高壓變頻器在濟(jì)鋼大功率風(fēng)機(jī)、泵中的應(yīng)用研究

眾所周知，高壓電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用極為廣泛，它是工礦企業(yè)中的主要?jiǎng)恿?。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(dòng)風(fēng)機(jī)、泵類、壓縮機(jī)及各種其他大型機(jī)械。其消耗的能源占電機(jī)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(dòng)方法仍很落后，浪費(fèi)了大量的能源且造成機(jī)械壽命的降低。隨著電氣傳動(dòng)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(dòng)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(shí)際上電壓一般為2.3-10kV，國(guó)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(guó)外常成為MediumVoltageDrive。

　　濟(jì)鋼高壓風(fēng)機(jī)水泵調(diào)速系統(tǒng)

　　我國(guó)高壓電動(dòng)機(jī)多為6kV和10kV，在濟(jì)鋼老廠區(qū)進(jìn)線電源為6kV，高壓電機(jī)調(diào)速大多為直接啟動(dòng)和液力偶合器調(diào)速；新建廠區(qū)進(jìn)線電源電壓為10kV，在高壓風(fēng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，采用液力耦合器調(diào)速方式。直接起動(dòng)或降壓起動(dòng)非但起動(dòng)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(jī)械沖擊大，易造成疲勞斷裂，影響機(jī)械壽命。當(dāng)電網(wǎng)容量不夠大時(shí)，甚至有可能起動(dòng)失敗。液力耦合器在電機(jī)軸和負(fù)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(dá)到調(diào)節(jié)負(fù)載轉(zhuǎn)速的目的。這種調(diào)速方法實(shí)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(jī)與負(fù)載進(jìn)行安裝、維護(hù)工作量大，過一段時(shí)間就需要對(duì)軸封、軸承等部件進(jìn)行更換，現(xiàn)場(chǎng)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(duì)于風(fēng)機(jī)、水泵類負(fù)載有兩個(gè)重要特點(diǎn)：第一，由于消除了閥門（或擋板）的能量損失并使風(fēng)機(jī)、水泵的工作點(diǎn)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(dòng)性能好，使用高壓變頻器，就可實(shí)現(xiàn)“軟”起動(dòng)。變頻裝置的特性保證了起動(dòng)和加速時(shí)具有足夠轉(zhuǎn)矩，且消除了起動(dòng)對(duì)電機(jī)的沖擊，保證電網(wǎng)穩(wěn)定，提高了電機(jī)和機(jī)械的使用壽命。

　　現(xiàn)以濟(jì)鋼三煉鋼為例，來分析高壓（中壓）變頻器在實(shí)際生產(chǎn)中的節(jié)能效果。在濟(jì)鋼三煉鋼廠共使用了10臺(tái)高壓除塵電機(jī)，裝機(jī)容量合計(jì)23.1MW，占三煉鋼總裝機(jī)容量的40％。而從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)到的工作電流其比重更高，電流值見表1，風(fēng)機(jī)類負(fù)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(jī)節(jié)能20％計(jì)算，每月總電量可以降低8％，三煉鋼每月電費(fèi)1000萬元，這樣每年可以降低成本近80多萬元，從上述粗略計(jì)算來看，高壓（中壓）變頻調(diào)速在濟(jì)鋼高壓風(fēng)機(jī)、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(chǎng)的推動(dòng)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(dòng)機(jī)或同步電動(dòng)機(jī)配套，組成交流變頻調(diào)速系統(tǒng)，用來驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)和各種機(jī)械傳動(dòng)裝置，達(dá)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?fù)浣Y(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(duì)目前使用較為廣泛的幾種高壓變頻器進(jìn)行分析，指出各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

　　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(shí)現(xiàn)與高壓電網(wǎng)和電機(jī)的接口，這是當(dāng)時(shí)高壓變頻技術(shù)未成熟時(shí)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(shí)磁耦合能力減弱，使變頻器在啟動(dòng)時(shí)帶載能力減弱。對(duì)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(duì)諧波的嚴(yán)格要求；輸出變壓器在升壓的同時(shí)，對(duì)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(jī)，否則會(huì)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(jìn)行整流，采用電感儲(chǔ)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(gè)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(gè)電平，電機(jī)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(duì)自己的工廠情況提出要求。這種變頻器的主要優(yōu)點(diǎn)是不需要外加電路就可以將負(fù)載的慣性能量回饋到電網(wǎng)。電流源型變頻器的主要缺點(diǎn)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(bǔ)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(chǔ)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(gè)器件串聯(lián)的難題，技術(shù)上比兩個(gè)器件簡(jiǎn)單直接串聯(lián)容易，同時(shí)，增加了一個(gè)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(yán)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(jī)是一種做法，但是造成故障時(shí)向電網(wǎng)旁路較麻煩。對(duì)于6kV電機(jī)有一種變通做法，就是將電機(jī)由星型接法改為角型接法，這樣電機(jī)的電壓就變?yōu)?kV；這種做法使電機(jī)的環(huán)流損耗上升，國(guó)內(nèi)已經(jīng)有燒毀電機(jī)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(shí)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(shí)現(xiàn)18脈沖以上的整流方式，滿足國(guó)際上對(duì)電網(wǎng)諧波的最嚴(yán)格的要求。在帶負(fù)載時(shí)，電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)可達(dá)到95%以上。在輸出側(cè)采用多級(jí)PWM技術(shù)，dv/dt小，諧波少，滿足普通異步電機(jī)的需要。
可根據(jù)負(fù)載的需要設(shè)計(jì)變頻器的輸出電壓，是解決6kV、10kV電機(jī)調(diào)速的較好辦法。功率電路采用標(biāo)準(zhǔn)模塊化設(shè)計(jì)，更換簡(jiǎn)單，所用器件在國(guó)內(nèi)采購也比較容易。這種變頻器采用低壓IGBT作為逆變?cè)?，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?yàn)镮GCT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(chǎng)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(yùn)行，但由于在高壓時(shí)器件串聯(lián)的均壓?jiǎn)栴}，輸入諧波對(duì)電網(wǎng)的影響和輸出諧波對(duì)電機(jī)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(jī)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(duì)電機(jī)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(yán)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(duì)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(bǔ)償裝置。輸出波形好，不存在由諧波引起的電動(dòng)機(jī)附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、噪聲、輸出dv/dt、共模電壓等問題，可以使用普通的異步電動(dòng)機(jī)。單元串聯(lián)多電平變頻器的輸出電壓可以達(dá)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(duì)電網(wǎng)的諧波污染小，輸出適用普通電動(dòng)機(jī)，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(guó)高壓電動(dòng)機(jī)多為6kV和10kV等級(jí)，目前三電平變頻器受到器件耐壓的限制，尚難以實(shí)現(xiàn)這個(gè)等級(jí)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(dá)到10kV甚至更高，所以在我國(guó)得到廣泛應(yīng)用，尤其在風(fēng)機(jī)水泵等節(jié)能領(lǐng)域，幾乎形成壟斷的態(tài)勢(shì)。在濟(jì)鋼所使用的高壓電機(jī)均為電壓等級(jí)為10kV和6kV的普通籠型異步電動(dòng)機(jī)，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(diǎn)及廠家技術(shù)特點(diǎn)

　　1單元串聯(lián)多電平變頻器原理

　?。?）單元串聯(lián)多電平變頻器采用若干個(gè)獨(dú)立的低壓功率單元串聯(lián)的方式來實(shí)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(shí)現(xiàn)變壓變頻的高壓直接輸出，供給高壓電動(dòng)機(jī)。每個(gè)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(duì)于額定輸出電壓為6kV的變頻器，每相由5個(gè)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(dá)3450V，線電壓可達(dá)6kV左右。
每個(gè)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(jí)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(gè)功率單元串聯(lián)，所以不存在器件串聯(lián)引起的均壓?jiǎn)栴}。

　　2單元串聯(lián)多電平變頻器技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

　　自西門子羅賓康公司1994年推出第一臺(tái)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(xiàng)比較完備的技術(shù)。

　?。?）輸入變壓器多重化設(shè)計(jì)

　　輸入變壓器實(shí)行多重化設(shè)計(jì)，達(dá)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(bǔ)償裝置。以6kV變頻器為例，變壓器的15個(gè)二次繞組，采用延邊三角形聯(lián)結(jié)，分為5個(gè)不同的相位組?；ゲ?2°，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％。

　?。?）逆變器輸出多電平移相式PWM技術(shù)

　　在PWM調(diào)制時(shí)，采取移相式PWM，即同一相每個(gè)單元的調(diào)制信號(hào)相同，而載波信號(hào)互差一個(gè)電角度且正反成對(duì)。這樣每個(gè)單元的輸出是同樣形態(tài)的PWM波，但彼此相差一個(gè)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(shí)現(xiàn)變壓變頻的高壓輸出。實(shí)際上，為了提高電源利用率，參考波并非嚴(yán)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。

　?。?）功率單元旁路技術(shù)

　　在每個(gè)功率單元輸出端T1、T2并聯(lián)一個(gè)雙向晶閘管（或反并聯(lián)兩個(gè)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(fù)載十分重要，可以進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)，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(bǔ)了元?dú)饧€(gè)數(shù)多導(dǎo)致可靠性降低的問題。