一些學(xué)者提出同步 電機(jī)只設(shè)半阻尼，甚至不設(shè)阻尼繞組。通 過器件或者變頻器串聯(lián)可以提高輸出電壓，采用并 聯(lián)可以擴(kuò)大電流，從而提高系統(tǒng)的輸出功率。諧波會污染 電網(wǎng)，殃及同一電網(wǎng)上的其他用電設(shè)備，甚至影響電 力系統(tǒng)的正常運(yùn)行。但國 內(nèi)高校和研究所對變頻調(diào)速的研究多針對異步電 機(jī)，同步電機(jī)磁場定向控制被少數(shù)大公司壟斷，各公 司控制方法不同，可借鑒的參考材料稀少，大功率同 步電機(jī)調(diào)速理論在國內(nèi)還是空白。3交交變頻調(diào)速技術(shù)的研究交交變頻調(diào)速系統(tǒng)如圖1所示，由3組反并聯(lián) 晶閘管可逆橋式變頻器組成,它沿續(xù)晶閘管變流器 的電網(wǎng)自然換流原理，具有過載能力強(qiáng)、效率高、輸 出波形好等優(yōu)點，對于大功率低速運(yùn)轉(zhuǎn)的軋鋼機(jī)和 礦井提升機(jī)傳動，交交變頻調(diào)速占主流。特別是針對國外引進(jìn)電機(jī)多次出現(xiàn)電機(jī)阻尼繞 組燒壞事故，指出其設(shè)計存在著嚴(yán)重的缺陷。，完善了同 步電機(jī)磁場定向控制理論針對同步電機(jī)磁場定向控制存在著定子磁鏈、 氣隙磁鏈、轉(zhuǎn)子磁鏈等不同定向控制方式。將瞬時 功率理論引人到交交變頻同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng) 中，對大型熱連軋機(jī)主傳動交流調(diào)速系統(tǒng)在不同運(yùn) 行參數(shù)、不同工況和電網(wǎng)條件下的特性進(jìn)行了全面 分析研究，得出無功功率隨軋機(jī)運(yùn)行參數(shù)變化的規(guī) 律。，解決 了傳動機(jī)電振動問題[2]深入研究了交流調(diào)速機(jī)電振動理論，與常見的 躲避機(jī)電共振頻率被動方法不同，運(yùn)用現(xiàn)代控制理 論構(gòu)造出機(jī)電振動模型及抗負(fù)荷擾動觀測器，通過 控制電氣傳動系統(tǒng)來抑制機(jī)電振動,從而解決了軋 機(jī)傳動機(jī)電扭振問題。,并形成規(guī)模產(chǎn) 業(yè)研制了國產(chǎn)大功率電力電子器件，攻克了大電 流硅片閉管擴(kuò)散縱向參數(shù)的控制；高di/dt與高 如/由的協(xié)調(diào)。采用國產(chǎn)晶閘管研 制成功具有國際先進(jìn)水平的大功率高電壓交交變頻 功率裝置，滿足了大型交流電機(jī)變頻調(diào)速傳動的要 求。該項目2000年在攀鋼熱連軋廠投入 生產(chǎn)。交交變頻國 產(chǎn)裝備的大規(guī)模推廣應(yīng)用，促使我國大型軋機(jī)傳動 交流化超過90 % ,提髙能效30 %，大大推動了我國 鋼鐵、煤炭行業(yè)裝備的技術(shù)進(jìn)步和節(jié)能降耗。正是這一代表國家自主創(chuàng)新的交交變頻技術(shù)與 外國公司競爭，全面扭轉(zhuǎn)了大功率交交變頻傳動裝 備長期依賴進(jìn)口的局面。在大功 率交流調(diào)速領(lǐng)域，采用IGCT/IGBT新型器件的大功 率變頻器已成為趨勢。冶金自動化研究院科研團(tuán)隊緊緊把握電力電子 技術(shù)的發(fā)展方向，在國家“八六三”計劃的支持下， 開展大功率IGCT三電平高壓變頻調(diào)速技術(shù)的研究。004 MVA IGCT變頻器電路原理圖 Fig. 4 The circuit diagram oi the MVA IGCT converter IGCT仿真模型，深入研究了 IGCT的 開關(guān)特性，提出IGCT應(yīng)用的設(shè)計方法變頻器首次采用了 4 000 A/4 500 V高壓大功 率IGCT器件，通過對IGCT元件的開關(guān)特性進(jìn)行深 人研究，建立了能夠應(yīng)用于大功率三電平變頻器系 統(tǒng)的IGCT元件的功能模型,通過對IGCT元件的開 關(guān)特性進(jìn)行深入的仿真研究，為IGCT大功率變頻 器系統(tǒng)的設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。運(yùn)用計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)對變頻器功率模塊結(jié) 構(gòu)和水冷系統(tǒng)進(jìn)行了研究，設(shè)計出一種獨特的結(jié)構(gòu) 緊湊、功率密度高、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的功率模塊結(jié) 構(gòu)。 使IGCT變頻器的體積大大縮小，是國外引進(jìn)GTO 變頻器的一半，其功率密度比達(dá)到國際先進(jìn)水平。VME系統(tǒng)通過現(xiàn)場總線和高壓開關(guān)、水冷系 統(tǒng)等其他部分實時通信。變頻器在電感負(fù)載下三電平狀態(tài) 下運(yùn)行，直流母線電壓為5 000 V時，逆變器輸出線 電流峰值達(dá)到2 500 A，輸出功率達(dá)到10 MVA。試驗結(jié)果表明變頻器設(shè)計合 理，各項技術(shù)性能指標(biāo)能夠達(dá)到設(shè)計要求，系統(tǒng)安全 可靠地運(yùn)行，滿足科研試驗線變頻供電的要求[5]。 廣泛應(yīng)用于冶金軋鋼、礦山提升、機(jī)車牽引、船舶推 進(jìn)、油氣輸送和風(fēng)機(jī)水泵節(jié)能等領(lǐng)域。隨著大功率電力電子器件的發(fā)展，采用IGCT， IGBT等新型電力電子器件的大功率變頻器已成為 趨勢。隨 著新型電力電子器件的發(fā)展和應(yīng)用，大功率交流調(diào) 速技術(shù)與裝備將不斷更新進(jìn)步。發(fā)展以IGCT， IGBT等新型電力電子器件為核心的大功率變頻器 必須要以我們國家自己的器件為基礎(chǔ)
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