4MW大功率高压电流型绕线电机调速节能系统研究与应用

摘要

风机与泵类器械是我国应用范围最广泛的生产设备，其用电量约占全国总发电量的40％。但存在耗电量大、运行效率低等弊端，造成了能源的极大浪费。且目前我国电机节能调速系统大都局限于几十千瓦数量级，在兆瓦级大功率转子节能调速方面的研究仍十分缺乏。因此对于大功率高压风机与泵类节能调速系统的研究是当前领域的技术热点之一，同时具有十分重大的国民经济意义。
　　本文针对兆瓦级风机与泵类转子节能调速系统的重大工程需求，研制了一种4MW-10KV高压大功率电流型转子斩波调速系统。(1)在理论方面，以4MW电流型转子调速系统为研究对象，建立了多路并联斩波回路的分组交错并联小信号模型，提出了大功率下调速系统功率元件功率损耗的计算公式，建立了水冷散热系统等效热路模型。(2)在系统卖现方面，提出了4MW调速系统硬件与机械模块化方案，突破了水冷系统在高压设备散热中的应用，并最终将系统设计应用于工业现场，节能效果良好，解决了4MW转子斩波调速系统难设计的问题，具有实际工程意义。经查证，该系统应是我国4MW等级转子调速系统突破成功的最早案例，同时也是首次在工程上将水冷散热应用在高压设备中。
　　本文的主要研究内容与成果如下:
　　(1)针对4MW转子斩波调速系统中多路并联斩波回路的建模问题，建立了基于SSA算法的多路并联斩波回路的通用小信号模型，解决了多路并联斩波回路在同步驱动模式与交错驱动模式下的建模问题，为4MW调速系统斩波回路元件参数的计算设计提供了理论依据。
　　(2)针对并联斩波同步驱动模式与交错驱动模式在大功率下不能同时兼顾系统安全与性能的问题，提出了分组交错并联的驱动模式，解决了同步并联模式下电流纹波过大的问题及交错并联模式下功率元件的过流问题，降低了系统的设计容量，提高了斩波回路的功率因数。
　　(3)针对兆瓦级大功率下斩波回路水冷散热系统的设计问题，提出了一种IGBT功率模块功率损耗的计算方法，建立了基于等温法的斩波回路水冷散热系统等效热路模型，提出了水冷散热系统一次换热过程与二次换热过程的等效热阻计算公式，解决了水冷散热系统参数设计的问题，为大功率水冷散热系统的设计提供了理论依据。
　　(4)针对水冷散热系统中并联斩波回路功率元件之间的均匀散热问题，分析了散热冷板的温度分布情况，提出了IGBT散热冷板并行水路结构设计方法，解决了大功率下功率模块均匀散热系统难设计的问题，通过仿真与实验结果，证明了该设计满足4MW调速系统对均匀散热的要求。
　　(5)在系统硬件电路实现方面，设计了系统高低压光耦隔离电路，IGBT光纤驱动信号分配电路，IGBT状态信号检测电路，SCR配相、驱动与保护电路，IGBT的驱动与保护电路等模块，解决了系统控制的硬件实现问题，为大功率转子调速系统的工程应用提供了硬件条件。
　　(6)在斩波回路机械结构集成化设计方面，设计了斩波回路强电/弱电/水冷散热系统一体化集成模块，降低了斩波回路中的杂散电感，提出了完整的高低压隔离、水电隔离方案，解决了大功率多路并联斩波回路叠层铜排结构难设计的问题，突破了水冷散热方式在高压大功率转子调速系统中难以应用的问题。
　　(7)在整流/逆变回路机械结构模块化方面，提出了SCR/DIODE驱动/检测/保护/散热器模块化集成设计，优化了整流/逆变风道设计，解决了整流器/逆变器的散热与保护问题，提高了系统整体的稳定性。
　　(8)目前本4MW高压大功率电流型转子斩波调速节能系统已于2014年3月在河南巩义永安水泥厂4MW风机调速工业现场调试成功，经过12个月的运行，系统应用效果良好。并取得了每台每年超过一百万元的经济效益。具有实际工程意义。

目录

摘要

符号表

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．1．1 大功率电机调速技术综述

1．1．2 高压大功率电机转子调速节能系统的研究意义

1．2 转子斩波调速节能技术研究现状及问题分析

1．2．1 转子斩波调速技术

1．2．2 转子斩波调速系统国内外研究现状

1．2．3 兆瓦级大功率斩波调速节能系统尚存问题分析

1．3 本文的内容安排及主要贡献

1．3．1 论文内容安排

1．3．2 主要贡献

第二章 转子斩波调速系统方案设计

2．1 引言

2．2 转子斩波调速系统方案论证

2．3 本章小结

第三章 基于SSA算法的交错并联斩波回路建模

3．1 引言

3．1．1 状态空间平均法概述

3．1．2 4MW斩波回路的并联均流问题分析

3．2 同步驱动多路并联斩波回路建模

3．3 交错驱动多路并联斩波回路建模

3．3．1 双路交错并联斩波回路建模

3．3．2 三路交错并联斩波回路建模

3．3．3 多路交错并联斩波回路建模

3．4 考虑IGBT／FWD的多路并联斩波回路SSA建模

3．4．1 分组交错并联模式分析

3．4．2 基于SSA模型的斩波回路参数计算

3．4．3 IGBT／FWD在斩波回路中的影响分析

3．5 本章小结

第四章 4MW调速系统的功率损耗及水冷散热系统设计

4．1 引言

4．2 斩波回路功率模块的功率损耗分析与计算

4．2．1 IGBT功率模块的损耗分析

4．2．2 IGBT功率模块损耗的计算方法

4．3 斩波回路功率模块的水冷散热系统设计

4．3．1 水冷散热方式的选取

4．3．2 水冷散热系统的方案设计

4．3．3 水冷散热系统等效热路的建立与分析

4．3．4 水冷散热系统水冷板并行水路结构设计

4．3．5 水冷散热系统设计参数的计算

4．4 斩波回路水冷散热系统实验结果及分析

4．4．1 实验结果

4．4．2 实验结果分析

4．5 本章小结

第五章 4MW大功率高压电流型绕线电机调速节能系统实现

5．1 引言

5．2 系统控制回路硬件电路设计

5．2．1 IGBT驱动器

5．2．2 多路并联斩波回路的驱动信号分配模块

5．3 系统机械结构集成化设计

5．3．1 斩波回路强电／弱电／水冷散热系统设计

5．3．2 SCR／DIODE驱动保护结构集成设计

5．4 冗余水阻调速系统设计

5．5 本章小结

第六章 4MW大功率高压电流型绕线电机调速节能系统的工程应用

6．1 系统工业现场调试

6．2 斩波IGBT过热故障因素分析

6．3 调试波形及数据分析

6．4 本章小结

总结

参考文献

攻读学位期间发表的论文

声明

致谢

附录