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高壓變頻器在濟鋼大功率風機、泵中的應用研究
眾所周知，高壓電動機的應用極為廣泛，它是工礦企業中的主要動力。在冶金、鋼鐵、石油、化工、水處理等各行業的大、中型廠礦中，廣泛用于拖動風機、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速的要求，但目前的調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，尤其是變頻調速技術的發展，作為大容量傳動的高壓變頻調速技術也得到了廣泛的應用。順便指出，目前習慣稱作的高壓變頻器，實際上電壓一般為2.3-10kV，國內主要為3kV，6kV和10kV，和電網電壓相比，只能算作中壓，故國外常成為MediumVoltageDrive。
濟鋼高壓風機水泵調速系統
我國高壓電動機多為6kV和10kV，在濟鋼老廠區進線電源為6kV，高壓電機調速大多為直接啟動和液力偶合器調速；新建廠區進線電源電壓為10kV，在高壓風機調速系統中，采用液力耦合器調速方式。直接起動或降壓起動非但起動電流大，造成電網電壓降低，影響其它電氣設備的正常工作;而且主軸的機械沖擊大，易造成疲勞斷裂，影響機械壽命。當電網容量不夠大時，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，調節葉輪之間液體（一般為油）的壓力，達到調節負載轉速的目的。這種調速方法實質上是轉差功率消耗型的做法，節能效果并不是很好，而且隨著轉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，現場一般較臟，顯得設備檔次低，屬淘汰技術。
一般說來，使用高壓（中壓）變頻調速系統對于風機、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）變頻調速起動性能好，使用高壓變頻器，就可實現“軟”起動。變頻裝置的特性保證了起動和加速時具有足夠轉矩，且消除了起動對電機的沖擊，保證電網穩定，提高了電機和機械的使用壽命。
現以濟鋼三煉鋼為例，來分析高壓（中壓）變頻器在實際生產中的節能效果。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%。而從現場實際監測到的工作電流其比重更高，電流值見表1，風機類負載要占總容量的60%。而高壓變頻器比液力耦合器效率可以提高25%～50%，按每月風機節能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）變頻調速在濟鋼高壓風機、水泵的應用，前景廣泛，節能效果巨大。
高壓變頻器應用現狀
雖然由于電壓高、功率大、技術復雜等因素，高壓變頻器的產業化在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展和巨大市場的推動力，高壓變頻器近十多年的發展非常迅速，使用器件已經從SCR、GTO、GTR發展到IGBT、IGCT、IGET和SGCT，功率范圍從幾百千瓦到幾十兆瓦。技術上已經成熟，可靠性得到保障，使用面越來越廣。高壓變頻器可與標準的中、大功率交流異步電動機或同步電動機配套，組成交流變頻調速系統，用來驅動風機、水泵、壓縮機和各種機械傳動裝置，達到節能、高效、提高產品質量的目的。
近年來，各種高壓變頻器不斷出現，高壓變頻器到目前為止還沒有像低壓變頻器那樣近乎統一的拓撲結構。根據高壓組成方式可分為直接高壓型和高—低—高型，根據有無中間直流環節來分，可以分為交—交變頻器和交—直—交變頻器，在交—直—交變頻器中，按中間直流濾波環節的不同，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與高壓電網和電機的接口，這是當時高壓變頻技術未成熟時的一種過渡技術。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，否則會產生電暈放電、絕緣損壞的情況。西門子公司早期生產這種結構的變頻器，目前已停止生產，僅提供備件。
2電流源型高壓變頻器
輸入側采用可控硅進行整流，采用電感儲能，逆變側用SGCT作為開關元件，為傳統的兩電平結構。由于器件的耐壓水平有限，必須采用多個器件串聯。器件串聯是一種非常復雜的工程應用技術，理論上說可靠性很低，但有的公司可以做到產品化的地步。由于輸出側只有兩個電平，電機承受的dv/dt較大，必須采用輸出濾波器。電網側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。電流源型變頻器的主要缺點是電網側功率因數低，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的難題，技術上比兩個器件簡單直接串聯容易，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6kV和10kV電網的需要，更換電機是一種做法，但是造成故障時向電網旁路較麻煩。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為3kV；這種做法使電機的環流損耗上升，國內已經有燒毀電機的事例，有可能與此有關。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功率模塊串聯多電平變頻器
變頻器采用低壓變頻器串聯的方式實現高壓輸出，是電壓源型變頻器。它的輸入側采用移相降壓型變壓器，實現18脈沖以上的整流方式，滿足國際上對電網諧波的最嚴格的要求。在帶負載時，電網側功率因數可達到95%以上。在輸出側采用多級PWM技術，dv/dt小，諧波少，滿足普通異步電機的需要。
可根據負載的需要設計變頻器的輸出電壓，是解決6kV、10kV電機調速的較好辦法。功率電路采用標準模塊化設計，更換簡單，所用器件在國內采購也比較容易。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，功率元件數目較多，但技術上較成熟。與采用高壓IGCT的三電平變頻器相比，功率元件數目較多，但總元件數目卻較少，因為IGCT需要非常復雜的輔助關斷電路。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高壓變頻器應用綜述
電流源型變頻器技術成熟，且可四象限運行，但由于在高壓時器件串聯的均壓問題，輸入諧波對電網的影響和輸出諧波對電機的影響等問題，使其應用受到限制。而且變頻器的性能與電機的參數有關，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。
單元串聯多電平PWM電壓源型變頻器具有對電網諧波污染小、輸入功率因數高、不必采用輸入諧波濾波器和功率因數補償裝置。輸出波形好，不存在由諧波引起的電動機附加發熱和轉矩脈動、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，由于單元串聯式多電平變頻器的輸入、輸出波形好，對電網的諧波污染小，輸出適用普通電動機，近幾年來發展迅速，逐漸成為高壓變頻調速的主流方案。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，尚難以實現這個等級的直接高壓輸出，而單元串聯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用，尤其在風機水泵等節能領域，幾乎形成壟斷的態勢。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，單元串聯多電平電壓源型變頻器是最合適的選擇。
單元串聯多電平變頻器原理、技術優點及廠家技術特點
1單元串聯多電平變頻器原理
�。�1）單元串聯多電平變頻器采用若干個獨立的低壓功率單元串聯的方式來實現高壓輸出
�。�2）電網電壓經二次側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聯結結構，實現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數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，所以不存在器件串聯引起的均壓問題。
2單元串聯多電平變頻器技術優點
自西門子羅賓康公司1994年推出第一臺變頻器以來，經過十多年的不斷發展，單元串聯多電平變頻器逐漸形成以下幾項比較完備的技術。
�。�1）輸入變壓器多重化設計
輸入變壓器實行多重化設計，達到降低諧波電流的目的。輸入功率因數高，不必采用輸入諧波濾波器和功率因數補償裝置。以6kV變頻器為例，變壓器的15個二次繞組，采用延邊三角形聯結，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構，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
在PWM調制時，采取移相式PWM，即同一相每個單元的調制信號相同，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頻率大大增加。改變參考波的幅值和頻率，即可實現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
在每個功率單元輸出端T1、T2并聯一個雙向晶閘管（或反并聯兩個SCR）。當功率單元發生故障，封鎖該單元，然后讓SCR導通，形成旁路。旁路后，電路仍可繼續工作，只是輸出電壓略有下降。如果負載十分重要，可以進行冗余設計，安裝備用功率單元。功率單元旁路技術大大提高了單元串聯多電平變頻器的可靠性，在很大程度上彌補了元氣件個數多導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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