中压交流驱动脱落自定义图像
对于需要多兆瓦级电动机驱动的大型工业或发电厂类型的负载，您在哪里找到控制解决方案?如今，一种日益增长的技术选择是中压(MV)交流驱动。中压驱动器与它们更常见的低压(LV)表亲相似，但比它们大上百倍。
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对于需要多兆瓦级电动机驱动的大型工业或发电厂类型的负载，您在哪里找到控制解决方案?如今，一种日益增长的技术选择是中压(MV)交流驱动。中压驱动器与它们更常见的低压(LV)表亲相似，但比它们大上百倍。传统的定制设计，中压驱动器现在使用的设计方法和系统工具与低压驱动器没有什么不同。
除了为应用程序提供必要的功率外，在中压下工作的变频驱动器比低压驱动器产生更少的损耗，并且允许电机和电源的电缆尺寸更小。这产生了更好的整体驱动效率和更低的系统成本。
那么什么是“中压”呢?这个术语的定义并不统一;它因行业和应用而异。对于交流电机驱动器，从600伏以上到15千伏的范围代表了一些共识。在欧洲，1kv被认为是MV的阈值。更实际的是，现有的中压变频器产品范围较窄，为2.3至7.2 kV。然而，在不久的将来，这一范围有望扩大。标准的北美中压是2.3和4.16千伏，而欧洲和世界其他地区更喜欢3.3和6.6千伏。
MV驱动器在移动
几乎所有的供应商都同意，中压变频器的一个主要驱动力是能源成本的节省。
罗克韦尔自动化加拿大公司(位于加拿大安大略省剑桥市)指出，在为大型风扇、泵和压缩机提供动力方面，可以节省大量能源，这些都是中压变频器的典型应用。“在许多情况下，新型中压变频器的成本较低，用户可以在不到一年的时间内获得回报，”加拿大罗克韦尔自动化中压业务营销传播经理Ralph M. Paling说。帕林还列举了中压变频器重新活跃的其他因素:
功率半导体开关的进步——诸如sgct(参见功率开关侧栏)之类的新器件改进了封装，提高了可靠性，并降低了总体驱动成本;
全球竞争对手增多——大多数主要变频器制造商现在都有中压产品，提高了市场知名度，为客户提供了比以往更多的选择;和
标准化——从历史上看，大多数中压变频器都是高度工程化的产品，交货时间为20-30周。如今，标准化的产品线和业务系统自动化可以将大多数“标准”中压变频器的交货时间缩短到六到八周。
ABB(威斯康星州新柏林;Turgi，瑞士)热衷于交流变频驱动器(vfd)的市场增长。它将增加的兴趣归因于驱动器性能，可靠性，效率和电源质量比上一代产品的改进。
ABB自动化公司中压驱动经理Ram Bhatia同意节能的重要性，特别是在考虑用变频器取代现有的固定速度驱动器时。他说:“通过提高效率和功率因数，可以节省成本。“用户关心三个重要方面:新安装的总成本(即需要更换现有的定速电机)、投资回报时间和变频器的可靠性。”巴蒂亚估计，根据安装的具体情况，投资回收期通常在一到五年之间。
ABB对这些用户问题的回答是其ACS 1000 MV驱动器，于1997年底在欧洲推出，后来在美国推出。该驱动器采用了一种称为直接转矩控制(DTC)的先进控制方法，可以精确控制电机速度和转矩，而无需脉冲编码器从电机轴反馈。DTC可以在零速度下实现满负荷扭矩。它还符合IEEE 519-1992和英国的G.5/3规范，根据ABB的规定，几乎所有装置的谐波失真。功率范围为315-5,000 kW, 2.3, 3.3和4.16 kV。
改造和区域市场
ACS 1000针对改造市场进行了优化，不需要降低现有的感应和绕线转子交流电机的转速。内置正弦输出滤波器将共模电压(功率半导体快速开关产生的有害电压尖峰)引起的电机绝缘应力降至最低。“只需将现有的电机铭牌数据输入到ACS 1000软件中，驱动器就可以完成其余的工作，”Bhatia先生说。
西门子能源与自动化公司(Alpharetta, Ga)大驱动器市场经理Jeff Mason也认为，能源成本正在推动中压驱动器的发展。“随着放松管制，即使是公用事业公司也不能免于对能源效率的担忧。发电厂中的大型风扇和泵是主要的中压驱动应用，”他说。梅森进一步指出，这些驱动器在设计上存在地区差异。在欧洲，中压驱动器通常安装在工厂车间的中间。电源连接在后面(或底部)的单位是足够的这种更“开放的建设。”北美的装置通常靠墙或在更狭窄的空间中，需要正面或侧面的电源通道。此外，架空电缆桥架和母线管道在美国更常见，这使得从顶部连接电源成为一种理想的功能。
在Robicon(新肯辛顿，宾夕法尼亚州)也看到了MV驱动器的新活动。除了无处不在的节能需求外，动力还来自于性能优越的新产品的推出。Robicon的技术副总裁Richard Osman说:“这些驱动器为客户提供了新的选择，而没有以前MV产品的缺点。”
新一代产品专注于提高中压变频器输入和输出的电能质量。早期的驱动器没有充分解决这一需求，用户得到了电源质量问题的味道。“用户意识到，中压驱动器必须在输入端提供非常低的谐波，以避免干扰附近的设备，并提供良好的输出波形，以避免损坏电机，”Osman先生解释说。
看看收益
Robicon认为，为高功率需求的过程带来变速操作是中压驱动器的真正效率增益(或好处)。用户发现，通过速度控制调整流程的能力创造了更大的灵活性，以响应不断变化的生产需求。减速运行也使旋转设备使用寿命更长。避免了在线启动电机的需要，这会导致巨大的涌流，这是中压驱动器的另一个实质性好处，”Osman先生补充道。
更大的中压电机代表了一个相当大的投资，以保护。启动不是这些电机的常规步骤，制造商限制了推荐的启动次数。软启动能力为中压变频器提供了一个有用的功能。
中压驱动器提供的好处除了提高功率输出和效率。新的电源开关-可提供高达6.5 kV(峰值反向电压)-使驱动器具有更高的额定电压(高达6.6 kV)和更宽的功率范围，而无需升压变压器。它们在更高的额定电压下减少了元件数量和成本。从历史上看，6.6千伏的变频器在1000千瓦以下是没有竞争力的，”罗克韦尔自动化的Paling先生说。
大型中压电机的变频软启动和多电机启动/速度控制是中压驱动器的进一步有益功能。在某些情况下，多个电机可以由一个MV驱动器单独启动，然后在每个电机达到满负荷和全速时同步到输入线路频率(参见在线额外的应用部分)www.globalelove.com）.据罗克韦尔自动化公司报道，该驱动器只需要为最大的电机设置尺寸。
电源开关:驱动的心脏
GE工业系统公司(Salem, Va.)将新型高压半导体视为其最近在中压驱动产品投资的前沿。MV产品工程师Paul Bixel表示，这些设备的“更好的性能和新的经济性”——例如，与旧的电源开关相比，更高的电压、更少的组件和更快的开关时间——对进步至关重要。“简而言之，使用新的动力装置要容易得多，”他说。
与前几代中压变频器相比，通用电气工业系统公司看到了客户的优势，例如使用最新电源开关的中压变频器具有统一功率因数(PF=1)、高输出频率、低谐波和低安装成本。它的再生PWM驱动提供了VAR(伏安无功)控制的额外好处。这种类型的驱动器可以产生领先或滞后的VAR组件，以帮助抵消客户工厂中其他交流设备产生的相反VAR，从而纠正功率因数。
Bixel指出，工业领域对中压变频器的认识日益增强;潜在用户现在更愿意尝试新技术。“随着客户对中压驱动技术越来越熟悉，他们正在将其应用于越来越广泛的工艺中，以减轻电力系统的压力，降低运营成本，并延长设备的使用寿命。”
GE工业系统公司的创新系列中压变频器提供使用2.3-7.2 kV交流igbt的非再生装置，功率高达9兆瓦。对于再生驱动，今天的经济倾向于6mw以下的igbt。根据Bixel先生的说法，在功率水平高于10兆瓦非再生(6兆瓦再生)时，igct是PWM驱动器的首选器件。
这些驱动器控制同步以及感应电机。通用控制平台包括操作员界面、诊断工具、通信网络、培训等，适用于公司所有的低压和中压变频器。它简化了用户或集成商的实现任务，而不管他们的系统中可能有多种驱动器。
即使最近开发了新的基于IGBT和igct的驱动器，GE工业系统公司也没有把所有的鸡蛋放在一个电源开关技术篮子里。他补充说:“我们将继续关注电源器件的趋势，期待新的发展，并将根据情况推出新产品。”
西门子(德国埃尔兰根);Alpharetta, Ga)专注于将hv - igbt作为其新驱动器的电源开关。Simovert MV驱动器-称为交流转换器-工作在2.3和6.6千伏之间，功率范围从300千瓦到6.8兆瓦。据报道，这些模块化装置提供0-9,000 rpm的精确速度控制，是“行业中占地面积最小的设备之一”，可以开辟更广泛的应用。空气和水冷机组都是可用的;水冷却目前适用于4mw以上的驱动器。
西门子E&A的Mason先生提到了更大的，特殊的中压驱动器，如环变流器和LCI(负载整流逆变器)单元，范围高达100兆瓦!
西门子声称，与gto和igct相比，hv - igbt有几个优势。例如，IGBT通过IGBT栅极提供对电压和电流瞬态的完全控制;此外，它们需要更少的门控功率和使用更少的门控部件，这意味着更高的可靠性。
Simovert中压驱动器包括一个有源前端(AFE)或输入转换器，可以将功率因数调整到1.0，如果其额定功率有足够的余量，可以帮助校正无功负载组件(var)。当应用程序需要再生制动时，也使用AFE。AFE上的输入滤波器限制进入电压供应线的谐波。
罗克韦尔自动化最新的中压变频器是PowerFlex 7000(于1999年12月发布)，第一阶段产品功率为500-4,000马力(375千瓦-3兆瓦)，电压为2.3-6.6千伏。它的功率开关器件是半导体技术的另一种变体——对称栅整流晶闸管(SGCT)。sgct用于逆变器和PWM整流器部分，由于这种常见的电源结构，提供了设计效率和更少的备件的好处。
“SGCT具有集成栅极驱动，高开关频率和双面冷却，是中压驱动应用的理想功率半导体开关，”Paling先生解释说。他补充说:“脉冲宽度调制(PWM)开关模式经过优化，可以实现最低的传导和开关损耗，从而实现紧凑高效的逆变器设计。”
大型模块化设备
正在申请专利的Power Cage容纳了罗克韦尔自动化PowerFlex 7000 MV变频器的主要动力组件。这种紧凑的模块化封装(见图)包括先进的散热器设计，结合“高压气流模式”，确保有效的传热并减少热应力。根据罗克韦尔公司的说法，在不到五分钟的时间内，无需任何特殊工具即可在现场更换动力笼组件。
具有PWM正弦波输出的新驱动器也可以处理现有电机或新标准交流电机的改造而不降额。
ABB的中压驱动器ACS 1000采用了IGCT功率半导体(参见电源开关器件侧栏)。实际上，这些是“内部”电源开关，由该公司的一个部门开发，ABB半导体(Lenzburg, Switzerland;美国总部，宾夕法尼亚州匹兹堡)。该部门还向包括驱动器制造商在内的其他客户销售igct。“IGCT是一项融合了GTO和IGBT器件显著优势的进化技术，”Bhatia先生补充道。
有关相关主题的更多信息，请参考以下内容控制工程问题:ACS 1000 (CE， 1997年12月，第9页);ABB的igct (CE， 1997年7月，第17页);及“电源模组及先进马达控制装置”(CE， 1998年4月，第91-101页)。
不同的方法
Robicon采用不同的方法将功率半导体应用于中压驱动器。其Perfect Harmony驱动器采用新的串联单元、多电平电路拓扑结构中的igbt。它由标准的igbt组成，这些igbt以称为动力电池的模块化单元排列。然后将这些具有单相输出的独立功率转换模块串联起来，以获得应用中更高的电压要求。
对于目前的MV产品，Robicon完全依赖于igbt。它报告说，这种基于大批量和优惠价格的标准igbt的设计取得了成功。不过，Osman说，该公司正在研究3.3千伏的hv - igbt，目标是为13.2千伏的驱动器制造动力电池。
至于替代技术，Robicon认为igct是“对gto的重大改进”。传导损耗有利于igct而不是igbt，但开关损耗则相反。Osman先生还指出，与IGBT供应商的数量相比，IGCT生产商很少的劣势。ABB半导体(见上文)和Powerex(宾夕法尼亚州扬伍德)是两家供应商。“起初，igct的额定电压高于igbt，但现在igbt的额定电压为6.5 kV，”他补充说。看到www.globalelove.com了解更多详情。
新一代完美和谐驱动器拥有更小的占地面积和更低的成本。它涵盖了2.3-6.6 kV的300千瓦至3兆瓦功率范围。Robicon的中压驱动器，包括水冷机组，涵盖标准中压2.4,3.3,4.0,4.8,6.0和7.2 kV, 400千瓦至10兆瓦。
随着功率开关技术的发展和其他设计的不断改进，中压交流驱动器正在摆脱定制设计的形象。他们有动力去模仿低压同行的成功。
电源开关装置的通天塔
任何中压交流驱动的核心是处理大电压和大电流的快速和可控开关的电力电子设备。“巴别塔”相关动力装置首字母缩写的翻译:
矩形脉冲断开(栅极关断)可控硅是一种功率半导体类似于可控硅(见下文)，但处理较低的电流，也可以通过负栅极终端信号关断。它的开关频率比可控硅高。功率因数低，效率低，且需要输出滤波，增加了其应用成本。
可控硅(硅控整流器)是一种单向的固态开关，提供高电流处理能力，保留其在非常大的MV驱动器中的使用。电流进入栅极终端控制火花电压即传导开始的点。当电流低于保持值时发生关断。缺点包括相对较慢的切换速度和产生的驱动器的大尺寸。gto和scr是成熟的功率器件。
IGBT(绝缘栅双极晶体管)结合了a的最佳特性场效应晶体管(金属氧化物半导体场效应晶体管)输入和双极晶体管输出在一个新的功率开关器件。由于在输入端不存在结效应，因此开关效果非常快。采用绝缘栅极，功耗小。标准igbt有电压开关限制，需要串联连接用于中压驱动。一种更新的高压装置，HV-IGBT，将工作电压扩展到中压驱动器所需的电压。这减少了对标准设备的连接需求。参见Online Extra at
IGCT集成栅极整流晶闸管将igbt的高开关频率和低开关损耗与gto的高电压处理能力和低导通损耗结合在一起。集成二极管和栅极单元降低了零件数量，从而提高了可靠性。
SGCT(对称栅整流晶闸管)是GTO器件的改进版本，类似于IGCT。sgct阻断两个方向的电压，同时只允许单向电流流动。然而，sgct不像igct那样需要串联二极管或反并联二极管。据说这将导致尽可能少的组件计数。目前，igct和sgct的供应商比igbt少。
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