1、關于主要用能產(chǎn)品和設備節(jié)能標準與能效標識研究子課題高壓變頻器通用技術條件國家標準研究編制中幾個技術條件的探討摘要：本文結(jié)合主要用能產(chǎn)品和設備節(jié)能標準與能效標識研究的國家標準高壓變頻器通用技 術條件征求意見稿的幾項技術指標在高壓變頻器產(chǎn)品設計與應用條件中，從標準引用、實際應用 兩方面結(jié)合提出標準制定相關技術條件的探討。關鍵詞：高壓變頻器技術條件 國家標準編制0.引言為提高用能產(chǎn)品能效、推廣節(jié)能技術、節(jié)能降耗、支撐可持續(xù)發(fā)展，根據(jù)國家科技支撐計劃重 點專項“關鍵技術標準推進工程”主要用能產(chǎn)品和設備節(jié)能標準與能效標識研究課題重要子課 題一一高壓變頻器通用技術條件國家標準制定研究的要求，電氣行業(yè)、傳動

2、行業(yè)、制造廠家和 用戶代表技術專家對高壓變頻器的標準涵蓋的范圍、標準框架、功能要求、技術指標等進行了討論 和修改。在標準制定研究過程中發(fā)現(xiàn)，高壓電動機的變頻調(diào)速技術研究、產(chǎn)品開發(fā)、市場推廣均處于蓬 勃發(fā)展過程中，國內(nèi)外制造廠家很多、存在多種拓撲方案，各種電路拓撲方案、不同廠家產(chǎn)品各有 特點、產(chǎn)品特性與功能特點、技術水平也不一致。這些因素對變頻器和傳動系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、 使用壽命、維護費用、性價比等重要指標均可能產(chǎn)生影響，但作為用戶都希望能選擇實用而具有良 好性價比的高壓變頻器，因此需要明確了解工藝要求和對高壓變頻器的技術要求，針對性地選擇高 壓變頻器的方案、產(chǎn)品和售后服務，以確保合理應用、

3、可靠運行、取得合理的投資回報率。本文結(jié)合主要用能產(chǎn)品和設備節(jié)能標準與能效標識研究的國家標準高壓變頻器通用技術 條件征求意見稿的幾項技術指標在高壓變頻器產(chǎn)品設計與應用進行探討。1 .高壓變頻器的概念與標準對適用范圍的定義按國際慣例和我國國家電力行業(yè)標準對電壓等級的劃分，對供電電壓>35kV 時稱高壓，1kV35kV 電壓等級稱“中壓”。而我國電機產(chǎn)業(yè)界習慣上也把額定電壓為3kV、6kV、10kV的電機稱為“高壓電機”。而結(jié)合國內(nèi)電機電壓等級，額定電壓110kV的變頻器具有著共同的特征，一般把驅(qū)動110kV交流電動機的變頻器（通過改變輸出頻率和電壓，控制額定電壓范圍為1kV及以上35kV及以

4、下高壓電動機轉(zhuǎn)速的裝置）稱之為高壓變頻器。高壓變頻器根據(jù)進線端直流濾波器型式，逆變電路可分為電壓型和電流型兩種類型，其特點區(qū) 別在于：前者在直流供電輸入端并聯(lián)有大電容，一方面可以抑制直流電壓的脈動，減少直流電源的 內(nèi)阻，使直流電源近似為恒壓源；另一方面也為來自逆變器側(cè)的無功電流提供導通路徑，稱為電壓 型逆變電路（如高-低-高式高壓變頻器、三電平高壓變頻器、單元串聯(lián)多重化高壓變頻器、IGBT元件直接串聯(lián)高壓變頻器等幾種拓撲方式）。在逆變器直流供電側(cè)串聯(lián)大電感，使直流電源近似為恒流源，這種電路稱之為電流型逆變電路，電流型變頻器是在電壓型變頻器之前發(fā)展起來的早期拓撲。鑒于國內(nèi)電動機節(jié)能產(chǎn)業(yè)應用市場絕

5、對多數(shù)占有率的高壓變頻器均屬電壓源型，因此該標準及本文 主要對電壓源型高壓變頻器進行敘述（電流源型高壓變頻器也適用于該標準）。2 .使用環(huán)境條件中的高海拔應用的要求標準中對高壓變頻器的一般應用環(huán)境的海拔條件定義為：“不超過1000m ,超過1000m 應根據(jù)每升高100m，外絕緣距離增大1 %,輸出額定通流能力減小1%”。其中，“外絕緣距離增大”的技術條件的可參考的依據(jù)如下：根據(jù)GB1094.11-2007干式電力變壓器第 11.3條的規(guī)定：所設計的變壓器是在海拔超過1000m 處運行，而其試驗卻是在正常海拔處進行時， 對于海拔超過1000m 以上的部分，以500m 為一級，其溫升限值按下列數(shù)

6、值相應降低：對于自冷式變壓器：2.5 %;對于風冷式變壓器： 5%。根據(jù)GB1094.11 -2007標準白第12.2條的規(guī)定：當變壓器被規(guī)定在海拔為1000 m3 000 m之間運行，而其試驗卻是在正常海拔處進行時，其額定短時外施耐受電壓值，應根據(jù)安裝地點的海拔超過1 000 m 的部分，以每100 m 增加1%的方式來提高。至于在海拔超過3 000 m 處運行時，其絕緣水平應由供、需雙方協(xié)商確定（標準對于海拔超過3 000 m沒有定量規(guī)定的原因在于起草標準時大家比較認可：高海拔時空氣稀薄對耐壓不利，但空氣更潔凈，對爬電有利）。另外，參考 GB311.1 -1997高壓輸變電設備的絕緣配合的

7、規(guī)定：“當高壓電器用于海拔1000m以上，但不超過 4000m 時，其外絕緣試驗電壓應為耐受電壓乘上系數(shù)Ka ,其公式為Ka=1/（1.1-H X 10-4），式中H為使用地點的海拔， Ka一海拔校正因數(shù) （在H= 1000m 3000m 海拔范圍內(nèi)，Ka基本與每100 m 增加1%接近）。”其中，“輸出額定通流能力減小”的技術條件的可參考的依據(jù)如下：變頻器在高海拔地區(qū)（大于1000m ）使用時，由于空氣稀薄，影響風冷散熱變頻器的工作，功率半導體的電流容量將低于規(guī)定值（需降額使用），依據(jù)GB/T3859.2 - 1993半導體變流器 應用導則標準給出的“電流容量隨海拔高度而變化的關系曲線”（在

8、1000m4000m 內(nèi)海拔每升高100m 降額約0.3% ）,以及海拔每升高 100m 降額1%、降額0.5%繪制的降額曲線如下圖所 示：電潦<*>1tk.'lOUiu1O0ni海撥Cm)10002 UM 3000 JOO0 500。 ODUU實際上，海拔的升高還使環(huán)境溫度隨之降低（每升高100m 環(huán)境溫度降低約0.5K ），因此對高海拔地區(qū)變頻器的電流容量進行修正時應同時考慮海拔升高導致的空氣稀薄不利散熱的因素和環(huán)境溫度降低的有利因素。可見原標準草稿規(guī)定的每升高海拔100m 降容1 %的要求過于嚴格，考慮對主要應用于工業(yè)企業(yè)設備節(jié)能調(diào)速的高壓變頻器的可靠性要求，提高配置

9、要求，可考慮修改為每升 高海拔100m 降容0.5% 。3 . 關于高壓變頻器的輸出電壓的電能質(zhì)量要求 標準提出了對高壓變頻器輸出電壓的一般要求，由于輸出電壓是接電機負載的，因此規(guī)定了 “輸出電壓不平衡度”和“輸出電壓變化率（ dv/dt ） ”的條件。輸出電壓不平衡可能導致電機電流產(chǎn)生負序和負序電流，特別是負序電流將影響電機運行與出力、導致電機的發(fā)熱損害，高壓變頻器技術條件征求意見稿對“輸出電壓不平衡度”的要求為：“在輸出頻率調(diào)節(jié)范圍內(nèi)及各相負載對稱的情況下，輸出三相線電壓的不平衡度不超過 5 ” 。 較大的 dv/dt 會影響電機的絕緣，尤其當變頻器輸出與電機之間電纜距離較長時，由于線路分

10、布電感和分布電容的存在，會產(chǎn)生行波反射作用，dv/dt 會放大，在電機端子處可增加一倍以上，對電機絕緣引起損壞。高壓變頻器技術條件征求意見稿對“輸出電壓變化率（ dv/dt ） ”的要求為：“輸出電 壓變化 率應符 合適配 電機對 電源輸 入電壓 的突變 率要求 。輸出 電壓 dv/dt 宜 不大于 1000V/us 。 ”輸出電壓還有一個關鍵參數(shù)，即共模電壓限制值，特別當輸入側(cè)的電纜過長時，由于其寄生電容過大 , 使產(chǎn)生的充放電電流幅值增大，這一電流可分流經(jīng)過電機軸承，而對其形成電腐蝕點是標準征求意見稿對未提出要求。實際上，變頻器輸出電壓諧波對電機的影響，可參考美國標準NEMAMG1-199

11、3電動機和發(fā)電機的第 30節(jié)的有關規(guī)定：（1）變頻器輸出電壓接電機負載后的在額定電流情況下的電機電流總諧波畸變率W1%,在一定前提下可適當放寬要求；（2） 變頻器輸出的電壓變化率dv/dt 的限制條件為：輸出相電壓從10% 峰值上升到90% 峰值的時間不得小于 1s。即對接3kV電機的變頻器輸出電壓dv/dt wi.96kV/us,接6kV電機的變頻器輸出電壓 dv/dt w3.92kV/us,接10kV 電機的變頻器輸出電壓dv/dt <4.62kV/us。不宜統(tǒng)一規(guī)定限制，如需提高要求，可確定為輸出電壓的dv/dt 值限制在每us 的變化不大于40 輸出相電壓（相當于 3kV系統(tǒng)對應

12、要求dv/dt wikV/us ,接6kV系統(tǒng)對應要求dv/dt <2kV/us ,接 10kV 系統(tǒng)對應要求 dv/dt w2.3kV/us ）。（3） 變頻器輸出的共模電壓的限制條件為：基波相電壓峰值和共模電壓峰值之和不超過2.51倍額定相電壓。對接3kV電機的變頻器輸出基波相電壓峰值和共模電壓峰值之和<4.35kV ;接6kV電機的變頻器輸出基波相電壓峰值和共模電壓峰值之和<8.7kV ,接10kV電機的變頻器輸出基波相電壓峰值和共模電壓峰值之和wi4.5kV 。4 . 關于高壓變頻成套系統(tǒng)的效率與輸入變壓器容量選型 作為用于節(jié)電的成套系統(tǒng)，高壓變頻器的系統(tǒng)效率應作為一

13、項關鍵指標，因此標準中提出要求為： “在輸出額定電壓、 額定電流和負載功率因數(shù)不小于0.80 條件下， 額定功率500kVA 以下高壓變頻器的效率不低于95%, 500kVA1MVA高壓變頻器的效率不低于 96%, 1MVA以上高壓變頻器 的效率不低于97 。”高壓變頻器系統(tǒng)的損耗可分為變壓器（可含電抗器）類損耗（這部分損耗又可分為空載損耗和負載損耗）、變流器（包括整流、逆變部分）類損耗（這部分損耗主要包括開關損耗和通態(tài)損耗）。變壓器的效率與功率等級有密切關系，通常功率越大，損耗與輸出功率就越小，效率也就越高.反之，功率越小，效率也就越低。其中目前高壓變頻器的進線側(cè)主要采用非包封干式變壓器，其

14、效率指標可參考國家標準GB/T10228-2008 干式變壓器技術參數(shù)和要求中關于B 型配電變壓器的空載損耗、負載損耗的要求為：容量500kVA 以下的效率98.3%98.5%，容量500kVA1MVA效率 98.6%98.8% ， 容量 1MVA 效 率 98.9% 以上。考慮一般高壓變頻器采用的變壓器特殊性（如整流繞組數(shù)量、諧波、配置選型等因素），一般變 頻系統(tǒng)配套的變壓器容量選型市場上一般采用與適配負載電機視在功率，這種選型與變頻器系統(tǒng)的不同拓撲結(jié)構(gòu)相關：特別對于技術相對成熟、市場占有率最高的單元串聯(lián)式高壓變頻器，采用多重化移相整流變壓器，采用多重化不控全橋整流技術保證電網(wǎng)側(cè)的滿載時的輸

15、入的綜合功率因數(shù)大于0.95，變頻器設備內(nèi)部各個單元上大容量濾波電容為電機提供了工作所需的無功功率，從電網(wǎng)側(cè)吸收的電流（即輸入移相整流變壓器的輸入電流）主要為有功分量所需電流，網(wǎng)側(cè)的輸入電流（即輸入移相整流變壓器的輸入電流）的無功分量僅為變壓器的勵磁分量以及影響極其微小的諧波分量。相對輸出負載電機的功率因數(shù)（一般0.60.9，典型值0.8 左右）較低的視在功率，這種類型的高壓變頻器從電網(wǎng)吸收視在功率中無功分量小。市場選型一般采用電機視在功率選擇輸入移相變壓器容量，因此變頻器適配電機?t載工作時的變壓器一般僅達到75%95%,（變壓器溫升也應未達到標準溫度）負載損耗較變壓器滿載、溫升達標準值時的

16、負載損耗達到以下要求：容量500kVA 以下的效率 97%98%，容量500kVA 1MVA效率98%98.5% ，容量 1MVA效率5 8.5% 以 上 。一般變流器的損耗由散步分構(gòu)成，即電子控制部分、整流部分和逆變部分。其中電子控制部分與負載大小關系不大，一般采用的不控整流部分與輸出負載大小相關，輸出逆變部分采用開關器件由導通損耗和開關損耗構(gòu)成。由于高壓大功率變頻的功率流逆變部分一般選用較低導通電壓的新一代芯片技術的開關管（如采用最新技術的 1700V的IGBT額定電流下的導通電壓Vce一般為2.06 .4V , 1200V的IGBT額定電流下的導通電壓Vce在1.72.1V,）,整流部分

17、的二極管在額定電流壓BI 0.851.5V, 一般廠家產(chǎn)品設計時這些器件的選型都會留出50%左右的裕度，因此高壓變頻器運行中的器件導通損耗不高（占功率器件損耗的約40）； 且 PWM 開關頻率一般較低，如功率單元串聯(lián)式的高壓變頻器由于采用輸出載波移相的控制技術，開關頻率一般在6001500Hz,較低壓變頻器的輸出開關頻率大大降低，開關損耗也相對降低（占功率器件損耗的約50） ，其余的電容器、控制電路等電路器件的損耗約占總損耗的10。在系統(tǒng)輸入電壓額定、設計選型器件均是在器件滿載條件下估算，在輸出額定電流時應留有一定裕度，變流器部分的損耗相對系統(tǒng)容量一般可控制在12% （總體設計上相較小容量，較

18、大容量逆變系統(tǒng)的效率會越高）。總得來講，技術條件的“額定功率500kVA 以下高壓變頻器的效率不低于95%, 500kVA1MVA 高壓變頻器的效率不低于96 ， 1MVA 以上高壓變頻器的效率不低于97 。” 這一標準要求是恰當且必要的：高壓變頻器作為節(jié)能降耗的重點節(jié)能設備產(chǎn)品，本身應該具有較高的設計效率，規(guī)范市場產(chǎn)品，保證電機系統(tǒng)的運行效率，為切實推進節(jié)能減排工作提供強有力的技術支持。5. 關于系統(tǒng)過載能力及起動特性和加速控制眾所周知，電機驅(qū)動系統(tǒng)的負載、電機、變頻器作為一體，根據(jù)變頻器容量、電機特性、負載機械特性（如轉(zhuǎn)動慣量）的區(qū)別，變頻器在起動、升速和停止、降速時所需的時間不同，過短的

19、加減速時間可能會導致變頻器在加速過程中過電流、在減速過程中過電壓保護。而變頻器作為電機的驅(qū)動系統(tǒng)，在工藝上可替代工頻運行時用來調(diào)節(jié)的閥門、風門或液力耦合器等機械調(diào)節(jié)器，這些調(diào)節(jié)器在工藝調(diào)節(jié)的控制中，若升降速的時間長調(diào)節(jié)對外部擾動的控制能力變差，容易處于小幅不穩(wěn)定狀態(tài)中，控制效率較低，特別是工藝要求經(jīng)常變化、或變化控制特性品質(zhì)要求較高時，變頻器允許的啟動特性與急速過載能力要求問題特別突出。高壓變頻器通用技術條件在“起動特性和加速控制”特別提出， “在正常工作條件下能連續(xù)正常起動。應具有軟起動特性，可實現(xiàn)起動過程中輸出電流不大于電機1.4 倍額定電流的正常起動；起動時間可根據(jù)負載特性，由制造商與用

20、戶協(xié)商解決。” ，標準對過載能力的要求為：“過載能力為130%額定負載電流，每 10分鐘允許持續(xù)時間60s,且實現(xiàn)反時限過負荷保護。”實際上，以上兩項要求是有一定關系的，前一項要求是為保證變頻器與電機安全而對啟動過程中電機電流上限的要求，針對不同的電機、負載和變頻器，采用合理的過載能力配置的變頻器，設置合適加速特性曲線和加速時間，可保證變頻器與負載的啟動與加速特性，滿足工藝要求；后一項要求則是對變頻器輸出電流能力的約束，對變頻器設計配置要求造成影響，鑒于各種應用現(xiàn)場的負載設備、工藝要求、投資要求的特殊性，建議對變頻器本身的過載能力進行如下規(guī)定： “在規(guī)定運行條件下，輸出電流的過載能力為120額

21、定負載電流，每間隔10 分鐘的持續(xù)時間1 分鐘，且實現(xiàn)反時限過負荷保護，速斷保護電流不小于 150%額定電流。為滿足負載與工藝特性，有特殊要求的可 由制造商與用戶協(xié)商解決。”苴中. )I 至于反時限過負載保護，其反時限特性宜參照DL/T823-2002微機型反時限電流保護通用技術 條件的第3.9.2款 定子繞組反時限過負荷保護所設定的反時限特性（與 GB6162-85和IEC255 4標 準所規(guī)定的超強反時限保護特性接近）：I 22()-k sr1 BI為變頻器運行輸出電流；IB為基準電流（一般取電機額定電流）；K為反時限常數(shù)（1 - 1000可設定）；ksr為散熱系數(shù)（一般取電機或變頻器運行

22、均允許的長期維持電流與電機額定電流的比，一般在 0.52 ）。6.關于高壓變頻器的保護配置在等同采用IEC61800 4: 2002標準的GB/T 12668.4 2006調(diào)速電氣傳動系統(tǒng) 第4部分一般 要求交流電壓1000V以上但不超過35kV的交流調(diào)速電氣傳動系統(tǒng)額定值的規(guī)定標準的9.3保護接口一節(jié)的“表8 PDS系統(tǒng)的保護功能”提出的關于高壓變頻器的保護配置要求如下：對網(wǎng)側(cè)電源部分保護配置為：斷電缺相保護、電網(wǎng)過壓保護、電網(wǎng)欠壓保護、電網(wǎng)電壓不平衡保 護；對網(wǎng)側(cè)饋線部分保護配置為：過電流保護、過載保護；對變壓器部分的保護配置為：瓦斯保護（油式） 、過熱保護、冷卻介質(zhì)故障保護、油位低（油

23、式）保護；對變流器部分的保護配置為：過電流保護、過載保護、過電壓保護、接地故障保護、冷卻故障 保護、過熱保護、輔助電源故障保護、過程控制通信故障保護、速度反饋信號丟失保護；對電動機部分的保護配置為：電機過壓保護、電機欠壓保護、電機過電流保護、電機過載保護、超速保護、以及繞組過熱、軸承過熱、高強度振動、冷卻故障、潤滑故障等外部保護。而在本標準高壓變頻器通用技術條件中規(guī)定：“為保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行，應提供以下基本保護：輸入瞬態(tài)過電壓保護；輸入工頻過電壓保護；輸入欠電壓保護；輸入過電流保護；輸出瞬 態(tài)過電壓保護；輸出過電壓保護；輸出過電流保護；輸出短路保護；輸出電壓三相不平衡保護；輸 出電流三相不平

24、衡保護；超溫保護；冷卻系統(tǒng)故障；控制系統(tǒng)故障；速斷保護。”實際上，將 GB/T 12668.4標準與本標準高壓變頻器通用技術條件對保護配置的比對如下表:GB/T 12668.4 2006高壓變頻器通用技術條件保護類型報警跳閘網(wǎng)側(cè)電源保護斷電、缺相XX電網(wǎng)過壓保護XX輸入瞬態(tài)過電壓保護、輸入工頻過電壓保護電網(wǎng)欠壓保護XX輸入欠電壓保護電網(wǎng)電壓小平衡XX網(wǎng)側(cè)饋線保護過電流XX輸入過電流保護:過載XX變壓器保護瓦斯保護（油式）XX可接入外部接口過熱XX冷卻介質(zhì)故障XX油位低（油式）X(X)可接入外部接口變流器保護過電流XX輸出過電流保護、輸出短路保護、速斷保護過載X(X)過電壓XX輸出瞬態(tài)過電壓保護

25、、輸出過電壓保護接地故障Xr（x）冷卻故障X(X)冷卻系統(tǒng)故障過熱X(X)超溫保護輔助電源故障XX控制系統(tǒng)故障過程控制通信故障X(X)控制系統(tǒng)故障速度反饋信號丟失X(X)電動機保護電機過壓保護XX電機欠壓保護XX電機過電流XX輸出電壓三相不平衡保護、輸出電流三相不平衡保護過載X(X)輸出電壓三相不平衡保護、輸出電流三相不平衡保護超速XX繞組過熱XX可接入外部接口軸承過熱XX可接入外部接口高強度振動XX可接入外部接口冷卻故障Xpx)可接入外部接口潤滑故障XX可接入外部接口注：“X”表示需設置；“（X） ”表示根據(jù)條件設置。從上表所列的兩個標準的保護功能配置比較可見，本標準高壓變頻器通用技術條件的保護 配置雖已完全覆蓋 GB/T 3859.1 1993半導體變流器 基本要求的規(guī)定中對保護的規(guī)定的幾種保 護功能（