變頻調速器在電廠高壓設備中的應用1引言交流變頻調速技術及裝置在我國有著突飛猛進的發展,由于變頻調速在頻率范圍、動態響應、低頻轉矩、轉差補償、功率因數、工作效率等方面是以往的交流調速方式無法比擬的,因此在眾多行業有了廣泛的應用,并且在節約能源、改善工藝、提高生產效率等方面發揮了巨大作用,取得了巨大經濟效益。當前,變頻調速技術在高壓大容量傳動中應用的主要難題有兩個：一是我國火力發電廠中大功率電動機供電電壓高,而變頻器開關器件的耐壓水平較低,造成電壓匹配上的難題；二是高壓大容量變頻調速技術含量高、難度大、成本也高,但一般風機水泵等節能用調速裝置都要求低投入高回報,從而造成經濟效益上的難題。這兩個方面阻礙了高壓大容量變頻調速技術的推廣應用,因此如何解決高壓供電和用高技術生產出低成本的變頻器是當前相關行業的競爭熱點。2高壓變頻器的發展概況高壓變頻器產品采用不同措施解決了高耐壓、大容量這一難題。雖然采用的技術不盡相同,但歸納起來主要有兩種：一是采用多重化技術,再就是采用新開發的高耐壓功率器件。2.1多重化技術的應用所謂多重化技術就是每相由幾個低壓pwm功率單元串接組成,各功率單元由一個多繞組的隔離變壓器供電,以高速微處理機和光導纖維實現控制和通信。該技術從根本上解決了一般6脈沖和12脈沖變頻器產生的諧波問題,可實現完美無諧波變頻。其基本原理如下:圖1多重化變頻器拓撲圖圖1為6kv高壓大容量變頻器的拓撲圖,它是由多個低壓功率單元串聯而成,由低壓pwm變頻單元疊加達到高壓輸出的目的。圖2為變頻器的結構原理圖,各個功率單元由輸入隔離變壓器的二次隔離線圈分別供電,每個功率單元額定電壓為690v,每相5個單元串聯,因此相電壓為3.45kv,所對應的線電壓為6kv。給功率單元供電的二次線圈在繞制時互相存在一個12°的相位差,實現輸入多重化,因此可形成相當于30脈沖的整流。由于多重化可消除各單元產生的大多數諧波,對電網的污染可降到很低,并且諧波無功造成的功率因數降低減到最小,在整個負荷范圍內網側功率因數均可保持在0.95以上,不需要配備改善功率因數的電容器。圖2多重化變頻器結構圖圖3為低壓功率單元的結構原理圖,它是由低壓igbt構成的三相輸入單相輸出的脈寬調制型(pwm)變頻器,電壓輸出0～690v可調和頻率0～120hz可調。其輸出電壓為三電平即1,0,-1,每相5個單元疊加就可產生11種不同的電壓等級(±5,±4,±3,±2,±1,0)。因此線電壓即可形成23脈沖的電壓波形,諧波極大減少。變頻器輸出電壓非常接近正弦波形,大大降低了du/dt脈動對電動機繞組的沖擊,減少了電動機的諧波損耗,電機可不降低額定容量使用,同時對電纜的絕緣也無特殊要求。采用多重化技術的變頻器19次以下的諧波幾乎完全消除,所以不需任何輸出濾波器,從本質上就能提供正弦波電壓輸出,而且即使在低速時也能保持很好的輸出正弦波形,不需配置輸出濾波器,因此消除了因諧波造成的電機振動、噪音和溫升等問題。由于諧波大為減少,由諧波引起的電動機功率因數和效率的損失也大為減少,所以變頻部分效率高達98%以上,包括輸入隔離變壓器在內的整個變頻系統的效率也高達96%以上。該類型變頻器適合于高—高方式,由于采用低壓功率器件,所以工作可靠,并且諧波含量極低,對電網影響小,適合于功率在1mw以上的電廠輔機應用。圖3功率單元結構原理圖2.2高耐壓開關器件的應用變頻器中常用的開關器件多為igbt、gtr、gto等,由于制造水平及原材料的原因,使這些器件的耐壓很難達到直接應用于6kv的電壓,因此多采用高耐壓器件。igct(eto)、hv-igbt等耐壓可達4.5kv。目前較多采用專門研制的高耐壓開關器件并以傳統的交流變頻器結構的高壓變頻器。以有代表性的西門子公司產品simovertmv系列為例進行簡要介紹。simovertmv系列變頻器采用傳統的交—直—交變頻器結構,整流部分采用12脈沖或24脈沖二極管整流器,逆變部分采用三電平pwm逆變器。圖4為simovertmv系列變頻器的原理結構圖。由圖4可以看出,該系列變頻器采用傳統的電壓型變頻器結構,通過采用耐壓較高的hv-igbt模塊,使得串聯器件數減少為12個,隨著元件數量的減少,成本降低,方案變得簡潔,從而使柜體尺寸更小,可靠性更高。由于變頻器的整流部分是非線性的,會產生高次諧波,此高次諧波將使電網的電壓和電流波形發生畸變,對電網造成污染。圖4所示的simovertmv系列變頻器的12脈沖整流原理接線圖中,三相橋式整流相當于六相整流,現將兩組三相橋式整流電路用流變壓器聯系起來,其初級繞組結成三角形,次級繞組一組結成三角形,一組結成星形,整流變壓器次級2個繞組的線電壓相同,但2個繞組的線電壓相位相差30°,這樣5次、7次諧波在變壓器的初級將會有180°的相移,因而能夠相互抵消,同樣17、19次也相互抵消。這樣經過2個整流橋的串聯疊加后,即可得到12波頭的整流輸出波形,比6個波頭更平滑,并且每橋的整流二極管耐壓降低一半。采用12相整流電路減少了特征諧波含量,由于n=kp±1（p為整流相數,k為自然數,n為特征諧波的次數）,所以網側特征諧波只有11、13、23、25等。同理采用24脈沖整流電路網側諧波被更進一步抑制。兩種選擇方案均可使輸入功率因數在整個功率范圍內保證在0.95以上,不需功率因數補償電容器。圖4simovertmv系列變頻器的原理結構圖simovertmv系列變頻器的逆變部分采用傳統的三電平方式,所以不可避免地會產生比較大的諧波分量,這是三電平逆變方式所固有的。因此simovertmv系列變頻器的輸出側需要配置輸出濾波器才能用于通用的電動機,否則必須配用西門子的專用電動機。同樣由于諧波的影響,電動機的功率因數和工作效率都會受到一定的影響,只有在額定運行點處才能達到最佳的工作狀態,隨著轉速的降低,工作效率和功率因數都會相應降低。這是該類型高壓變頻器的缺點所在,因而限制了其應用。另外,simovertmv系列變頻器的一個特色是可以提供有源前端(afe),afe也采用三電平技術,因而可以實現電動機的4象限傳動方案,即可以進行雙向電動和能量反饋制動運行。如圖5所示為有源前端的整流器,由于afe反并聯了12個反饋二極管,因此可提供直流環節富余能量回饋電網的通路。有源前端的引入為該系列變頻器在交流傳動的應用提供了較大的空間。圖5有源前端(afe)原理圖兩種類型的高壓變頻器各有優缺點,多重化變頻器能夠提供無諧波的變頻,在對諧波要求比較嚴格的電力系統有著比較大的應用前景,但其缺點目前來說是比較明顯的,即變頻器體積大,安裝不便,造價高。采用高耐壓開關器件的變頻器體積小,可靠性相對較高,但不可否認的是其比較嚴重的諧波污染及對電動機的特殊要求,若考慮輸出濾波器的因素,其造價也不低。所以在應用過程中應根據實際需求選用性價比較高的變頻器。綿3膏變頻嗚器在嚴6k紐v供江電系社統中朱的使食用方暫式嗽由于主整套祥系統疫的要捉求各仇不相句同,苗各地予所用營電動柔機的熊額定烘電壓進、額洲定功肢率也匆就不宗同,待所以裁選用錯的變竟頻器毅和整旗個系巷統的首組成尾方式吉也各湊不相京同。幕為了蝕很好容地滿亭足系怠統的文需求謊,應登該根性據實柳際情藏況選值用性崇能價壯格比秀較好找的變樹頻器眉和系到統組介成方獲式。遷對于課6k眾v供雞電系雖統,先變頻錄器的乖應用霞有如信下幾電種方聰式。擱2.雹1筒高—傳高方議式嬸用額毀定電組壓為繡6k捎v的雜高壓嫩pw興m電赤壓型吉變頻易器直儲接驅蝕動電喂機,歡實現域變頻全調速猜。此擇種方儲式整般體效攏率高演,當污電廠迷輔機擦電機臟容量鼻在1鏈mw貌時應訴用較稱合適互。當蹄電機腎容量除較小領時（滲小于稠70耀0k繁w）遮,采喊用6斥kv鐵高壓意變頻燕器,協價格勺就顯謊得比輛較高行了。姓2.守2由高—奴低—持高方乓式陜用輸標入變合壓器疑將6考kv之高壓扯降為膛60梨0v峽（或豪46拒0v春）,零用低糧壓電彈流源千型變略頻器艱實現欣變頻碼調速醋,再城用輸跌出變藍壓器管升壓翠至6獨kv蓮,以淡控制柿電機弟調速替。此份種方借式較落適合窯中等耀或中站等偏芬下功削率電橡機的嫂應用波(1膀00雷～1捷50畜0k絹w)千,所旗以價憲格比廢較合纖理,押調速僅平穩豆、使顆用可僚靠,綠缺點呈是增教加輸歌出升絕壓變煎壓器楚,系申統效母率略怨微降捆低,款且占凳地面嗚積大痛。適真合的案變頻壤器選難擇范售圍比惑較寬萌。米2.導3貸高—紗中—國中方吃式粥如果應將6臣kv賢的高庭壓電寨機改解裝成計3k六v電透機,謙就可失使用遞3k浮v的例變頻闊器,鄙提高須系統園效率滿,降襖低投風資費眠用,負而性配能與挎直接碌控制漲方式詞相同旋。采濁用多沾重化擦技術怨的變盜頻器看或高棗耐壓擠開關肚器件宇的變帆頻器侄均可逢,選住擇面爺相對徹較寬傷。浴2.轟4咱高—瘦低—匹低方籠式臥當電家機的真功率喜在5盼00遺kw殖以下機時,幣最好參的方掏法是遣選用之低壓尚電機程取代納原有您高壓紛電機鍋。經染輸入黎降壓殲變壓巡器降狼壓后稈,用粉低壓服變頻勞器直嚼接控爽制調脖速。刷此方泥案性建能良杰好,勢變頻父器即扶使加浩上新財電機銷的成嶼套費服用,莫比其皂他方逢式還傲要低浴,而兔且不酒含高兇壓器違件,明維修挎使用列方便繼,變擦頻器爹選擇糖范圍揚很大六。壓4寒變頻逆調速磁技術隊在火棉力發就電廠并中的挖應用貴4.愉1術火電雀廠中紐的節碑能應卷用靈火力該發電逆廠中傷的各桌種動模力設礎備中糊,風蘋機水衫泵類短負載邊占絕托大部滿分。予由于摧各電漸廠調核峰力設度的腔加大層,這擁些設擠備的姻負荷侮變化尋范圍然很大老,所故以必根須實治時調跌節風戲機水曬泵的躬流量霜。目榮前調搭節流浸量的拉方法諸多為痛節流吳閥調敘節,喪由于招這種質調節角方法眠僅僅災是改涌變了孕通道出的通扔流阻虧抗,顆而驅河動源澡的輸僚出功財率并旱沒有利改變噴,所損以浪賺費了因大量撓能源儉。尤朵其現宵在電約力行卷業改輔革不附斷深觸化,局廠網園分開填、競洲價上限網政挖策的撲開展征實施聽,降任低廠松用電撐率、競降低冬發電暑成本益提高悄出廠合電價易的競胳爭力盈,就機成為鐘各個固電廠跨的當窯務之猾急。或采用衡變頻突調速傍技術茶對這巴些輔崖機設包備進符行改方造是離非常印適合乘的,齡而且等節能鍬非常勸明顯閑。云4.那2垃火電狡廠中疼的軟婆起動抗應用朱直接幟起動喚的交券流電稼機因辟起動冰電流施大（丑通常漂為5軍～7各倍的抖額定候電流燕）,憤在很屈短的妖起動汪過程泄中,脅籠型獨繞組翻或阻件尼繞剃組將甚承受近很高文的熱飲應力矮和機況械應企力,第致使片籠條厲（或友導條誦）和差端環天在很喪高的今應力峽作用托下疲概勞斷醒裂。藥直接獅起動誦時的占大電豎流還進會在殖繞組鋒端部面產生傭很大卻電磁飽力,肉使繞舞組端繳部變圍形和殼振動山,造產成定幅子繞血組絕胸緣的毫機械兆損傷公和磨雞損,狼而導甩致定叢子繞督組絕濤緣擊竟穿。肢起動紡時的枯大電終流還獨會造飲成鐵間心振末動,甲使鐵莖心松壟弛,摟引起旱電動業機的搞發熱偉。在母火力駐發電榜廠中奪,高墓壓大嗚容量汪交流嘉異步熊電動隊機應虜用非密常廣猶泛,輸由于師直接稍起動岡所造輕成的豎電動乞機燒電毀和立轉子球斷條劃事故劣,屢仁屢發方生,巷給主覺機設能備的蒼安全閘經濟勸運行謹帶來膝很大兩的威域脅,培因此纖大容塘量異拖步電恒動機派采用字軟起寶動方限式,頭對于存延長棍電動鼠機使革用壽臨命,虹減少歌對電允網的由沖擊諒,保緊證正舒常生刊產是禮非常賄必要甚的。界由于員電動超機在產變頻的起動下過程籮中可票實現炭高起歉動轉增矩并算且平尖滑無米沖擊斬,所旋以采膝用變匯頻器任