離心式高壓泵電氣控制

離心式高壓泵電氣控制

 

隨著變頻調(diào)速技巧的開展，作為大容量傳動的高壓變頻調(diào)速技巧得到了普遍運(yùn)用。產(chǎn)品電壓等級包含3、6、10kV以及油田專用潛油電泵運(yùn)用的1。6～2。4kV產(chǎn)品，基礎(chǔ)可拖動風(fēng)機(jī)、水泵、收縮機(jī)等各類負(fù)載。高壓電動機(jī)運(yùn)用高壓變頻器能夠完成無級調(diào)速，既可滿意消費(fèi)工藝歷程對電動機(jī)調(diào)速控制的請求，又可勤儉動力，下降消費(fèi)老本。

　　目前，海內(nèi)外高壓變頻器品種很多，但還沒有造成像高壓變頻器那樣近乎對立的拓?fù)錁?gòu)造。日本長岡科技大學(xué)的A Nabae等人于1980年初次提出三電平逆變器，為高壓大容量電壓型逆變器的研制開拓了一條新思緒。個別構(gòu)造是由幾個電平臺階分解階梯波以迫近正弦波輸出電壓。這種變換器因?yàn)檩敵鲭妷弘娖綌?shù)的增添，使得輸出波形具備更好的諧波頻譜，每個開關(guān)器件所蒙受的電壓應(yīng)力較小，無需均壓電路，開關(guān)損耗小，dU÷dT較小，對電機(jī)絕緣非常有利。

　　單元串聯(lián)多電平PWM電壓源型變頻器正是基于這一思維，采取若干個高壓PWM變頻功率單元串聯(lián)的方法完成間接高壓輸出。該變頻器對電網(wǎng)諧波凈化小，諧波輸出電流很高，輸出功率因數(shù)高，不用采取輸出諧波濾波器和功率因數(shù)彌補(bǔ)安裝。

 

第一、變頻器的構(gòu)造及任務(wù)原理

　　單元串聯(lián)多電平變頻器采取若干個高壓功率單元串聯(lián)方法完成高壓輸出。以6kV輸出電壓等級變頻器為例，電網(wǎng)電壓經(jīng)過二次側(cè)多重化的隔離變壓器降壓后向功率單元供電，功率單元為三相輸出、單相輸出的交－直－交PWM電源型逆變器構(gòu)造。將相鄰功率單元的輸出端串接起來，造成Y聯(lián)構(gòu)造，完成變壓變頻的高壓間接輸出，供給高壓電動機(jī)。各功率單元分手由輸出變壓器的一組二次繞組供電，功率單元之間及變壓器二次繞組間互相絕緣。

　　6kV變頻器的輸出變壓器實(shí)施多重化設(shè)計(jì)，以到達(dá)下降輸出諧波電流的目標(biāo)。變壓器副邊有15個二次繞組，采取延邊三角形聯(lián)結(jié)，分為5個不同的相位組，互差12°電角度。每相由5個功率單元串聯(lián)而成時(shí)，造成30脈波的二極管整流電路構(gòu)造。所以實(shí)踐上29次以下的諧波都能夠清除，輸出電流波形靠近正弦波，總的諧波電散失真率可高于1％。在變壓器二次繞組調(diào)配時(shí)，組成同一相位組的每三個二次繞組，分手給屬于電動機(jī)三相的功率單元供電。這樣，即便在電動機(jī)電流涌現(xiàn)不均衡的狀況下，也能保障每個相位組的電流基真雷同，到達(dá)幻想的諧波對消后果。

　　每相由5個額外電壓為690V的功率單元串聯(lián)而成，輸出相電壓最高可達(dá)3450V，線電壓可達(dá)6kV左右，每個功率單元蒙受全部的輸出電流，但只供給1÷5的相電壓和1÷15的輸出功率。變壓器的15個二次繞組經(jīng)過熔斷器，分手接到每個功率單元三相二極管整流橋的輸出端，功率單元的構(gòu)造如圖2所示，功率單元的電壓等級和串聯(lián)數(shù)量抉擇了變頻器輸出電壓，功率單元的額外電流抉擇變頻器輸出電流。三相交換電整流后經(jīng)濾波電容濾波造成直流母線電壓，因?yàn)檩敵鲎儔浩髯杩乖O(shè)計(jì)得較大（個別為8％左右），直流環(huán)節(jié)不用設(shè)置高壓變頻器那樣的預(yù)充電限流電阻。當(dāng)功率單元額外電壓為690V時(shí)，直流母線電壓為900V左右。逆變器由4個 耐壓為1700V的IGBT模塊組成H橋式單相逆變電路，通過PWM控制，在T1和T2兩端得到變壓變頻的交換輸出，輸出電壓為單相交換0～690V，頻率為0～50Hz（依據(jù)電動機(jī)的額外功率，能夠響應(yīng)調(diào)劑，最高可達(dá)120Hz）。

　　因?yàn)樽冾l器不是用傳統(tǒng)的器件串聯(lián)的方法來完成高壓輸出，而是采取全部功率單元串聯(lián)，所以不存在器件串聯(lián)引起的均壓問題。

 

第二、變頻器的SPWM控制技巧

　　逆變器輸出采取多電平移相式PWM技巧，同一相的功率單元，輸出雷同幅值和相位的基波電壓，但串聯(lián)各單元的載波之間互相錯開肯定電角度，完成多電平PWM，疊加以后輸出電壓的等效開關(guān)頻率和電平數(shù)大大增添，輸出電壓非常靠近正弦波。關(guān)于6kV的變頻器，每相由5個額外電壓為690V的功率單元串聯(lián)而成，采取5個順次相移為72°的三角載波和參考波對比，發(fā)生PWM控制信號，使逆變器輸出相電壓有11種電平，而對應(yīng)的線電壓則有21種電平。這種變頻器對電動機(jī)沒有特別的請求，可用于普通的高壓電動機(jī)，且不用降額運(yùn)用。

　　每個功率單元脈沖控制都是采取SPWM控制，逆變器的控制脈沖波形，由參考正弦波和三角波對比發(fā)生。實(shí)踐上，為了避免同一橋臂高高管子同時(shí)導(dǎo)通，必需設(shè)定互鎖延時(shí)，即存在肯定的逝世區(qū)時(shí)光，在逝世區(qū)時(shí)光內(nèi)高高橋臂IGBT均處于截止?fàn)顩r，輸出電壓由輸出電流的方向抉擇（電流方向抉擇電流流經(jīng)哪個續(xù)流二極管，從而抉擇輸出電壓極性），嚴(yán)厲說來，此時(shí)輸出電壓處于不可控狀況。因?yàn)閱卧獌?nèi)PWM的載波頻率很小，逝世區(qū)電壓的誤差占的比重很小，能夠疏忽不計(jì)，不用采取像高壓變頻器那樣的逝世區(qū)電壓誤差彌補(bǔ)電路。功率單元與主控體系之間通過光纖進(jìn)行通訊，以處理強(qiáng)弱電之間的隔離問題和攪擾問題。

　　依據(jù)功率單元構(gòu)造，每個功率單元的逆變電路存在4種不同的開關(guān)組合：VT1和VT4同時(shí)導(dǎo)通，T1和T2之間輸出正的直流母線電壓；VT2和VT3同時(shí)導(dǎo)通，輸出負(fù)的直流母線電壓；VT1和VT3同時(shí)導(dǎo)通，或許VT2和VT4同時(shí)導(dǎo)通，輸出電壓為0。所以，4種不同的開關(guān)狀況，輸出3種不同的電平，分手為＋U、0和－U（U為單元直流母線電壓）。

 

第三、仿真剖析

　　采取Matlab軟件外部所含的Simulink工具箱對6kV電壓等級的變頻器進(jìn)行了仿真，仿真電路中取M為0。85，三角型載波頻率為600Hz，圖3為6kV電壓等級的變頻器相電壓仿真波形， 為變頻器輸出的線電壓波形諧和波剖析。從圖3、圖4中能夠看出，變頻器每相有0、±U、±2U、±3U、±4U、±5U共11種電平，而對應(yīng)的線電壓則有21種電平。因?yàn)椴扇《嚯娖郊记桑€(wěn)態(tài)時(shí)輸出電壓、電流非常靠近正弦波，總的電壓諧波失真為5。38％，大大高于普通的電流源型變頻器和三電平變頻器，改良了輸出波形，下降了輸出諧波。

 

因?yàn)椴扇《嚯娖揭葡嗍絇WM控制，輸出的諧波頻率重要集中在4。5～7。5kHz規(guī)模內(nèi)，且都高于5％。關(guān)于個別的電動機(jī)來說，工頻時(shí)阻抗為16％左右，所以關(guān)于5kHz的諧波而言，其阻抗約為1600％，所發(fā)生的各次諧波電流均小于0。5％，基礎(chǔ)上不會發(fā)生諧波發(fā)熱、噪聲和轉(zhuǎn)矩脈動，電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動重量極小，因此，諧波引起的電動機(jī)發(fā)熱、噪聲和轉(zhuǎn)矩脈動都將大大下降，能夠不用設(shè)置輸出濾波器，運(yùn)用普通的異步電動機(jī)。