1、摘 要 ：本文較詳細地分析了自來水廠應用高、低壓變頻器的幾個問題，包括概況介紹、選用國產佳凌變頻器原因。高壓變頻器特點、主電路介紹、高速功率器件的串聯技術、正弦波技術、抗共模電壓技術、變頻器選型、各種高壓變頻器性能比較、基本規格和主要參數等內容。1 引言啟東自來水廠是啟東市唯一的一家水廠, 擔負全市近30 萬人民的生活用水及生產用水, 責任十分重大 , 因此供水系統的質量、高效、節能是該廠十分關注的一件大事。該廠領導及業務主管早有采用當今先進科技成果，使用變頻調速的打算和安排，分別對一次進水泵及二次清水泵實現變頻調速的意向。經近年的了解、訪問、調研，最后決定選用成都佳靈變頻器。從技術交流、方案

2、選定、草簽合同、設備制造、安裝調試、試運行等過程，歷經半年, 直至 2005 年元月中旬 , 已驗收合格，正式投入運行，交付廠方使用。經啟東市電力測試所的檢測結果，節電率在2030之間 , 合乎對方的要求。故一次性通過驗收，是啟東市政工程一項較大的節能項目, 帶來顯著的經濟效益和一定的社會效益，尤其在目前電力緊張狀況下, 是實現“開源節流”的“根本技術措施” 。2 系統介紹2.1 二次清水泵二次清水泵即可供應合格的自來水，經水泵加壓后，直接送管內供給用戶。該廠有3 臺壓 10kV ，其中 2臺 400kW ，一臺 280kW。平常開400kW 一臺，晚上開280kW 一臺。在夏天高峰流量時要開

3、400kW 一臺，再加 280kW 一臺，供水壓力約3.2kg，過去是采用人工方式調節出口閥門來調節流量（或壓力），顯然這是不經濟的運行方式，亦不及時。而采用變頻調速后，能自動調速，既能做到壓力穩定，節能降耗，又能實現自動閉環PID 調節。設備組成及要求:（ 1） 電動機 Y500-8 ，400kW ，744r/min ，10kV ，31.1A， cos為 0.85;水泵 揚程 39m， 2700m3/h，730r/min;（ 2） 電動機 Y500-8 ，280kW ，744r/min ，10kV ，21.5A， cos為 0.85;水泵 揚程 35m， 2146m3/h，730r/min;

4、（3） 具有工頻變頻自動切換功能。2.2 一次抽水泵一次抽水泵即將河中的水，經泵打入蓄水池，并經處理合格后將水送出。一般水廠布局是一次抽水泵與二次清水泵相距不遠，但啟東自來水廠較特別，二者相距約3km，這樣又如何按出水量需要，來自動控制抽水量，做到經濟合理的運行，不使過大的進水量形成蓄水池的溢出，而浪費電能。過去是靠人工調節閥門控制，以電話聯系方式進行操作，采用變頻器后可實現自動控制調速的方式，能實現節電功效，同時具有及時、有效、省力的好處。但因遠距離通訊信號傳輸既有一定技術難度，又需要初投資關系，所以分兩步走，先解決變頻調速，以電話聯系方式操作，以后再改為遙控方式。目前已預留4 20mA 接

5、口供變頻器使用。設備的組成及要求:（ 1） 185kW 抽水泵 1 臺, 電動機 380V, 337A, 980r/min;抽水泵 : 揚程 22m， 2020m3/h，夜間低谷流量1300m3/h;閥門開度約48%，出口壓力0.26MPa，白天高峰1900 m3/h;閥門開度 98，出口壓力0.18MPa。根據以上分析，夜間流量較小，節電潛力大，白天相對小，經實測結果平均節電率約10，全年運行，選用目的以調速為主。（2） 280kW 抽水泵 1 臺，只有在夏季高峰時使用，時間僅用10 天左右，同時亦作185kW 的備用泵。根據上述工況要求，給予配置280kW 380V 變頻器一套，其輸出可以

6、切換，即“一拖二”方式，既節省投資，又方便使用。（3） 具有工頻變頻自動切換功能。3 選用國產佳靈變頻器原因眾所周知，目前國內低壓變頻器在市場上流通的品牌，國外約40 種之多，國內約60 種之多，可說是琳瑯滿目，目不暇接，難以抉擇。而佳靈牌變頻器是國內首家，從1986 年就開始生產，至今近20 年歷史了，在國內有一定聲望和市場占有率，具有性價比較高和售后服務周到的優勢，故深受用戶青睞和歡迎。所以啟東自來水廠以慧眼識貨的遠見和膽略，具有前瞻性的眼光和賞識，采用了佳靈變頻器。至于高壓變頻器，國外的太貴，國內的都是采用國外的拓撲結構，唯獨成都佳靈牌高壓變頻器是國內獨創，國外無先例，獨辟創新的先進電路

7、，具有電路最簡單、價格最低、體積最小、重量最輕、調試最容易、效率高、經濟實用的特點，深受用戶的歡迎。它于2000 年投產以來，已有幾十家單位在運行，都取得良好的功效。故首選成都佳凌牌高壓變頻器。4 高壓變頻器特性介紹4.1 GY-JCS-10kV/400kW 高壓變頻器特點目前，在世界上交流電動機的傳動領域，低壓變頻調速技術的運用已經比較成熟，但高壓變頻調速技術由于組成變頻器的功率器件耐壓能力所限， 也就造成了現在的高壓變頻器不像低壓變頻器那樣具有成熟的、一致性的拓撲結構。而現今國內的高壓大功率的交流傳動電動機已經成為各大企業的重要生產設備，也是主要的耗電設備。應用高壓變頻調速也就成為各大企業

8、勢在必行的重要措施。組成高壓變頻器的功率器件的耐壓能力在相當長的時間內還不可能滿足高壓變頻調速的需要。這就導致高壓變頻調速發展緩慢，遠遠不如低壓變頻那樣成熟和完善。因此，如何解決高壓變頻器中的功率器件耐壓能力問題，就成了世界性的難題。成都佳靈電氣制造有限公司設計生產的GY 系列高壓變頻器是采用該公司變頻器的成熟技術，貫以最新的控制理論成功設計制造出來的，世界上獨一無二的一種無輸入輸出變壓器，IGBT 直接串聯逆變的高壓變頻調速裝置。其特點如下:（1） 電壓等級為3kV 10kV;（2） 功率器件選用西門子公司九十年代末推出的高壓IGBT 功率模塊直接串聯;（3） 系統自帶專門設計的高壓開關柜，

9、與本身高壓變頻器高效安全配套，并含電子式真空斷路器;（ 4） 高檔的 GY 系列中含有全中文操作界面，基于 Windows 操作平臺，彩色液晶觸摸屏，便于就地監控、設定參數、選擇功能和調試 ;（ 5） 變/工頻切換裝置可按用戶選用配備 ;（6） 高壓主電路與低壓控制電路采用光纖傳輸、安全隔離，系統抗干擾能力強;（7） 控制電路通訊方式采用全數字化通訊, 簡單、可靠 ;（8） 系統的整流單元、逆變單元的設計, 選用組合模塊化積木結構, 整機占地面積小、重量輕，便于安裝、維護 ;（9） 高檔的系統控制采用專用的工業控制計算機，結合PLC 可編程控制技術，使電動機在變頻運行時變流量調節更平滑、穩定，

10、實時過程控制自動化程度高;（10） 裝置可在本機上操作，也可實現遠距離外控，具備完善、方便的操作功能選擇;（11）系統具有標準的計算機通訊接口RS-232 或 RS-422、RS-485，可方便地與用戶 DCS 系統或工控系統組態建立整個系統的工作站，進一步提高系統的自動化控制水平，實現整個工控系統的全閉環監控，從而實現更加完善、可靠的自動化運行;（12） 具備全面的故障監測、可靠的故障報警保護功能;（13） 輸入功率因數高，輸出電壓諧波含量小，無需功率因數補償和諧波抑制器;（14） 輸出電壓為標準正弦波形，對電纜和電動機的絕緣無損害，減輕電動機的軸承和葉片等機械部分震動和磨損，延長電動機的使

11、用壽命，變頻器輸出至電動機的線纜長度可達20km;（15）采用獨特的抗共模電壓技術, 使系統中共模電壓 1000V, 無需再提高電動機的絕緣等級 , 也無需專用電機 ;（16） 易于實現能量回饋和四象限運行，并可直接引出直流進行直流輸電;（ 17） 適用于石油、化工、給排水、電力、冶金、建材、軍事、礦山等行業的高壓電動機變頻調速節能運行;（ 18） 對用戶的高壓異步電動機無任何特殊要求。不但適用于新舊異步電動機，也適用于同步電動機。4.2 主電路簡介由圖 1 可見，系統由電網高壓直接經高壓斷路器進入變頻器，經過高壓二極管全橋整流、直流平波電抗器和電容濾波，再經逆變器變頻變壓，加上正弦波濾波器，

12、簡單易行地實現高壓變頻輸出，直接供給高壓電動機。IGBT 功率器件直接串聯的二電平電壓型高壓變頻器是采用低壓變頻器已有的成熟技術，應用獨特而簡單的控制技術成功設計出的一種無輸入輸出變壓器、IGBT 直接串聯逆變、效率達98的高壓變頻調速系統。4.3 關鍵的核心技術（1） 高速功率器件的串聯技術根據查新，世界各國均未生產出 IGBT 直接串聯的高壓變頻器。佳靈公司運用數十年積累的功底，和為中華民族爭光的決心、勇氣，認為在重大裝備的原創技術上一定要有中國人自己的成果。永遠跟在別人后面學，是不可能成為世界大國的。佳靈人用自己的心血和智慧，利用絕對、相對原理，終于解決了高速功率器件的串聯問題。這不僅用

13、于高壓電機變頻調速，而且可用于柔性輸電系統、城市無功補償、有源濾波、城市電網穩壓、直流輸電等領域。（2） 正弦波技術高壓電機對變頻器的輸出電壓波形有嚴格的要求，佳靈公司為解決變頻器輸出電壓波形，從兩方面著手: 一是優化 PWM 波形 ; 二是研制出特種濾波器。（3） 抗共模電壓技術僅解決IGBT 的串聯，并不能甩掉輸入變壓器。原因在于共模電壓的存在。在低壓變頻器領域，近年來發現的電機軸承損壞，共模電壓就是影響的原因之一，在高壓變頻器的領域中，共模電壓更是必須解決的關鍵問題之一。共模電壓（也叫零序電壓） ，是指電動機定子繞組的中心點和地之間的電壓。以典型的電流源型變頻器（不帶輸入變壓器）為例。由

14、于上下直流母線的濾波電抗器大小相同，而且流過相同的電流，所以每個電抗器上的壓降也相同，因此以接地點G 為參考電平，各點電壓符合以下關系:所以有 : 兩邊都除以2，可得由于整流電路在同一時刻只有兩相同時導通，導致整流電路輸出的直流中點電壓不等于供電電源的中心點電壓， 即 UmG=0 。圖 5 是在晶閘管觸發延遲角為20°時的各點電壓波形。中點電壓 UmG 按照電網電壓三倍的頻率進行變化，在晶閘管觸發延遲角為90°時幅值達到最大。電流源型變頻器逆變器的工作原理與整流器大致相同，因此逆變器輸入直流中點對電動機中心點的電壓EmN 波形與UmG 波形大致相同 , 只是 EmN 的變化

15、頻率為變頻器輸出頻率的三倍, 會隨著變頻器輸出頻率的變化而變化。由于所以，共模電壓。由于輸出頻率一般不等于電網頻率，且不斷變化，因此其組合可以導致共模電壓在某一時刻達到最大值。由于UmG 和EmN的最大值都可以達到額定相電壓峰值的50，所以共模電壓最大可接近相電壓的峰值，如果電源的中心點接地，電動機的機殼也接地，這樣共模電壓就施加到電動機定子繞組的中心點和機殼之間。這樣高的共模電壓使電動機繞組承受的絕緣應力為電網直接運行情況下的2 倍，嚴重影響電動機絕緣。圖6 顯示了一輸出電壓為4160V 的 GTO 電流源型變頻器的共模電壓波形。當沒有輸入變壓器時，共模電壓會直接施加到電動機上，增加繞組對地

16、的電應力，引起絕緣擊穿，影響電動機的使用壽命。如果設置輸入變壓器（變壓器二次側中點不能接地），則共模電壓由輸入變壓器和電動機共同來承擔，按照輸入變壓器一次、二次繞組間的分布電容和電動機繞組對機殼間的分布電容（兩個容抗串聯）進行分配。由于一般輸入變壓器的分布電容大大小于電動機繞組對機殼的分布電容（比如前者為后者的1/10），這樣約90的共模電壓由輸入變壓器來承擔，只要考慮加強輸入變壓器的絕緣，以承受共模電壓即可。比如4160V額定電壓的電動機要求采用10kV的絕緣設計，不能使用標準的異步電動機。要求 6kV電動機可以承受的共模電壓范圍為基波相電壓峰值和共模電壓峰值之和不超過8.7kV 。PWM變

17、頻器的共模電壓含有與開關頻率相對應的高頻分量，高頻的電壓分量會通過輸出電纜和電動機的分布電容產生對地高頻漏電流，影響逆變器功率電路的安全。電動機通過地產生的高頻漏電流，一部分通過定子繞組經定子繞組和轉子間的分布電容，經過軸承再到機殼，然后到地。后者即為軸電流，會引起電動機軸承的“電蝕” ，影響軸承的壽命。由于共模電壓含有高頻高壓成份，在電機線圈與鐵芯之間形成交變電場，而其中的絕緣材料被極化，產生電暈放電，并產生出臭氧，而臭氧是強氧化劑，也是腐蝕劑。加速電機絕緣的擊穿。這也就是為什么有的變頻器只能采用專用電動機。是因為共模電壓未處理好，只能以強化電機絕緣性能來解決。共模電壓也是對外產生干擾的原因，特別是長線傳輸設備。許多用戶的設備應用變頻器后出現了嚴重干擾，總是找不到原因，可考慮共模電壓的問題。無論是電流源還是電壓源變頻器產生共模電壓是必然的。佳靈公司根據共模電壓產生的機理，采取了“堵和疏”的辦法將共模電壓消滅在變頻器內部。由于采用了上述三項核心關鍵技術，使“佳靈”IGBT 直接高壓變頻器的效率達到98以上。輸出電壓正弦化。共模電壓最小化。適用于任何異步電機。同步電機，無需降容使用，幾km 的長線傳輸也無問題。（只是傳輸距離太長時應考慮線路電壓補償。如提高電壓或增大導線截面等）。5 GY 系列高壓變頻器類型GY-JCS 型 :為風機、水泵類負載，