高壓變頻裝置的分析和推廣應(yīng)用

【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】高壓變頻裝置的分析和推廣應(yīng)用1.前言

目前，全世界正在為能源緊缺而困擾，我國(guó)的能源形勢(shì)尤其嚴(yán)峻，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源成為制約經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的瓶頸，節(jié)能降耗也就成為國(guó)家和企業(yè)嚴(yán)重關(guān)切的問(wèn)題。在企業(yè)電力系統(tǒng)中，電機(jī)傳動(dòng)約消耗70%電力，改變電機(jī)拖動(dòng)方式無(wú)疑是潛力的節(jié)電措施。高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)以高可靠性、易操作、高性能為設(shè)計(jì)目的，通過(guò)對(duì)拖動(dòng)風(fēng)機(jī)、水泵、空氣壓縮機(jī)等高壓大功率電機(jī)變頻調(diào)速的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能，具有效率高、精度高、調(diào)速范圍寬、軟啟動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，不僅具有顯著的節(jié)能效果和調(diào)速性能，而且可以改善工廠的工藝和自動(dòng)化水平，已引起各部門(mén)和各企業(yè)的高度關(guān)注。變頻調(diào)速技術(shù)的基本原理是根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比的關(guān)系：n=60f（1-s）／p，（式中n、f、s、p分別表示轉(zhuǎn)速、輸入頻率、電機(jī)轉(zhuǎn)差率、電機(jī)磁極對(duì)數(shù)）；通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)工作電源頻率到達(dá)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。隨著功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展，交流電動(dòng)機(jī)的速度控制發(fā)生了深刻的變化。以各種功率半導(dǎo)體器件構(gòu)成的變頻器已發(fā)展了好幾代，并廣泛應(yīng)用于1kV以下低壓電動(dòng)機(jī)，而高壓變頻技術(shù)近十年內(nèi)一直未得到滿意的應(yīng)用。

2.高壓變頻節(jié)能原理

企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，流量（風(fēng)量）調(diào)節(jié)一般由風(fēng)門(mén)調(diào)節(jié)、液力耦合器調(diào)節(jié)和變頻調(diào)節(jié)三種方式。液力耦合器有5-8%的速度損失，且存在速度控制不穩(wěn)定、功率因數(shù)低、調(diào)速精度差、維護(hù)量大、二次成本高等缺陷，而變頻調(diào)速優(yōu)勢(shì)明顯。針對(duì)風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)等負(fù)載，變頻調(diào)節(jié)其流量和功率可用下式表示：

Q1和Q2—流量（風(fēng)量），p1和p2—所需功率，n1—額定轉(zhuǎn)速，n2—實(shí)際轉(zhuǎn)速，E—理論節(jié)電量，P—額定轉(zhuǎn)速時(shí)電機(jī)功率，T—工作時(shí)間

可見(jiàn)，輸出流量Q與轉(zhuǎn)速n成正比，而輸出軸功率P與n3成正比。當(dāng)風(fēng)機(jī)風(fēng)量需要改變時(shí)，如調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)的開(kāi)度，則會(huì)使大量電能白白消耗在閥門(mén)及管路系統(tǒng)阻力上，而采用變頻調(diào)速調(diào)節(jié)流量，可使軸功率隨流量的減少大幅度下降。

3.進(jìn)口高壓變頻裝置的技術(shù)特點(diǎn)

因3kV、6kV、10kV電壓均屬中壓范圍，國(guó)際上通稱該電壓等級(jí)的變頻器為中壓變頻器，但在國(guó)內(nèi)該電壓等級(jí)的電機(jī)習(xí)慣上稱為高壓電機(jī)，與之相配的變頻器也就叫高壓變頻器。變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，高壓大功率變頻調(diào)速裝置不斷地成熟起來(lái)，原來(lái)一直難于解決的高壓?jiǎn)栴}，近年來(lái)通過(guò)器件串聯(lián)或單元串聯(lián)得到了很好的解決。高壓變頻器的種類(lèi)繁多，其分類(lèi)方法也多種多樣。按著中間環(huán)節(jié)有無(wú)直流部分，可分為交交變頻器和交直交變頻器；按著直流部分的性質(zhì)，可分為電流型和電壓型變頻器；按著有無(wú)中間低壓回路，可分為高高變頻器和高低高變頻器；按著輸出電平數(shù)，可分為兩電平、三電平、五電平及多電平變頻器；按著電壓等級(jí)和用途，可分為通用變頻器和高壓變頻器；按著嵌位方式，可分為二極管嵌位型和電容嵌位型變頻器等等。

以ABB公司開(kāi)發(fā)的ACS5000變頻器為例，其采用多電平無(wú)熔斷器電壓源型逆變器（VSI-MF）拓?fù)錁?gòu)造，適用于驅(qū)動(dòng)6.0～6.9KV的電機(jī)。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)今的高壓變頻器產(chǎn)品基于以下兩種基本的逆變器拓?fù)錁?gòu)造：一種為電壓源型逆變器（VSI），其使用直流回路電容器并提供開(kāi)關(guān)電壓波形；另一種為電流源型逆變器（CSI），逆變器，必須是一種逆變裝置組成的東西才能那么叫，他和變壓器有直接區(qū)別，也就是說(shuō)，他可以實(shí)現(xiàn)直流輸入，然后輸出交流，工作原理和開(kāi)關(guān)電源一樣，但震蕩頻率在一定范圍內(nèi)，比方如果這個(gè)頻率為50HZ，輸出則為交流50HZ。逆變器是可以改變其頻率的設(shè)備。其使用直流回路電抗器并提供開(kāi)關(guān)電流波形。VSI已成為市場(chǎng)上的拓?fù)錁?gòu)造。其主要優(yōu)勢(shì)為：

3.1無(wú)需外加輸入或輸出濾波器。濾波器，是一種用來(lái)消除干擾雜訊的器件，將輸入或輸出經(jīng)過(guò)過(guò)濾而得到純凈的直流電。對(duì)特定頻率的頻點(diǎn)或該頻點(diǎn)以外的頻率開(kāi)展有效濾除的電路，就是濾波器，其功能就是得到一個(gè)特定頻率或消除一個(gè)特定頻率。濾波器是由電感器和電容器構(gòu)成的網(wǎng)路，可使混合的交直流電流分開(kāi)。電源整流器中，即借助此網(wǎng)路濾凈脈動(dòng)直流中的漣波，而獲得比較純凈的直流輸出?；镜臑V波器，是由一個(gè)電容器和一個(gè)電感器構(gòu)成，稱為L(zhǎng)型濾波。VSI通過(guò)簡(jiǎn)單的二極管提供了非?？煽?、效率很高的整流器拓?fù)錁?gòu)造，二極管橋具有高功率因數(shù)，而CSI拓?fù)錁?gòu)造使用晶閘管整流器或帶有自換流部件的有源整流器單元，晶閘管整流器在電源端的功率因數(shù)很差，一般都需求額外的補(bǔ)償設(shè)備。

3.2采用IGCT和DTC相結(jié)合技術(shù)。IGCT導(dǎo)體是一種低損耗的快速功率開(kāi)關(guān)，綜合了IGBT/IEGT傳統(tǒng)半導(dǎo)體技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，與使用IGBT的中壓變頻器相比，復(fù)雜程度降低，元件數(shù)量少、變頻器更加高效可靠。DTC帶來(lái)了的轉(zhuǎn)矩與速度控制性能以及的損耗，在中壓變頻器中首屈一指。IGCT集成門(mén)極換流晶閘管（IntergratedGateCommutatedThyristors）是一種中壓變頻器開(kāi)發(fā)的用于巨型電力電子成套裝置中的新型電力半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件（集成門(mén)極換流晶閘管=門(mén)極換流晶閘管+門(mén)極單元）。

3.3逆變器的采用電子模塊（PEBB）。使用單個(gè)多功率設(shè)備取代復(fù)雜的功率電子電路，實(shí)現(xiàn)了部件數(shù)量降低且緊湊的機(jī)械安排。在相同功率等級(jí)下，與其它可用的解決方案相比，整個(gè)系統(tǒng)的體積減少了50%。PEBB是在IPEM的根底上發(fā)展起來(lái)的可處理電能集成的器件或模塊。PEBB并不是一種特定的半導(dǎo)體器件，它是依照的電路構(gòu)造和系統(tǒng)構(gòu)造設(shè)計(jì)的不同器件和技術(shù)的集成。雖然它看起來(lái)很像功率半導(dǎo)體模塊，但PEBB除了包括功率半導(dǎo)體器件外，還包括門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路、電平轉(zhuǎn)換、傳感器、保護(hù)電路、電源和無(wú)源器件。PEBB有能量接口和通訊接口。通過(guò)這兩種接口，幾個(gè)PEBB可以組成電力電子系統(tǒng)，這些系統(tǒng)可以像小型的DC-DC轉(zhuǎn)換器一樣簡(jiǎn)單，也可以像大型的分布式電力系統(tǒng)那樣復(fù)雜。一個(gè)系統(tǒng)中PEBB的數(shù)量可以從一個(gè)到任何多個(gè)。多個(gè)PEBB模塊一起工作可以完成電壓轉(zhuǎn)換、能量的儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)換、陰抗匹配等系統(tǒng)級(jí)功能。PEBB重要的特點(diǎn)就是其通用性。

4.國(guó)產(chǎn)高壓變頻裝置的發(fā)展現(xiàn)狀和技術(shù)特點(diǎn)

近年來(lái)，國(guó)產(chǎn)高壓變頻器取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，以利德華福、***日立、智光電氣為代表的企業(yè)，生產(chǎn)的高壓變頻器可靠性高、性能優(yōu)越、操作簡(jiǎn)便，受到廣闊用戶的信賴。目前，以矢量控制技術(shù)代表高壓變頻器端技術(shù)，大大提高了變頻器的控制性能。矢量控制在國(guó)外多稱為磁場(chǎng)定向控制，其思想是，以電機(jī)磁場(chǎng)為坐標(biāo)軸基準(zhǔn)方向，通過(guò)坐標(biāo)變換的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和磁通的解耦控制。國(guó)產(chǎn)高壓變頻器的電壓等級(jí)為3KV、6KV和10KV，功率可達(dá)7500KW，國(guó)外產(chǎn)品也很少有類(lèi)似大功率的業(yè)績(jī)，尤其在2000KW以上國(guó)產(chǎn)品牌與跨國(guó)公司展開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)是有優(yōu)勢(shì)的。

4.1主流高壓變頻裝置的基本原理

國(guó)產(chǎn)高壓變頻器采用交-直-交直接高壓（高-高）方式，主電路開(kāi)關(guān)元件為IGBT。由于IGBT耐壓所限，無(wú)法直接逆變輸出6kV、10kV，又因開(kāi)關(guān)頻率高、均壓難度大等技術(shù)難題無(wú)法完成直接串聯(lián)。因此，國(guó)產(chǎn)高壓變頻器采用功率單元串聯(lián)疊波技術(shù)、空間矢量控制的正弦波PWM調(diào)制方法。如圖1所示。

圖1高壓變頻器6KV系列主電路圖

隔離變壓器（主變壓器）采用干式構(gòu)造，強(qiáng)迫風(fēng)冷。隔離變壓器屬于安全電源，一般用來(lái)機(jī)器維修保養(yǎng)用起保護(hù)、防雷、濾波作用。隔離變壓器是一種1/1的變壓器。初級(jí)單相220V，次級(jí)也是單相220V?；虺跫?jí)三相380V，次級(jí)也是三相380V。首先通常我們用的交流電源電壓一根線和大地相連，另一根線與大地之間有220V的電位差。人接觸會(huì)產(chǎn)生觸電。而隔離變壓器的次級(jí)不與大地相連，它的任意兩線與大地之間沒(méi)有電位差。人接觸任意一條線都不會(huì)發(fā)生觸電，這樣就比較安全。其次還有隔離變壓器的輸出端跟輸入端是完全“斷路”隔離的，這樣就有效的對(duì)變壓器的輸入端（電網(wǎng)供應(yīng)的電源電壓）起到了一個(gè)良好的過(guò)濾的作用。從而給用電設(shè)備提供了純凈的電源電壓。

由于為功率單元提供電源的變壓器副邊繞組間有一定的相位差，從而消除了大部分由單個(gè)功率單元所引起的諧波電流，所以變頻器輸入電流的總諧波含量（THD）遠(yuǎn)小于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)5%的要求，并且能保持接近1的輸入功率因數(shù)。

變頻器輸出是將多個(gè)三相輸入、單相輸出的低壓功率單元的輸出串聯(lián)疊波得到。如額定輸出690VAC功率單元五個(gè)串聯(lián)時(shí)產(chǎn)生3450V相電壓，三相輸出Y接，中性點(diǎn)懸浮，得到驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需的可變頻三相高壓電源。如圖2所示。

圖26kV電壓疊加圖

國(guó)產(chǎn)變頻裝置一般由旁路柜、變頻器由變壓器柜、功率逆變及控制柜組成，旁路柜實(shí)現(xiàn)變頻檢修時(shí)電機(jī)直接投切至工頻電網(wǎng)，有自動(dòng)旁路和手動(dòng)旁路兩種模式。功率單元主要由三相橋式整流橋、濾波電容器、IGBT逆變橋構(gòu)成，同時(shí)還包括由功率器件驅(qū)動(dòng)、保護(hù)、信號(hào)采集、光纖通訊等功能組成的控制電路。通過(guò)控制IGBT的工作狀態(tài)，輸出PWM電壓波形。脈沖寬度調(diào)制是一種模擬控制方式，其根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來(lái)調(diào)制晶體管柵極或基極的偏置，來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源輸出晶體管或晶體管導(dǎo)通時(shí)間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時(shí)保持恒定，是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路開(kāi)展控制的一種非常有效的技術(shù)。PWM控制技術(shù)以其控制簡(jiǎn)單，靈活和動(dòng)態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點(diǎn)而成為電力電子技術(shù)廣泛應(yīng)用的控制方式，也是人們研究的熱點(diǎn)。

4.2國(guó)產(chǎn)高壓變頻器采用的技術(shù)和特點(diǎn)：

主回路一般采用SCP技術(shù)，實(shí)現(xiàn)抗輸出短路；

采用STT技術(shù)，STT，就是一套控制發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和停止的節(jié)油系統(tǒng)的技術(shù)，對(duì)雷電干擾造成裝置保護(hù)停機(jī)后，干擾消失裝置能夠自動(dòng)重啟；高壓掉電，故障恢復(fù)后能夠自動(dòng)重啟；

采用智能化控制，專(zhuān)用雙DSP控制技術(shù)，摒棄工控機(jī)系統(tǒng)數(shù)字信號(hào)處理（DigitalSignalProcessing，簡(jiǎn)稱DSP）是一門(mén)涉及許多學(xué)科而又廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域的新興學(xué)科。20世紀(jì)60年代以來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生并得到迅速的發(fā)展。數(shù)字信號(hào)處理是一種通過(guò)使用數(shù)學(xué)技巧執(zhí)行轉(zhuǎn)換或提取信息，來(lái)處理現(xiàn)實(shí)信號(hào)的方法，這些信號(hào)由數(shù)字序列表示。在過(guò)去的二十多年時(shí)間里，數(shù)字信號(hào)處理已經(jīng)在通信等領(lǐng)域得到極為廣泛的應(yīng)用。

安裝靈活，形式多樣，可戶外和戶內(nèi)安裝。

5.高壓變頻裝置運(yùn)行不可靠性分析

5.1內(nèi)部因素：

l高壓輸入、輸出回路可能發(fā)生的故障，如絕緣距離問(wèn)題，刀閘接觸電阻等；

l變壓器本體過(guò)熱以及各種原因?qū)е碌膿p壞；

l功率單元箱內(nèi)功率元器件失效、單元過(guò)熱；

l功率單元箱內(nèi)布線、連接、控制板出現(xiàn)故障；

l裝置內(nèi)二次配線、元器件的可靠性，如電壓/電流傳感器，電源保險(xiǎn)、繼電器回路、二次控制回路可靠等；

l裝置對(duì)偶發(fā)性故障（非破壞性故障）的容錯(cuò)能力；

l控制軟件的設(shè)計(jì)水平。

5.2外部因素：

l雷電過(guò)電壓、操作過(guò)電壓對(duì)變壓器繞組、功率半導(dǎo)體器件（電壓敏感性元件）造成破壞性故障或停機(jī)；

l雷電干擾導(dǎo)致裝置正常運(yùn)行過(guò)程中跳機(jī)；

l電網(wǎng)電壓波動(dòng)、閃變導(dǎo)致裝置功率單元直流母線過(guò)壓或欠壓，裝置告警或保護(hù)停機(jī)；

l變頻輸出高壓連接電纜本體、附件、電機(jī)定子出現(xiàn)故障導(dǎo)致裝置保護(hù)停機(jī)；

l運(yùn)行與維護(hù)不及時(shí)導(dǎo)致的溫升過(guò)高問(wèn)題，告警或保護(hù)停機(jī)；

l接地電阻過(guò)大或接地不良，導(dǎo)致干擾停機(jī)；

為解決上述問(wèn)題，對(duì)變頻器生產(chǎn)廠家提出了更高的要求，必須按標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，不斷提升制造水平，加強(qiáng)產(chǎn)品的出廠試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試保證工作，同時(shí)提升產(chǎn)品的軟件設(shè)計(jì)水平，充分考慮各種可能工況設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)措施。

6、選擇高壓變頻裝置時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題

6.1選擇高壓變頻裝置時(shí)，充分考慮變頻裝置的散熱，同時(shí)要求低溫時(shí)也能正常啟動(dòng)，一般運(yùn)行環(huán)境溫度為-15°C～45°C，濕度不超過(guò)95%。

6.2為保證變頻器具有良好的運(yùn)行環(huán)境，需專(zhuān)門(mén)為高壓變頻器配套冷卻系統(tǒng)。綜合冷卻系統(tǒng)的投資和運(yùn)營(yíng)成本、設(shè)備維護(hù)量、無(wú)故障運(yùn)行時(shí)間，空-水冷卻系統(tǒng)是一種利用高效、環(huán)保、節(jié)能的冷卻系統(tǒng)。

6.3選擇高壓變頻裝置時(shí)要明確負(fù)載特性：明確負(fù)載屬于單象線還是四象線運(yùn)行；明確電機(jī)升降速時(shí)間、轉(zhuǎn)矩，確定變頻器容量；明確電機(jī)、電網(wǎng)電壓等級(jí)和波動(dòng)范圍，確定變頻器進(jìn)出線電壓等級(jí)，變頻器隔離變壓器分接頭電壓參數(shù)等。

6.4變頻裝置具備Modbus、TCP/IP、PROFIBUS、DeviceNet等總線通訊接口，可開(kāi)展遠(yuǎn)程監(jiān)視、控制。

6.5在20-100%的帶載調(diào)速范圍內(nèi)，變頻系統(tǒng)的不加任何功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)那闆r下輸入端功率因數(shù)能到達(dá)0.95以上。

6.6變頻裝置輸出波形不會(huì)引起電機(jī)的諧振，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小于0.1%，變頻器可設(shè)置多個(gè)共振頻率段并自動(dòng)跳過(guò)共振點(diǎn)。

6.7能適應(yīng)頻繁升降速調(diào)速要求，可以針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工藝要求實(shí)現(xiàn)分段調(diào)節(jié)（PID調(diào)節(jié)+前饋調(diào)節(jié)），實(shí)現(xiàn)分段平滑調(diào)速。

6.8對(duì)通訊抗干擾提出特殊要求，在設(shè)計(jì)電路時(shí)嚴(yán)格實(shí)行強(qiáng)弱電不共地原則。變頻器柜內(nèi)強(qiáng)電信號(hào)和弱電信號(hào)分開(kāi)布置，以防止干擾。

6.9變頻裝置對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，在-35%～+15%電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)能滿載輸出。

6.10選擇高壓變頻裝置時(shí)，變壓器、風(fēng)機(jī)、IGBT等關(guān)鍵元器件一定要品牌，以保證設(shè)備的性能穩(wěn)定。

6.11選擇室外型高壓變頻器時(shí)防護(hù)等級(jí)為IP54以上。

6.12綜合考慮產(chǎn)品價(jià)格、備件供給、售后服務(wù)。

7.高壓變頻裝置的推廣應(yīng)用

高壓變頻裝置能否穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，攸關(guān)用戶的節(jié)能效果和各種生產(chǎn)過(guò)程能否正常高效地運(yùn)行。通過(guò)對(duì)高壓變頻用戶的綜合考察，近年來(lái)國(guó)產(chǎn)高壓變頻的業(yè)績(jī)不凡，由于其產(chǎn)品的性價(jià)比高、良好的售后服務(wù)和靈活的付款方式，受到用戶的一致好評(píng)。針對(duì)工況變化頻繁，流量和壓力需經(jīng)常變化的工藝，以及其他需要調(diào)速的工況開(kāi)展技術(shù)改造，是相當(dāng)必要的，克服大馬拉小車(chē)（閥門(mén)開(kāi)度較小的工況）現(xiàn)象，會(huì)起到明顯的節(jié)電效果。

高壓變頻裝置的適用范圍非常廣泛，在冶金、發(fā)電、石化、水泥、造紙、制藥、市政供水、污水處理等行業(yè)，各種引風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)、吸塵風(fēng)機(jī)、凝結(jié)泵、排污泵、鍋爐給水泵、循環(huán)水泵等需調(diào)速大功率的電機(jī)，根據(jù)工藝要求均可實(shí)現(xiàn)高壓變頻調(diào)節(jié)。

某鋼廠轉(zhuǎn)爐除塵風(fēng)機(jī)1600KW/10KV采用高壓變頻器，由于轉(zhuǎn)爐周期性間斷吹氧，為滿足節(jié)能和環(huán)保要求，風(fēng)機(jī)在整個(gè)煉鋼工作周期內(nèi)采用高壓變頻器開(kāi)展調(diào)速變速運(yùn)行，吹氧時(shí)高速運(yùn)行，不吹氧時(shí)低速運(yùn)行，節(jié)能35%以上，大大的降低了