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高壓變頻器在濟鋼大功率風(fēng)機、泵中的應(yīng)用研究
眾所周知，高壓電動機的應(yīng)用極為廣泛，它是工礦企業(yè)中的主要動力。在冶金、鋼鐵、石油、化工、水處理等各行業(yè)的大、中型廠礦中，廣泛用于拖動風(fēng)機、泵類、壓縮機及各種其他大型機械。其消耗的能源占電機總能耗的70%以上，而且絕大部分都有調(diào)速的要求，但目前的調(diào)速和起動方法仍很落后，浪費了大量的能源且造成機械壽命的降低。隨著電氣傳動技術(shù)，尤其是變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，作為大容量傳動的高壓變頻調(diào)速技術(shù)也得到了廣泛的應(yīng)用。順便指出，目前習(xí)慣稱作的高壓變頻器，實際上電壓一般為2.3-10kV，國內(nèi)主要為3kV，6kV和10kV，和電網(wǎng)電壓相比，只能算作中壓，故國外常成為MediumVoltageDrive。
濟鋼高壓風(fēng)機水泵調(diào)速系統(tǒng)
我國高壓電動機多為6kV和10kV，在濟鋼老廠區(qū)進線電源為6kV，高壓電機調(diào)速大多為直接啟動和液力偶合器調(diào)速；新建廠區(qū)進線電源電壓為10kV，在高壓風(fēng)機調(diào)速系統(tǒng)中，采用液力耦合器調(diào)速方式。直接起動或降壓起動非但起動電流大，造成電網(wǎng)電壓降低，影響其它電氣設(shè)備的正常工作;而且主軸的機械沖擊大，易造成疲勞斷裂，影響機械壽命。當(dāng)電網(wǎng)容量不夠大時，甚至有可能起動失敗。液力耦合器在電機軸和負載軸之間加入葉輪，調(diào)節(jié)葉輪之間液體（一般為油）的壓力，達到調(diào)節(jié)負載轉(zhuǎn)速的目的。這種調(diào)速方法實質(zhì)上是轉(zhuǎn)差功率消耗型的做法，節(jié)能效果并不是很好，而且隨著轉(zhuǎn)速下降效率越來越低、需要斷開電機與負載進行安裝、維護工作量大，過一段時間就需要對軸封、軸承等部件進行更換，現(xiàn)場一般較臟，顯得設(shè)備檔次低，屬淘汰技術(shù)。
一般說來，使用高壓（中壓）變頻調(diào)速系統(tǒng)對于風(fēng)機、水泵類負載有兩個重要特點：第一，由于消除了閥門（或擋板）的能量損失并使風(fēng)機、水泵的工作點接近其峰值效率線，其總的效率比液力耦合器提高25%～50%；第二，高壓（中壓）變頻調(diào)速起動性能好，使用高壓變頻器，就可實現(xiàn)“軟”起動。變頻裝置的特性保證了起動和加速時具有足夠轉(zhuǎn)矩，且消除了起動對電機的沖擊，保證電網(wǎng)穩(wěn)定，提高了電機和機械的使用壽命。
現(xiàn)以濟鋼三煉鋼為例，來分析高壓（中壓）變頻器在實際生產(chǎn)中的節(jié)能效果。在濟鋼三煉鋼廠共使用了10臺高壓除塵電機，裝機容量合計23.1MW，占三煉鋼總裝機容量的40%。而從現(xiàn)場實際監(jiān)測到的工作電流其比重更高，電流值見表1，風(fēng)機類負載要占總?cè)萘康?0%。而高壓變頻器比液力耦合器效率可以提高25%～50%，按每月風(fēng)機節(jié)能20%計算，每月總電量可以降低8%，三煉鋼每月電費1000萬元，這樣每年可以降低成本近80多萬元，從上述粗略計算來看，高壓（中壓）變頻調(diào)速在濟鋼高壓風(fēng)機、水泵的應(yīng)用，前景廣泛，節(jié)能效果巨大。
高壓變頻器應(yīng)用現(xiàn)狀
雖然由于電壓高、功率大、技術(shù)復(fù)雜等因素，高壓變頻器的產(chǎn)業(yè)化在80年代中期才開始形成，但隨著大功率電力電子器件的迅速發(fā)展和巨大市場的推動力，高壓變頻器近十多年的發(fā)展非常迅速，使用器件已經(jīng)從SCR、GTO、GTR發(fā)展到IGBT、IGCT、IGET和SGCT，功率范圍從幾百千瓦到幾十兆瓦。技術(shù)上已經(jīng)成熟，可靠性得到保障，使用面越來越廣。高壓變頻器可與標(biāo)準(zhǔn)的中、大功率交流異步電動機或同步電動機配套，組成交流變頻調(diào)速系統(tǒng)，用來驅(qū)動風(fēng)機、水泵、壓縮機和各種機械傳動裝置，達到節(jié)能、高效、提高產(chǎn)品質(zhì)量的目的。
近年來，各種高壓變頻器不斷出現(xiàn)，高壓變頻器到目前為止還沒有像低壓變頻器那樣近乎統(tǒng)一的拓撲結(jié)構(gòu)。根據(jù)高壓組成方式可分為直接高壓型和高—低—高型，根據(jù)有無中間直流環(huán)節(jié)來分，可以分為交—交變頻器和交—直—交變頻器，在交—直—交變頻器中，按中間直流濾波環(huán)節(jié)的不同，可分電壓源型和電流源型。下面將對目前使用較為廣泛的幾種高壓變頻器進行分析，指出各自的優(yōu)缺點。
1高—低—高型變頻器
變頻器為低壓變頻器，采用輸入降壓變壓器和輸出升壓變壓器實現(xiàn)與高壓電網(wǎng)和電機的接口，這是當(dāng)時高壓變頻技術(shù)未成熟時的一種過渡技術(shù)。由于低壓變頻器電壓低，電流卻不可能無限制的上升，限制了這種變頻器的容量。由于輸出變壓器的存在，使系統(tǒng)的效率降低，占地面積增大；另外，輸出變壓器在低頻時磁耦合能力減弱，使變頻器在啟動時帶載能力減弱。對電網(wǎng)的諧波大，如果采用12脈沖整流可以減少諧波，但是滿足不了對諧波的嚴格要求；輸出變壓器在升壓的同時，對變頻器產(chǎn)生dv/dt也同等放大，必須加裝濾波器才能適用于普通電機，否則會產(chǎn)生電暈放電、絕緣損壞的情況。西門子公司早期生產(chǎn)這種結(jié)構(gòu)的變頻器，目前已停止生產(chǎn)，僅提供備件。
2電流源型高壓變頻器
輸入側(cè)采用可控硅進行整流，采用電感儲能，逆變側(cè)用SGCT作為開關(guān)元件，為傳統(tǒng)的兩電平結(jié)構(gòu)。由于器件的耐壓水平有限，必須采用多個器件串聯(lián)。器件串聯(lián)是一種非常復(fù)雜的工程應(yīng)用技術(shù)，理論上說可靠性很低，但有的公司可以做到產(chǎn)品化的地步。由于輸出側(cè)只有兩個電平，電機承受的dv/dt較大，必須采用輸出濾波器。電網(wǎng)側(cè)的多脈沖整流器為可選件，用戶需要針對自己的工廠情況提出要求。這種變頻器的主要優(yōu)點是不需要外加電路就可以將負載的慣性能量回饋到電網(wǎng)。電流源型變頻器的主要缺點是電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)低，諧波大，而且隨著工況的變化而變化，不好補償。電流源型高壓變頻器代表廠商是AB公司。
3電壓源型三電平變頻器
變頻器采用二極管整流，電容儲能，IGBT或IGCT逆變。三電平的逆變形式，采用二極管箝位的方式，解決了兩個器件串聯(lián)的難題，技術(shù)上比兩個器件簡單直接串聯(lián)容易，同時，增加了一個輸出電平，使輸出波形比兩電平好。這種變頻器的主要問題是：由于采用高壓器件，輸出側(cè)的du/dt仍舊比較嚴重，需要采用輸出濾波器。由于受到器件耐壓水平的限制，最高電壓只能做到4160V，要適應(yīng)6kV和10kV電網(wǎng)的需要，更換電機是一種做法，但是造成故障時向電網(wǎng)旁路較麻煩。對于6kV電機有一種變通做法，就是將電機由星型接法改為角型接法，這樣電機的電壓就變?yōu)?kV；這種做法使電機的環(huán)流損耗上升，國內(nèi)已經(jīng)有燒毀電機的事例，有可能與此有關(guān)。三電平變頻器一般采用12脈沖整流方式。電壓源型三電平變頻器代表廠商ABB、西門子公司等。
4功率模塊串聯(lián)多電平變頻器
變頻器采用低壓變頻器串聯(lián)的方式實現(xiàn)高壓輸出，是電壓源型變頻器。它的輸入側(cè)采用移相降壓型變壓器，實現(xiàn)18脈沖以上的整流方式，滿足國際上對電網(wǎng)諧波的最嚴格的要求。在帶負載時，電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)可達到95%以上。在輸出側(cè)采用多級PWM技術(shù)，dv/dt小，諧波少，滿足普通異步電機的需要。
可根據(jù)負載的需要設(shè)計變頻器的輸出電壓，是解決6kV、10kV電機調(diào)速的較好辦法。功率電路采用標(biāo)準(zhǔn)模塊化設(shè)計，更換簡單，所用器件在國內(nèi)采購也比較容易。這種變頻器采用低壓IGBT作為逆變元件，與采用高壓IGBT的三電平變頻器相比，功率元件數(shù)目較多，但技術(shù)上較成熟。與采用高壓IGCT的三電平變頻器相比，功率元件數(shù)目較多，但總元件數(shù)目卻較少，因為IGCT需要非常復(fù)雜的輔助關(guān)斷電路。由于整流變壓器與功率模塊的連線較多，因此變壓器不能與變頻器分開放置，在空間有限的場合不是很靈活。功率模塊串聯(lián)多電平變頻器代表廠商西門子羅賓康公司、利德華福公司等。
5高壓變頻器應(yīng)用綜述
電流源型變頻器技術(shù)成熟，且可四象限運行，但由于在高壓時器件串聯(lián)的均壓問題，輸入諧波對電網(wǎng)的影響和輸出諧波對電機的影響等問題，使其應(yīng)用受到限制。而且變頻器的性能與電機的參數(shù)有關(guān)，通用性差，電流的諧波成分大，污染和損耗較大，且共模電壓高，對電機的絕緣有影響。AB公司PowerFlex7000系列采用耐壓值為6.5kV的SGCT管，最高電壓也僅做到6.6kV。
電壓源型變頻器由于采用高壓器件，輸出側(cè)的dv/dt比較嚴重，需要采用輸出濾波器。由于受到器件耐壓水平的限制，最高電壓只能做到4160V。
單元串聯(lián)多電平PWM電壓源型變頻器具有對電網(wǎng)諧波污染小、輸入功率因數(shù)高、不必采用輸入諧波濾波器和功率因數(shù)補償裝置。輸出波形好，不存在由諧波引起的電動機附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動、噪聲、輸出dv/dt、共模電壓等問題，可以使用普通的異步電動機。單元串聯(lián)多電平變頻器的輸出電壓可以達到10kV，甚至更高。
比較以上三種類型高壓變頻器，由于單元串聯(lián)式多電平變頻器的輸入、輸出波形好，對電網(wǎng)的諧波污染小，輸出適用普通電動機，近幾年來發(fā)展迅速，逐漸成為高壓變頻調(diào)速的主流方案。我國高壓電動機多為6kV和10kV等級，目前三電平變頻器受到器件耐壓的限制，尚難以實現(xiàn)這個等級的直接高壓輸出，而單元串聯(lián)式多電平變頻器的輸出電壓能夠達到10kV甚至更高，所以在我國得到廣泛應(yīng)用，尤其在風(fēng)機水泵等節(jié)能領(lǐng)域，幾乎形成壟斷的態(tài)勢。在濟鋼所使用的高壓電機均為電壓等級為10kV和6kV的普通籠型異步電動機，單元串聯(lián)多電平電壓源型變頻器是最合適的選擇。
單元串聯(lián)多電平變頻器原理、技術(shù)優(yōu)點及廠家技術(shù)特點
1單元串聯(lián)多電平變頻器原理
（1）單元串聯(lián)多電平變頻器采用若干個獨立的低壓功率單元串聯(lián)的方式來實現(xiàn)高壓輸出
�。�2）電網(wǎng)電壓經(jīng)二次側(cè)多重化的隔離變壓器降壓后給功率單元供電，功率單元為三相輸入，單相輸出的交—直—交PWM電壓源型逆變器。
原理綜述，將相鄰功率單元的輸出端串接起來，形成Y聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)變壓變頻的高壓直接輸出，供給高壓電動機。每個功率單元分別由輸入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之間相互絕緣。對于額定輸出電壓為6kV的變頻器，每相由5個額定電壓為690V的功率單元串聯(lián)而成，輸出相電壓最高可達3450V，線電壓可達6kV左右。
每個功率單元承受全部的輸出電流，但只提供1/5的相電壓和1/l5的輸出功率，所以，單元的電壓等級和串聯(lián)數(shù)量決定變頻器輸出電壓，單元的額定電流決定變頻器輸出電流。由于采用整個功率單元串聯(lián)，所以不存在器件串聯(lián)引起的均壓問題。
2單元串聯(lián)多電平變頻器技術(shù)優(yōu)點
自西門子羅賓康公司1994年推出第一臺變頻器以來，經(jīng)過十多年的不斷發(fā)展，單元串聯(lián)多電平變頻器逐漸形成以下幾項比較完備的技術(shù)。
�。�1）輸入變壓器多重化設(shè)計
輸入變壓器實行多重化設(shè)計，達到降低諧波電流的目的。輸入功率因數(shù)高，不必采用輸入諧波濾波器和功率因數(shù)補償裝置。以6kV變頻器為例，變壓器的15個二次繞組，采用延邊三角形聯(lián)結(jié)，分為5個不同的相位組。互差12°，形成30脈波二極管整流電路結(jié)構(gòu)，所以理論上29次以下的諧波都可以消除，輸入電流波形接近正弦波�？偟闹C波電流失真可低于1%。
（2）逆變器輸出多電平移相式PWM技術(shù)
在PWM調(diào)制時，采取移相式PWM，即同一相每個單元的調(diào)制信號相同，而載波信號互差一個電角度且正反成對。這樣每個單元的輸出是同樣形態(tài)的PWM波，但彼此相差一個角度。疊加以后輸出電壓的等效開關(guān)頻率大大增加。改變參考波的幅值和頻率，即可實現(xiàn)變壓變頻的高壓輸出。實際上，為了提高電源利用率，參考波并非嚴格的正弦波，而是注入了一定的三次諧波，形成“馬鞍型”的波形。
（3）功率單元旁路技術(shù)
在每個功率單元輸出端T1、T2并聯(lián)一個雙向晶閘管（或反并聯(lián)兩個SCR）。當(dāng)功率單元發(fā)生故障，封鎖該單元，然后讓SCR導(dǎo)通，形成旁路。旁路后，電路仍可繼續(xù)工作，只是輸出電壓略有下降。如果負載十分重要，可以進行冗余設(shè)計，安裝備用功率單元。功率單元旁路技術(shù)大大提高了單元串聯(lián)多電平變頻器的可靠性，在很大程度上彌補了元氣件個數(shù)多導(dǎo)致可靠性降低的問題。
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作者:德耐爾@德耐爾空壓機 空壓機修訂日期：2011-06-29
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