摘 要：針對我國工業企業電機拖動現狀，分析了國內外高壓變頻" title="高壓變頻">高壓變頻裝置的技術特點，提出了國產高壓變頻裝置的應用前景，改變高壓大功率風機、泵類變頻調速" title="變頻調速">變頻調速方式，給社會和企業帶來長遠效益。
關鍵詞：高壓變頻裝置、應用、節能
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，隨著中國經濟的快速發展，能源成為制約經濟增長的瓶頸，節能降耗也就成為國家和企業嚴重關切的問題。在企業電力系統中，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電措施。高壓變頻調速系統以高可靠性、易操作、高性能為設計目的，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速的方式來實現節能，具有效率高、精度高、調速范圍寬、軟啟動等優點，不僅具有顯著的節能效果和調速性能，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的高度關注。
2.高壓變頻節能原理
　　企業生產過程中，流量（風量）調節一般由風門調節、液力耦合器調節和變頻調節三種方式。液力耦合器有5-8%的速度損失，且存在速度控制不穩定、功率因數" title="功率因數">功率因數低、調速精度差、維護量大、二次成本高等缺陷，而變頻調速優勢明顯。針對風機、泵類等負載，變頻調節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—額定轉速，n2—實際轉速，E—理論節電量，P—額定轉速時電機功率，T—工作時間
　　可見，輸出流量Q與轉速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，如調節風門的開度，則會使大量電能白白消耗在閥門及管路系統阻力上，而采用變頻調速調節流量，可使軸功率隨流量的減少大幅度下降。尤其在流量頻繁調節、轉速變化大的工況，節電效果相當明顯。
3.進口高壓變頻裝置的技術特點
　　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，但在國內該電壓等級的電機習慣上稱為高壓電機，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）拓撲結構" title="拓撲結構">拓撲結構，適用于驅動6.0～6.9KV的電機。一般來說，當今最先進的高壓變頻器產品基于以下兩種基本的逆變器拓撲結構：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電流波形。中壓變頻器的開發經過20多年的發展， VSI已成為市場上首選的拓撲結構。其主要優勢為：
　　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構，二極管橋具有高功率因數（一般大于0.95），而CSI拓撲結構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很差，一般都需求額外的補償設備。
　　3.2采用IGCT和DTC相結合技術。IGCT（集成門極換流晶閘管）半導體是一種低損耗的快速功率開關，綜合了IGBT/IEGT傳統半導體技術優點，與使用IGBT的中壓變頻器相比，復雜程度降低，元件數量少、變頻器更加高效可靠。DTC（直接轉矩控制）帶來了最高的轉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）。使用單個多功率設備取代復雜的功率電子電路，實現了部件數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，整個系統的體積減少了50%。
4.國產高壓變頻裝置的發展現狀和技術特點
　　近年來，國產高壓變頻器取得了突飛猛進的發展，以利德華福、東方日立、智光電氣為代表的企業，生產的高壓變頻器可靠性高、性能優越、操作簡便，受到廣大用戶的信賴。目前，以矢量控制技術代表高壓變頻器最高端技術，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，實現對電機轉矩和磁通的解耦控制。國產高壓變頻器的電壓等級為3KV、6KV和10KV，功率最高可達7500KW，國外產品也很少有類似大功率的業績，尤其在2000KW以上國產品牌與跨國公司展開競爭是有優勢的。國產高壓變頻器的原理與進口產品略有不同。
　　4.1主流高壓變頻裝置的基本原理
　　國產高壓變頻器采用交-直-交直接高壓（高-高）方式，主電路開關元件為IGBT。由于IGBT耐壓所限，無法直接逆變輸出6kV、10kV，又因開關頻率高、均壓難度大等技術難題無法完成直接串聯。因此，國產高壓變頻器采用功率單元串聯疊波技術、空間矢量控制的正弦波PWM調制方法。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）采用干式結構，強迫風冷。變壓器原邊為Y型接法，直接與高壓相連。副邊繞組數量依變頻器電壓等級及結構而定，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。
　　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疊波得到。如額定輸出690VAC功率單元五個串聯時產生3450V相電壓，三相輸出Y接，中性點懸浮，得到驅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，旁路柜實現變頻檢修時電機直接投切至工頻電網，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逆變橋構成，同時還包括由功率器件驅動、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，輸出PWM電壓波形。每個功率單元在結構及電氣性能上完全一致，可以互換。
　　4.2國產高壓變頻器采用的技術和特點：
　　l 主回路一般采用SCP技術，實現抗輸出短路;
　　l 采用STT技術（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，故障恢復后能夠自動重啟;
　　l 采用智能化控制，專用雙DSP控制技術，摒棄工控機系統;
　　l 安裝靈活，形式多樣，可戶外和戶內安裝。
5.高壓變頻裝置運行不可靠性來源分析
　　5.1內部因素：
　　l 高壓輸入、輸出回路可能發生的故障，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導致的損壞;
　　l 功率單元箱內功率元器件失效、單元過熱;
　　l 功率單元箱內布線、連接、控制板出現故障;
　　l 裝置內二次配線、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 裝置對偶發性故障（非破壞性故障）的容錯能力;
　　l 控制軟件的設計水平。
　　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 雷電干擾導致裝置正常運行過程中跳機;
　　l 電網電壓波動、閃變導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、電機定子出現故障導致裝置保護停機;
　　l 運行與維護不及時導致的溫升過高問題，告警或保護停機;
　　l 接地電阻過大或接地不良，導致干擾停機;
　　為解決上述問題，對變頻器生產廠家提出了更高的要求，必須按標準設計，不斷提升制造水平，加強產品的出廠試驗和現場調試保證工作，同時提升產品的軟件設計水平，充分考慮各種可能工況設計應對措施。用戶在選擇高壓變頻裝置時應充分考慮到各種不利因素，避免發生故障停機。
6、選擇高壓變頻裝置時應注意的問題
　　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境，需專門為高壓變頻器配套冷卻系統。綜合冷卻系統的投資和運營成本、設備維護量、無故障運行時間，空-水冷卻系統是一種利用高效、環保、節能的冷卻系統。該系統由于其采用完全機械結構設計，較空調等電力、電子設備而言具有明顯的安全、可靠性。空-水冷卻系統的運營成本是同等熱交換功率空調冷卻方式的1/4～1/5。冷卻電耗指標遠遠低于空調冷卻，避免了能源節約的二次浪費。
　　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、最大轉矩，確定變頻器容量;明確電機、電網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，可進行遠程監視、控制。
　　6.5在20-100%的帶載調速范圍內，變頻系統的不加任何功率因數補償的情況下輸入端功率因數能達到0.95以上。
　　6.6變頻裝置輸出波形不會引起電機的諧振，轉矩脈動小于0.1%，變頻器可設置多個共振頻率段并自動跳過共振點。
　　6.7能適應頻繁升降速調速要求,可以針對現場工藝要求實現分段調節（PID調節+前饋調節），實現分段平滑調速。
　　6.8對通訊抗干擾提出特殊要求，在設計電路時嚴格實行強弱電不共地原則。變頻器柜內強電信號和弱電信號分開布置,以避免干擾。
　　6.9變頻裝置對電網電壓的波動有較強的適應能力，在-35%～+15%電網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等關鍵元器件一定要知名品牌，以保證設備的性能穩定。
　　6.11選擇室外型高壓變頻器時防護等級為IP54以上。
　　6.12綜合考慮產品價格、備件供應、售后服務。
7.高壓變頻裝置的推廣應用
　　高壓變頻裝置能否穩定可靠地運行，攸關用戶的節能效果和各種生產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，近年來國產高壓變頻的業績不凡，由于其產品的性價比高、良好的售后服務和靈活的付款方式，受到用戶的一致好評。針對工況變化頻繁，流量和壓力需經常變化的工藝，以及其他需要調速的工況進行技術改造，是相當必要的，克服大馬拉小車（閥門開度較小的工況）現象，會起到明顯的節電效果。尤其是新上工程項目，從方案論證、設計、施工等環節著手，采用高壓變頻調速技術會達到預期的節能目的。
　　高壓變頻裝置的適用范圍非常廣泛，在冶金、發電、石化、水泥、造紙、制藥、市政供水、污水處理等行業，各種引風機、送風機、吸塵風機、凝結泵、排污泵、鍋爐給水泵、循環水泵等需調速大功率的電機，根據工藝要求均可實現高壓變頻調節。
　　某鋼廠轉爐除塵風機1600KW/10KV采用高壓變頻器，由于轉爐周期性間斷吹氧，為滿足節能和環保要求，風機在整個煉鋼工作周期內采用高壓變頻器進行調速變速運行，吹氧時高速運行，不吹氧時低速運行，節能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。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速，改造為高壓變頻調速，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.高壓變頻裝置的應用效益
　　由于能源緊張及生產工藝等各方面的要求，高壓變頻已成為大型生產企業節能工作的必由之路。國產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。高壓變頻裝置的應用，不僅節能，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，可實現電機的軟啟動。
　　據統計，占工業用電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，如采用變頻技術實現變速運行節能效果明顯。以平均節電20%計算，對全國來說，年節電500億度，同時，可相應減少2000萬噸發電用煤、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，并在節能、節電、省人、省力、自動控制、遠程監控等方面效果顯著。
9.結束語
　　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，可見我國生產效率非常低，環境保護形勢嚴峻。變頻調速節能技術被列入國家《十一五十大重點節能工程實施方案》。
　　通過對風機、水泵、壓縮機等通用機械系統節能改造，推廣應用變頻調速節能技術，提高運行效率，是電機系統節能工程的重要工作。
參考文獻：
　　（1）高壓變頻技術 機械工業出版社
　　（2）變頻通訊，北京利德華福，北京昌平區
　　（3）ABB中壓交流變頻器，ABB電氣傳動公司