低压大功率变频器的选型与实践

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• 作者：刘力军
• 摘要：讨论了在变频器选型中应注意的事项与问题,首先从电厂大功率电动机的现状和高压变频器结构比较介绍入手,强调要合理选择变频器电压等级,了解变频器所驱动的负载特性,对典型案例的介绍后,说明变频器在低压大功率应用目前是可行的,同时也是合理的,有其广泛的发展前途。

变频器主要用于交流电动机转速的调节，是理想的调速方案，随着中国经济的整体快速发展，市场对传动产品的要求逐渐提高，变频器调速以其自身所具有的调速范围广，调速精度高，动态响应好等优点，在许多速度控制应用领域中发挥越来越重要的作用，它除了具有优良的调速性能之外，还具有显著的节能效果，特别是变频器应用在风机和水泵上，该类负载在国民经济各部门的应用数量众多，分布极广，耗电量巨大，且调速范围又有限（一般50%-100%），是一个很有发展前途的应用领域。
以电厂为例，大量的锅炉辅机的传动系统容量一般较大，定速运行时存在严重电能浪费问题。采用大功率变频器，可以对电厂的锅炉风机和水泵设备，如锅炉鼓风机、锅炉引风机、锅炉送水泵、冷凝水泵、冲渣水泵、灰浆泵等进行配套或改造，节电效果非常显著。同时可以实现很高的自动化控制，使锅炉运行更加安全可靠，如引风机变频调速使炉膛负压更加稳定；一次风机变频调速送风更加稳定，煤的燃烧更加彻底；灰浆泵变频调速能够保护灰浆泵电机，防止泵堵塞过载烧毁电机等。
1、国内电厂大功率电机现状
国内电厂锅炉辅机大部分风机和水泵的功率在200kW-2000 kW，按照国内惯例，200kW以上的电动机均采用6kV电动机，使得电厂主要辅机都采用6kV电动机，电力部门从减小线损的角度出发，希望提高供电电压，大力推行10kV，用户从简化配制的角度出发，自然希望200Kw以上的电动机和变频器采用6kV或10kV，这种配置的优点是能节省一台电动机的购置费用和安装工作量；可以直接加装变频器旁路开关，在变频器发生故障时，可以直接通过旁路开关切换到6kV或10kV厂用母线上来，不必中断运行。然而选用6kV或10kV“直接”变频，从技术和经济角度看都不合理。目前所有的“直接”高压变频都不是真正的直接变频，在其输入侧都有变压器或者依靠电子器件的串联，因此电动机和变频器没有必要和电网电压一致。从经济角度看一台560kW高压变频器售价是低压660V或690V变频器售价的一倍多，售价超过120万。说明在一定的功率范围内，即使考虑到更换电动机和添加整流变压器的费用，选择低压方案也比高压方案要经济的多，后期的设备维护成本，维修的技术要求都要求的低。
2、高低压变频器结构比较
近年来各种高压变频器不断出现，可是到目前为止，高压变频器还没有像低压变频器那样近乎统一的拓扑结构，一个二极管整流电路，一个中间直流回路，一个逆变桥组成，逆变桥通常由1.2kV(380V变频器)，1.７kV（690V变频器），IGBT组成，每个桥臂一般只用一个功率器件。高压变频器结构相对较复杂，通过多年的不断研究一种以北京利德华福为代表的采用多重化技术制作的高压变频器，也就是用小功率器件实现大功率变换的一种手段。所谓多重化技术就是每相由几个低压PWM功率单元在其输出端通过某种方式（如变压器）串联或并联组成，各功率单元由一个多绕组的隔离变压器供电，由低压单元串联叠加达到高压输出或并联达到大容量输出的目的。另一种是以成都佳灵为代表的多管直接串联的两电平变换电路高压变频器，主要是将功率器件串、并联使用，来满足系统高压变频的要求，串、并联在一起的各种器件，被当作单个器件使用，利用较为成熟的低压变频器的电路拓扑控制策略和控制方法，实现高压变频器产品。这样做的难点是串联开关管需要动态均压和静态均压，对驱动控制电路整体要求较高，还需要解决du/dt，抗共模电压，正弦波滤波等诸多技术问题。再一种是以清华大学电机系为代表的二极管箝位型三电平变换电路高压变频器，目的是克服功率器件直接串联时所需的均压问题，在多管直接串联的基础上引入了箝位二极管概念，避免器件直接串联引起的动态均压问题。除了上述三种主流拓扑结构形式的高压变频器外，近年来又出现飞跨电容箝位型三电平变换电路，电容自举多电平变换电路等多种形式的高压变频器，无论何种形式都伴随着自身的相适应的控制方法和理论，任何一种控制方法都较低压普通二电平变频器复杂，伴随着一系列要解决的难题，像功率器件选型、杂散参数处理、绝缘、电磁干扰、散热冷却、器件的场域分析、能量控制、du/dt和di/dt的影响、暂态过程控制等问题的解决，这些都是低压变频器不曾出现或出现极少的问题，或是低压变频器容易解决的问题，因此使用低压变频器对系统来说更为可靠、简单。
3、变频器选型
变频器的正确选用对于机械设备电控系统的正常运行是至关重要的。选择变频器，首先要根据本企业的实际情况出发，合理选择变频器电压等级，在一定的功率范围内（1000Kw以下）尽量选择低压变频器，同时按照机械设备的类型、负载转矩特性、调速范围、静态速度精度、起动转矩和使用环境的要求，决定选用何种控制方式和防护等级的变频器。
3.1 合理选用变频器电压等级
目前，变频器合理的电压登级是由功率器件承受电压水平决定的，而某一电压等级下变频器可能的功率范围则由功率器件的承载电流能力决定；受电力电子器件电压及电机允许的du/dt限制，10kV变频器必须多电平，多器件串联。造成线路复杂，价格昂贵，可靠性差，维护成本高。对于10kV变频器若使用1700V IGBT器件，需10串，三相供120支器件；若使用3300V 器件，也需5串供60支器件，数量巨大，可靠性必将受到影响。另一方面高压变频器使用器件一般电流小，器件的电流能力得不到充分利用，以710kW为例，10kV电动机电流仅有50A左右，目前耐压1700V的IGBT电流已做到2400A，3300V器件电流达1600A，有大电流器件不用，偏要用大量小电流器件串联，其结构极不合理。即使电动机功率达到2000kW，电流也只有150A左右，仍显很小。
实际应用中为了电平隔离，改善输入电流波形及减小谐波，大部分高压变频器输入侧都加有输入变压器，既然有变压器，变频器和电动机的电压就没有必要和电网电压一样，非用6kV或10kV不可。因此就有了变频器和电动机的合理电压等级问题。过去电动机中低压200kW分界主要考虑电动机直接起动，起动电流5-7倍额定电流，若使用10kV/380V电力变压器，其容量2000kVA，短路阻抗6%左右考虑，开关的瞬时脱扣值就很大了，如要提高电力系统稳定性和供电质量的话，变压器阻抗还希望进一步降低；但是阻抗越小，则带来系统短路电流就会增大，更不利于电器设备选择，线路中的开关的分断容量还要进一步提高，势必造成选型成本的提高，造价提升。电动机起动时380V母线压降限制在50%左右的话，就要再加大变压器容量，短路电流会太大，低压开关将难以承受。采用变频器调速后，起动电流被限制在额定电流值内，低压变频器容量目前可做的很大，ABB等公司掌握了逆变单元的并联输出技术，低压变频器容量可以做到2900kW，为我们大量选用低压大功率变频器提供了可能。在实践中我们可以把原来仅起到隔离作用的进线变压器10Kv/6kV或6Kv/6kV，改为6Kv/690V、6Kv/380V的进线变压器，则可获得690V和380V电源电压，为大量采用低压大功率变频器提供了可能。目前国内 660V或690V低压电动机容量已做到1000-1200Kw，使选型更为便捷。
3.2 机械设备的负载转矩特性
人们在实践中常将生产机械根据负载转矩特性的不同，分为三大类型：恒转矩负载、恒功率负载和风机、水泵类负载。
3.2.1恒转矩负载
在这类负载中，负载转矩TL与转速n无关，任何转速下TL总保持恒定或基本恒定，负载功率则随着负载速度的增高而线形增加。传送带、搅拌机、挤压机和机械设备的进给机构等摩擦类负载以及起重机、提升机、电梯等重力负载，都属于恒转矩负载。
变频器拖动恒转矩性质的负载时，低速时的输出转矩要足够大，并且要有足够的过载能力。如果需要在低速下长时间稳速运行，应该考虑标准笼型异步电动机的散热能力，避免电动机温升过高。
3.2.2 恒功率负载
这类负载的特点是需求转矩TL与转速n大体成反比，但其乘积即功率却近似保持不变。金属切削机床的主轴和轧机、造纸机、薄膜生产线中的卷取机、开卷机等，都属于恒功率负载。
负载的恒功率性质应该是就一定的速度变化范围而言的。当速度很低时，受机械强度的限制，TL不可能无限增大，在低速下转变为恒转矩性质。负载的恒功率区和恒转矩区对传动方案的选择有很大的影响。电动机在恒磁通调速时，最大允许输出转矩不变，属于恒转矩调速；而超过弱磁点后，进入弱磁调速区，变频器输出电压不在增加，速度增加，转矩下降，最大允许输出转矩与速度成反比，属于恒功率调速。
3.2.3风机、水泵类负载
这类负载的转矩与转速的二次方成正比，功率与转速的三次方成正比。各种风机、水泵和油泵，都属于典型的流体类负载。流体类负载通过变频器调速来调节风量、流量，可以大幅度节约电能。由于流体类负载在高速时的需求功率增长过快，与负载转速的三次方成正比，所以不应使这类负载超工频运行。电厂中该类负载设备占很大比例。了解了设备的负载类型，在选择变频器还不够，还需要选择正确的电压等级。
知道电动机拖动的负载类型，选择了正确供电电压，在实际选择变频器还要依据电机额定电流值作为变频器选择的主要依据,电机的额定功率只能作为参考。另外,应充分考虑变频器的输出含有丰富的高次谐波,会使电动机的功率因数和效率变坏.因此用变频器给电动机供电与用工频网供电相比较电动机的电流会增加10％，而温升会增加20％左右。所以在选择变频器时,应考虑到这种情况,适当留有余量, 以防止温升过高,影响变频器的使用寿命。
另外，变频器与电动机安装距离较长时,应该采取措施抑制长电缆对地耦合电容的影响，避免变频器出力不够。所以在选择变频器时应放大一档或在变频器的输出端安装输出电抗器。只有正确地选择了变频器，才能保证改造和生产的顺利进行。 下面用一个具体的事例，说明低压大功率在电厂新上项目的成功应用。
4、低压大功率变频器的实践
经济发展，热电优先，在这一背景之下，2004年秦皇岛同和热电有限公司进行二期扩建项目，工程主<