2015/6/27 14:42:22
0、引言
近年来.高压变频调速技术已越来越多的应用在各行各业，以达到节约电能、改善电机系统寿命、提高产品质量的目的高压变频器在全世界的应用比低压变频器晚.其主要原冈是受逆变器开关器件制造水平的制约近十年来.随着新器件的问世.器件耐压水平不断提高.高压变频器得到了迅速发展和广泛应用[1]。按我国的电压标准.通常把额定电压3kv以上的电机称为高压电动机.其主要电压等级为3、6、10kV等，文中将用于这些电压等级电动机的变频器称为高压变频器。
1、应用高压变频器的优势
某企业生产装置中有一台1400kW、l0kV的S0，风机，其是丁艺流程中的关键设备。由于生产过程中系统炯气量波动较频繁.且波动范围较大.如果川传统的前导可调机构来调节风机的流量和压力，渊节范围受到限制.一般在40%～100%.且调节线性太差.跟不上工况变化速度，故能耗很高：而用变频调节响应极快.基本与工况变化同步.可满足工艺的需要，且风机启动运行平滑，不会对电机、轴承、风机产生较大的冲击.可达到调节准确、节省能源的目的。
根据异步电动机转速公式：n=60f(1一s)/p，可以看出.转差率s变化不大，可视为恒定，一旦电机制造完成电机极对数p也是常数.所以电机转速n与电源频率f是成正比的。只要改变频率f，即可改变电机转速.当频率厂在0～50Hz之间变化时，电机转速调节范围是非常宽的根据流体力学流量与风机转速的关系可知.电机功率P与转速n的立方成正比.随着转速的降低。电机功率以转速的3次方关系递减因此随着电机转速的降低.电机消耗的电能下降幅度很大。可见，使用高压变频器对SO2风机调速的节电效果将非常显著.经估算.2～3年就可以收回成本。
2、变频调速技术方案
变频调速一般有以下3种方案可以实施应用：①高一高方式，即采用10kv(6kv)电压等级的变频器，直接由电网l0kV(6kV)供电，电机选用高压电机;②高一低一高方式，就是先将高压电源变成低压电源.采用低压变频器变频后再升压.电机选用高压电机;③高一低方式，就是用一台单独的变压器，将l0kV(6kv)高压降至380V，采用低压变频器，用低压电动机。
对比3个方案.使用高一高变频器.在变频器故障时可以直接启动.有定型产品.性能良好，稳定可靠，但费用较高：高一低一高方式无定型产品.要重新设计电路，电路烦琐庞大.要增加两台变压器.费用也较高;高一低方式中变频器直接使用低压电源，需要设一台降压变压器当降压变压器的容量比较小时，在变频器故障后，电机不能直接启动。如果降压变压器容量过大.会增加增容费用同时变压器还有一定的电能损耗从经济的角度出发.对于800～1000kW以上的风机、水泵等电机.建议采用6kv或10kV直接高一高方式的高压变频器：对于40O～800kW的电机.建议采用6kV/660v进线变压器、660V高压变频器及660V电动机：对于400kW以下的电动机.宜采用高一低方案.即采用6kV/380V降压变压器.380V级变频器及380V电动机.在某企业工程中，S0风机为l400kW.电网电压为10kV，综合比较，选择了直接高一高变频调速方案为了充分保证系统的可靠性.变频器同时加装工频旁路装置。变频器异常，不能正常运行时.电机可以自动切换到工频运行状态下运行.以保证生产的需要.其一次系统接线图见图1。
QF为用户侧高压开关柜内断路器，K1、K2、K3为同一柜内真空接触器;QS1、QS2为同一柜内隔离开关，与变频器配套提供。K2、K1电气互锁，以防止高压工频电反送人高压变频器。
在变频运行时，手动合隔离开关OS1、OS2，此时高压变频器输出开关接点允许用断路器QF合闸。QF合闸后，在DCS(或PLC)上可启动高压变频器，高压变频装置自动合K1、K2真空接触器。
当高压变频装置本体故障(如每相故障单元数大于2、高压变频器功率单元超温、散热冷却风机故障)，高压变频器自动分开K1、K2，待电机电压衰减到额定电压的1O%左右，延时合K3高压变频装置自动切换到工频继续运行.以提高系统的可靠性变频到工频切换大约在3s以内完成。
当高压变频器检测到电机故障(如三相电流不平衡、三相电压不平衡、过流、过载)，高压变频器自动封锁脉冲停止输出，并跳开真空接触器K1、K2、K3，同时输出跳闸接点用于跳开断路器QF。
3、高压变频器技术特点
目前高压变频器的主电路拓扑方面主要有3电平(或更多电平)电压型高压变频器和单元串联多电平电压型高压变频器。罗宾康HARMONY系列、国产高压变频器多采用单元串联多电平电压型高压变频器，现以其为例.阐述高压变频器技术特点变频器主要由移相变压器、功率模块和控制器组成。
(1)系统结构：高压变频调速系统的结构见图2，由移相变压器、功率单元和控制器组成。如：10kV系列有24个功率单元.每8个功率单元串联构成一相。每个功率单元结构上完全一致，可以互换。其电路结构见图2，其为基本的交一直一交单相逆变电路.整流侧为二极管三相全桥.通过对IGBT逆变桥进行正弦PWM控制。
(2)输入侧结构：输入侧由移相变压器给每个功率模块供电，移相变压器的副边绕组分为3组，根据电压等级和模块串联级数，一般由24脉冲系列、3O脉冲系列、42脉冲系列、48脉冲系列等构成多级相叠加的整流方式，可以大大改善网侧的电流波形(网侧电压电流谐波指标满足IEEE519一l992和GBT/14549—93的要求).使其负载下的网侧功率因数接近1，无需任何功率因数补偿、谐波抑制装置。由于变压器副边绕组的独立性.使每个功率单元的主回路相对独立.类似于常规低压变频器.便于采用现有的成熟技术。
(3)输出侧结构：输出侧由每个功率模块的U、V输出端子相互串接而成星型接法给电机供电.通过对每个单元的PWM波形进行重组.可得到阶梯正弦PWM波形。这种波形正弦度好dv/dt小.对电缆和电机的绝缘无损坏.无须输出滤波器就可以延长输出电缆长度.可直接用于普通电机。同时.电机的谐波损耗大大减少.消除负载机械轴承和叶片的振动。当某一个功率模块出现故障时.通过控制使输出端子短路.可将此单元旁路退出系统.变频器可降额运行.由此可避免很多场合下停机造成的损失。
(4)控制器：控制器由高速单片机、嵌入式人机界面和PLC共同构成单片机实现PWM控制、嵌人式人机界面提供友好的全中文WINDOWS监控和操作界面.同时可以实现远程监控和网络化控制内置PLC则用于柜体内开关信号的逻辑处理.可以和用户现场灵活接口.满足用户的特殊需要。
变频器可运行于闭环模式或开环模式。在开环模式下.运行频率南界面设定或通过DCS(或PLC)设定(数字方式或模拟方式)在闭环模式下。可以设定并调节被控量(比如压力)的期望值.变频器根据被控量的实际值自动调节变频器的输出频率.控制电机的转速.使被控量的实际值自动逼近期望值控制器可与上级DCS系统直接连接.对变频器进行启动、停车、急停、报警或设定运行频率。
4、应用效果
主要应用效果如下：①使用变频器后风机可以实现变频软起动.避免了起动电流的冲击.不仅对电网没有任何冲击，而且还可以随时起动或停止;②使用变频器后，风机的送风量不再需要由风门来调节.而是由变频器通过变频调节风机的转速来实现.调节范围可以从0%～l00%.可以根据生产需要随意调节风量，减少了不必要的浪费：③变频节能运行，节约了大量能源使用变频器后.不再使风机一直处于满负荷工作状态.节能率非常高：④由于高压变频器能平滑调节电机负载的转速.使之与原来相比在较低转速下运行.从而大大减少了负载以及电机的机械磨损，同时降低了轴承、轴瓦的温度，有效减少了检修费用，延长了设备的使用寿命：⑤高压变频器为高一高电压源型单元串联多电平结构.功率因数可高达0.95.不仅无需功率补偿.还可提高电网的功率因数.减少了无功损失.减少了线损：⑥系统完善的监控性能和高可靠性提高了工作效率.可实现参数的实时恒定运行.提高了系统运行的安全稳定性.减少了检修和维护的工作量。
5、结语
高压变频器的使用不仅能取得显著直接的经济效益，还具有较好的间接经济效益。从节能角度看.在SO2风机中采用高压变频器调速.年节电率能达到30%以上。目前在各行各业.如火力发电、