4MW大功率高壓電流型繞線電機調速節(jié)能系統(tǒng)研究與應用.pdf

1、風機與泵類器械是我國應用范圍最廣泛的生產設備，其用電量約占全國總發(fā)電量的40％。但存在耗電量大、運行效率低等弊端，造成了能源的極大浪費。且目前我國電機節(jié)能調速系統(tǒng)大都局限于幾十千瓦數(shù)量級，在兆瓦級大功率轉子節(jié)能調速方面的研究仍十分缺乏。因此對于大功率高壓風機與泵類節(jié)能調速系統(tǒng)的研究是當前領域的技術熱點之一，同時具有十分重大的國民經濟意義。
　　本文針對兆瓦級風機與泵類轉子節(jié)能調速系統(tǒng)的重大工程需求，研制了一種4MW-10KV高壓大

2、功率電流型轉子斬波調速系統(tǒng)。(1)在理論方面，以4MW電流型轉子調速系統(tǒng)為研究對象，建立了多路并聯(lián)斬波回路的分組交錯并聯(lián)小信號模型，提出了大功率下調速系統(tǒng)功率元件功率損耗的計算公式，建立了水冷散熱系統(tǒng)等效熱路模型。(2)在系統(tǒng)賣現(xiàn)方面，提出了4MW調速系統(tǒng)硬件與機械模塊化方案，突破了水冷系統(tǒng)在高壓設備散熱中的應用，并最終將系統(tǒng)設計應用于工業(yè)現(xiàn)場，節(jié)能效果良好，解決了4MW轉子斬波調速系統(tǒng)難設計的問題，具有實際工程意義。經查證，該系統(tǒng)應是

3、我國4MW等級轉子調速系統(tǒng)突破成功的最早案例，同時也是首次在工程上將水冷散熱應用在高壓設備中。
　　本文的主要研究內容與成果如下:
　　(1)針對4MW轉子斬波調速系統(tǒng)中多路并聯(lián)斬波回路的建模問題，建立了基于SSA算法的多路并聯(lián)斬波回路的通用小信號模型，解決了多路并聯(lián)斬波回路在同步驅動模式與交錯驅動模式下的建模問題，為4MW調速系統(tǒng)斬波回路元件參數(shù)的計算設計提供了理論依據(jù)。
　　(2)針對并聯(lián)斬波同步驅動模式與交錯驅動

4、模式在大功率下不能同時兼顧系統(tǒng)安全與性能的問題，提出了分組交錯并聯(lián)的驅動模式，解決了同步并聯(lián)模式下電流紋波過大的問題及交錯并聯(lián)模式下功率元件的過流問題，降低了系統(tǒng)的設計容量，提高了斬波回路的功率因數(shù)。
　　(3)針對兆瓦級大功率下斬波回路水冷散熱系統(tǒng)的設計問題，提出了一種IGBT功率模塊功率損耗的計算方法，建立了基于等溫法的斬波回路水冷散熱系統(tǒng)等效熱路模型，提出了水冷散熱系統(tǒng)一次換熱過程與二次換熱過程的等效熱阻計算公式，解決了水冷

5、散熱系統(tǒng)參數(shù)設計的問題，為大功率水冷散熱系統(tǒng)的設計提供了理論依據(jù)。
　　(4)針對水冷散熱系統(tǒng)中并聯(lián)斬波回路功率元件之間的均勻散熱問題，分析了散熱冷板的溫度分布情況，提出了IGBT散熱冷板并行水路結構設計方法，解決了大功率下功率模塊均勻散熱系統(tǒng)難設計的問題，通過仿真與實驗結果，證明了該設計滿足4MW調速系統(tǒng)對均勻散熱的要求。
　　(5)在系統(tǒng)硬件電路實現(xiàn)方面，設計了系統(tǒng)高低壓光耦隔離電路，IGBT光纖驅動信號分配電路，IGB

6、T狀態(tài)信號檢測電路，SCR配相、驅動與保護電路，IGBT的驅動與保護電路等模塊，解決了系統(tǒng)控制的硬件實現(xiàn)問題，為大功率轉子調速系統(tǒng)的工程應用提供了硬件條件。
　　(6)在斬波回路機械結構集成化設計方面，設計了斬波回路強電/弱電/水冷散熱系統(tǒng)一體化集成模塊，降低了斬波回路中的雜散電感，提出了完整的高低壓隔離、水電隔離方案，解決了大功率多路并聯(lián)斬波回路疊層銅排結構難設計的問題，突破了水冷散熱方式在高壓大功率轉子調速系統(tǒng)中難以應用的問題

7、。
　　(7)在整流/逆變回路機械結構模塊化方面，提出了SCR/DIODE驅動/檢測/保護/散熱器模塊化集成設計，優(yōu)化了整流/逆變風道設計，解決了整流器/逆變器的散熱與保護問題，提高了系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性。
　　(8)目前本4MW高壓大功率電流型轉子斬波調速節(jié)能系統(tǒng)已于2014年3月在河南鞏義永安水泥廠4MW風機調速工業(yè)現(xiàn)場調試成功，經過12個月的運行，系統(tǒng)應用效果良好。并取得了每臺每年超過一百萬元的經濟效益。具有實際工程意義。