摘 要：針對我國工業(yè)企業(yè)電機拖動現(xiàn)狀，分析了國內(nèi)外高壓變頻" title="高壓變頻">高壓變頻裝置的技術(shù)特點，提出了國產(chǎn)高壓變頻裝置的應(yīng)用前景，改變高壓大功率風機、泵類變頻調(diào)速" title="變頻調(diào)速">變頻調(diào)速方式，給社會和企業(yè)帶來長遠效益。
關(guān)鍵詞：高壓變頻裝置、應(yīng)用、節(jié)能
Abstract: contrapose to the status quo for motor drag of China‘s industrial enterprises, analysis the technical characteristics of high-voltage variable frequency devices in domestic and foreign, put forward a foreground of domestic high-voltage frequency converter applications, change way of speed tuning in high-voltage high-power fans, pumps VVVF, to bring long-term social and business effectiveness.
Key Words: High-voltage frequency converter Apply Energy Saving
1.前言
　　目前，全世界正在為能源緊缺而困擾，我國的能源形勢尤其嚴峻，隨著中國經(jīng)濟的快速發(fā)展，能源成為制約經(jīng)濟增長的瓶頸，節(jié)能降耗也就成為國家和企業(yè)嚴重關(guān)切的問題。在企業(yè)電力系統(tǒng)中，電機傳動約消耗70%電力，改變電機拖動方式無疑是潛力最大的節(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)計目的，通過對拖動風機、水泵、空氣壓縮機等高壓大功率電機變頻調(diào)速的方式來實現(xiàn)節(jié)能，具有效率高、精度高、調(diào)速范圍寬、軟啟動等優(yōu)點，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化水平，已引起各部門和各企業(yè)的高度關(guān)注。
2.高壓變頻節(jié)能原理
　　企業(yè)生產(chǎn)過程中，流量（風量）調(diào)節(jié)一般由風門調(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)" title="功率因數(shù)">功率因數(shù)低、調(diào)速精度差、維護量大、二次成本高等缺陷，而變頻調(diào)速優(yōu)勢明顯。針對風機、泵類等負載，變頻調(diào)節(jié)其流量和功率可用下式表示：
　　
Q1和Q2—流量（風量）， p1和p2—所需功率， n1—額定轉(zhuǎn)速，n2—實際轉(zhuǎn)速，E—理論節(jié)電量，P—額定轉(zhuǎn)速時電機功率，T—工作時間
　　可見，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。當風機風量需要改變時，如調(diào)節(jié)風門的開度，則會使大量電能白白消耗在閥門及管路系統(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。尤其在流量頻繁調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)速變化大的工況，節(jié)電效果相當明顯。
3.進口高壓變頻裝置的技術(shù)特點
　　因3kV、6kV、10kV電壓均屬中壓范圍，國際上通稱該電壓等級的變頻器為中壓變頻器，但在國內(nèi)該電壓等級的電機習(xí)慣上稱為高壓電機，與之相配的變頻器也就叫高壓變頻器" title="高壓變頻器">高壓變頻器。
　　以ABB公司開發(fā)的ACS5000變頻器為例，其采用多電平無熔斷器電壓源型逆變器（VSI-MF）拓撲結(jié)構(gòu)" title="拓撲結(jié)構(gòu)">拓撲結(jié)構(gòu)，適用于驅(qū)動6.0～6.9KV的電機。一般來說，當今最先進的高壓變頻器產(chǎn)品基于以下兩種基本的逆變器拓撲結(jié)構(gòu)：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關(guān)電壓波形;另一種為電流源型逆變器（CSI），其使用直流回路電抗器并提供開關(guān)電流波形。中壓變頻器的開發(fā)經(jīng)過20多年的發(fā)展， VSI已成為市場上首選的拓撲結(jié)構(gòu)。其主要優(yōu)勢為：
　　3.1無需外加輸入或輸出濾波器。VSI通過簡單的二極管提供了非常可靠、效率很高的整流器拓撲結(jié)構(gòu)，二極管橋具有高功率因數(shù)（一般大于0.95），而CSI拓撲結(jié)構(gòu)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償設(shè)備。
　　3.2采用IGCT和DTC相結(jié)合技術(shù)。IGCT（集成門極換流晶閘管）半導(dǎo)體是一種低損耗的快速功率開關(guān)，綜合了IGBT/IEGT傳統(tǒng)半導(dǎo)體技術(shù)優(yōu)點，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（直接轉(zhuǎn)矩控制）帶來了最高的轉(zhuǎn)矩與速度控制性能以及最低的損耗，在中壓變頻器中首屈一指。
　　3.3逆變器的核心采用電子模塊（PEBB）。使用單個多功率設(shè)備取代復(fù)雜的功率電子電路，實現(xiàn)了部件數(shù)量降低且緊湊的機械安排。在相同功率等級下，與其它可用的解決方案相比，整個系統(tǒng)的體積減少了50%。
4.國產(chǎn)高壓變頻裝置的發(fā)展現(xiàn)狀和技術(shù)特點
　　近年來，國產(chǎn)高壓變頻器取得了突飛猛進的發(fā)展，以利德華福、東方日立、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、操作簡便，受到廣大用戶的信賴。目前，以矢量控制技術(shù)代表高壓變頻器最高端技術(shù)，大大提高了變頻器的控制性能。矢量控制在國外多稱為磁場定向控制（Field Orientation Control），其核心思想是，以電機磁場為坐標軸基準方向，通過坐標變換的方法，實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)矩和磁通的解耦控制。國產(chǎn)高壓變頻器的電壓等級為3KV、6KV和10KV，功率最高可達7500KW，國外產(chǎn)品也很少有類似大功率的業(yè)績，尤其在2000KW以上國產(chǎn)品牌與跨國公司展開競爭是有優(yōu)勢的。國產(chǎn)高壓變頻器的原理與進口產(chǎn)品略有不同。
　　4.1主流高壓變頻裝置的基本原理
　　國產(chǎn)高壓變頻器采用交-直-交直接高壓（高-高）方式，主電路開關(guān)元件為IGBT。由于IGBT耐壓所限，無法直接逆變輸出6kV、10kV，又因開關(guān)頻率高、均壓難度大等技術(shù)難題無法完成直接串聯(lián)。因此，國產(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）采用干式結(jié)構(gòu)，強迫風冷。變壓器原邊為Y型接法，直接與高壓相連。副邊繞組數(shù)量依變頻器電壓等級及結(jié)構(gòu)而定，一般3kV系列為9個，6kV系列為15（18）個，10kV系列為27個，延邊三角形接法，為每個功率單元提供三相電源輸入。
　　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）遠小于國家標準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功率單元五個串聯(lián)時產(chǎn)生3450V相電壓，三相輸出Y接，中性點懸浮，得到驅(qū)動電機所需的可變頻三相高壓電源。如圖2所示。

圖2 6kV電壓疊加圖
　　國產(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，旁路柜實現(xiàn)變頻檢修時電機直接投切至工頻電網(wǎng)，有自動旁路和手動旁路兩種模式。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，同時還包括由功率器件驅(qū)動、保護、信號采集、光纖通訊等功能組成的控制電路。通過控制IGBT的工作狀態(tài)，輸出PWM電壓波形。每個功率單元在結(jié)構(gòu)及電氣性能上完全一致，可以互換。
　　4.2國產(chǎn)高壓變頻器采用的技術(shù)和特點：
　　l 主回路一般采用SCP技術(shù)，實現(xiàn)抗輸出短路;
　　l 采用STT技術(shù)（Speed Tracing Technology），對雷電干擾造成裝置保護停機后，干擾消失裝置能夠自動重啟;高壓掉電，故障恢復(fù)后能夠自動重啟;
　　l 采用智能化控制，專用雙DSP控制技術(shù)，摒棄工控機系統(tǒng);
　　l 安裝靈活，形式多樣，可戶外和戶內(nèi)安裝。
5.高壓變頻裝置運行不可靠性來源分析
　　5.1內(nèi)部因素：
　　l 高壓輸入、輸出回路可能發(fā)生的故障，如絕緣距離問題，刀閘接觸電阻等;
　　l 變壓器本體過熱以及各種原因?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、繼電器回路、二次控制回路可靠等;
　　l 裝置對偶發(fā)性故障（非破壞性故障）的容錯能力;
　　l 控制軟件的設(shè)計水平。
　　5.2外部因素：
　　l 雷電過電壓、操作過電壓對變壓器繞組、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;
　　l 雷電干擾導(dǎo)致裝置正常運行過程中跳機;
　　l 電網(wǎng)電壓波動、閃變導(dǎo)致裝置功率單元直流母線過壓或欠壓，裝置告警或保護停機;
　　l 變頻輸出高壓連接電纜本體、附件、電機定子出現(xiàn)故障導(dǎo)致裝置保護停機;
　　l 運行與維護不及時導(dǎo)致的溫升過高問題，告警或保護停機;
　　l 接地電阻過大或接地不良，導(dǎo)致干擾停機;
　　為解決上述問題，對變頻器生產(chǎn)廠家提出了更高的要求，必須按標準設(shè)計，不斷提升制造水平，加強產(chǎn)品的出廠試驗和現(xiàn)場調(diào)試保證工作，同時提升產(chǎn)品的軟件設(shè)計水平，充分考慮各種可能工況設(shè)計應(yīng)對措施。用戶在選擇高壓變頻裝置時應(yīng)充分考慮到各種不利因素，避免發(fā)生故障停機。
6、選擇高壓變頻裝置時應(yīng)注意的問題
　　6.1選擇高壓變頻裝置時，充分考慮變頻裝置的散熱，同時要求低溫時也能正常啟動，一般運行環(huán)境溫度為-15°C～45°C，最大濕度不超過95%。
　　6.2為保證變頻器具有良好的運行環(huán)境，需專門為高壓變頻器配套冷卻系統(tǒng)。綜合冷卻系統(tǒng)的投資和運營成本、設(shè)備維護量、無故障運行時間，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)。該系統(tǒng)由于其采用完全機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，較空調(diào)等電力、電子設(shè)備而言具有明顯的安全、可靠性。空-水冷卻系統(tǒng)的運營成本是同等熱交換功率空調(diào)冷卻方式的1/4～1/5。冷卻電耗指標遠遠低于空調(diào)冷卻，避免了能源節(jié)約的二次浪費。
　　6.3選擇高壓變頻裝置時要明確負載特性：明確負載屬于單象線還是四象線運行;明確電機升降速時間、最大轉(zhuǎn)矩，確定變頻器容量;明確電機、電網(wǎng)電壓等級和波動范圍，確定變頻器進出線電壓等級，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，可進行遠程監(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)補償?shù)那闆r下輸入端功率因數(shù)能達到0.95以上。
　　6.6變頻裝置輸出波形不會引起電機的諧振，轉(zhuǎn)矩脈動小于0.1%，變頻器可設(shè)置多個共振頻率段并自動跳過共振點。
　　6.7能適應(yīng)頻繁升降速調(diào)速要求,可以針對現(xiàn)場工藝要求實現(xiàn)分段調(diào)節(jié)（PID調(diào)節(jié)+前饋調(diào)節(jié)），實現(xiàn)分段平滑調(diào)速。
　　6.8對通訊抗干擾提出特殊要求，在設(shè)計電路時嚴格實行強弱電不共地原則。變頻器柜內(nèi)強電信號和弱電信號分開布置,以避免干擾。
　　6.9變頻裝置對電網(wǎng)電壓的波動有較強的適應(yīng)能力，在-35%～+15%電網(wǎng)電壓波動時能滿載輸出。
　　6.10選擇高壓變頻裝置時，變壓器、風機、IGBT等關(guān)鍵元器件一定要知名品牌，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防護等級為IP54以上。
　　6.12綜合考慮產(chǎn)品價格、備件供應(yīng)、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)定可靠地運行，攸關(guān)用戶的節(jié)能效果和各種生產(chǎn)過程能否正常高效地運行。通過對高壓變頻用戶的綜合考察，近年來國產(chǎn)高壓變頻的業(yè)績不凡，由于其產(chǎn)品的性價比高、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。針對工況變化頻繁，流量和壓力需經(jīng)常變化的工藝，以及其他需要調(diào)速的工況進行技術(shù)改造，是相當必要的，克服大馬拉小車（閥門開度較小的工況）現(xiàn)象，會起到明顯的節(jié)電效果。尤其是新上工程項目，從方案論證、設(shè)計、施工等環(huán)節(jié)著手，采用高壓變頻調(diào)速技術(shù)會達到預(yù)期的節(jié)能目的。
　　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)，各種引風機、送風機、吸塵風機、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，根據(jù)工藝要求均可實現(xiàn)高壓變頻調(diào)節(jié)。
　　某鋼廠轉(zhuǎn)爐除塵風機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，風機在整個煉鋼工作周期內(nèi)采用高壓變頻器進行調(diào)速變速運行，吹氧時高速運行，不吹氧時低速運行，節(jié)能35%以上，大大的降低了噸鋼電耗。電機實行了真正的軟啟動、軟停運，變頻器提供給電機的無諧波干擾的正弦波電流，降低了電機的故障次數(shù)。變頻器自身保護功能完善，大大加強了對電機的保護。
　　某水泥廠高溫風機2500KW/6KV原采用液力耦合器調(diào)速，改造為高壓變頻調(diào)速，改造后電機功率由2221 KW降為1777 KW，基本上一年可收回投資。
8.高壓變頻裝置的應(yīng)用效益
　　由于能源緊張及生產(chǎn)工藝等各方面的要求，高壓變頻已成為大型生產(chǎn)企業(yè)節(jié)能工作的必由之路。國產(chǎn)高壓變頻器由于更適合中國市場及用戶特點，已被越來越多的人所認識、所接受、所歡迎。高壓變頻裝置的應(yīng)用，不僅節(jié)能，而且可提高風機、水泵的運行效率、減少擋板、閥門的維護量、減少無功，可實現(xiàn)電機的軟啟動。
　　據(jù)統(tǒng)計，占工業(yè)用電70%的各種風機、泵類負載，全國約4700萬臺，總功率約1.3億千瓦，此類負載工況變化較大，如采用變頻技術(shù)實現(xiàn)變速運行節(jié)能效果明顯。以平均節(jié)電20%計算，對全國來說，年節(jié)電500億度，同時，可相應(yīng)減少2000萬噸發(fā)電用煤、50萬噸SO2 和1200萬噸CO2 的排放。高壓變頻裝置由于操作簡單、安全可靠、維護方便，并在節(jié)能、節(jié)電、省人、省力、自動控制、遠程監(jiān)控等方面效果顯著。
9.結(jié)束語
　　我國能源剩余開采量不及世界平均水平的1/10,而且能源需求急劇增長，我國單位產(chǎn)值能耗是日本的11.5 倍，是法國和德國的7.7倍，是美國的4倍，可見我國生產(chǎn)效率非常低，環(huán)境保護形勢嚴峻。變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)被列入國家《十一五十大重點節(jié)能工程實施方案》。
　　通過對風機、水泵、壓縮機等通用機械系統(tǒng)節(jié)能改造，推廣應(yīng)用變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)，提高運行效率，是電機系統(tǒng)節(jié)能工程的重要工作。
參考文獻：
　　（1）高壓變頻技術(shù) 機械工業(yè)出版社
　　（2）變頻通訊，北京利德華福，北京昌平區(qū)
　　（3）ABB中壓交流變頻器，ABB電氣傳動公司