高压变频器在济钢大功率风机、泵中的应用

济钢高压风机水泵调速系统

    我国高压电动机多为6kV和10kV，在济钢老厂区进线电源为6kV，高压电机调速大多为直接启动和液力偶合器调速；新建厂区进线电源电压为 10kV，在高压风机调速系统中，采用液力耦合器调速方式。直接起动或降压起动非但起动电流大，造成电网电压降低，影响其它电气设备的正常工作;而且主轴的机械冲击大，易造成疲劳断裂，影响机械寿命。当电网容量不够大时，甚至有可能起动失败。液力耦合器在电机轴和负载轴之间加入叶轮，调节叶轮之间液体（一般为油）的压力，达到调节负载转速的目的。这种调速方法实质上是转差功率消耗型的做法，节能效果并不是很好，而且随着转速下降效率越来越低、需要断开电机与负载进行安装、维护工作量大，过一段时间就需要对轴封、轴承等部件进行更换，现场一般较脏，显得设备档次低，属淘汰技术。

    一般说来，使用高压（中压）变频调速系统对于风机、水泵类负载有两个重要特点：第一，由于消除了阀门（或挡板）的能量损失并使风机、水泵的工作点接近其峰值效率线，其总的效率比液力耦合器提高25％～50％；第二，高压（中压）变频调速起动性能好，使用高压变频器，就可实现“软”起动。变频装置的特性保证了起动和加速时具有足够转矩，且消除了起动对电机的冲击，保证电网稳定，提高了电机和机械的使用寿命。

    现以济钢三炼钢为例，来分析高压（中压）变频器在实际生产中的节能效果。在济钢三炼钢厂共使用了10台高压除尘电机，装机容量合计23.1MW，占三炼钢总装机容量的40％。而从现场实际监测到的工作电流其比重更高，电流值见表1，风机类负载要占总容量的60%。而高压变频器比液力耦合器效率可以提高25％～50％，按每月风机节能20％计算，每月总电量可以降低8％，三炼钢每月电费1000万元，这样每年可以降低成本近80多万元，从上述粗略计算来看，高压（中压）变频调速在济钢高压风机、水泵的应用，前景广泛，节能效果巨大。

表1  济钢第三炼钢厂风机电流比值

高压变频器应用现状

    虽然由于电压高、功率大、技术复杂等因素，高压变频器的产业化在80年代中期才开始形成，但随着大功率电力电子器件的迅速发展和巨大市场的推动力，高压变频器近十多年的发展非常迅速，使用器件已经从SCR、GTO、GTR发展到IGBT、IGCT、IGET和SGCT，功率范围从几百千瓦到几十兆瓦。技术上已经成熟，可靠性得到保障，使用面越来越广。高压变频器可与标准的中、大功率交流异步电动机或同步电动机配套，组成交流变频调速系统，用来驱动风机、水泵、压缩机和各种机械传动装置，达到节能、高效、提高产品质量的目的。

    近年来，各种高压变频器不断出现，高压变频器到目前为止还没有像低压变频器那样近乎统一的拓扑结构。根据高压组成方式可分为直接高压型和高—低— 高型，根据有无中间直流环节来分，可以分为交—交变频器和交—直—交变频器，在交—直—交变频器中，按中间直流滤波环节的不同，可分电压源型和电流源型。下面将对目前使用较为广泛的几种高压变频器进行分析，指出各自的优缺点。

1 高—低—高型变频器 
    变频器为低压变频器，采用输入降压变压器和输出升压变压器实现与高压电网和电机的接口，这是当时高压变频技术未成熟时的一种过渡技术。由于低压变频器电压低，电流却不可能无限制的上升，限制了这种变频器的容量。由于输出变压器的存在，使系统的效率降低，占地面积增大；另外，输出变压器在低频时磁耦合能力减弱，使变频器在启动时带载能力减弱。对电网的谐波大，如果采用12脉冲整流可以减少谐波，但是满足不了对谐波的严格要求；输出变压器在升压的同时，对变频器产生dv/dt也同等放大，必须加装滤波器才能适用于普通电机，否则会产生电晕放电、绝缘损坏的情况。西门子公司早期生产这种结构的变频器，目前已停止生产，仅提供备件。

2 电流源型高压变频器
    输入侧采用可控硅进行整流，采用电感储能，逆变侧用SGCT作为开关元件，为传统的两电平结构。由于器件的耐压水平有限，必须采用多个器件串联。器件串联是一种非常复杂的工程应用技术，理论上说可靠性很低，但有的公司可以做到产品化的地步。由于输出侧只有两个电平，电机承受的dv/dt较大，必须采用输出滤波器。电网侧的多脉冲整流器为可选件，用户需要针对自己的工厂情况提出要求。这种变频器的主要优点是不需要外加电路就可以将负载的惯性能量回馈到电网。电流源型变频器的主要缺点是电网侧功率因数低，谐波大，而且随着工况的变化而变化，不好补偿。电流源型高压变频器代表厂商是AB公司。

3 电压源型三电平变频器
    变频器采用二极管整流，电容储能，IGBT或IGCT逆变。三电平的逆变形式，采用二极管箝位的方式，解决了两个器件串联的难题，技术上比两个器件简单直接串联容易，同时，增加了一个输出电平，使输出波形比两电平好。这种变频器的主要问题是：由于采用高压器件，输出侧的du/dt仍旧比较严重，需要采用输出滤波器。由于受到器件耐压水平的限制，最高电压只能做到4160V，要适应6kV和10kV电网的需要，更换电机是一种做法，但是造成故障时向电网旁路较麻烦。对于6kV电机有一种变通做法，就是将电机由星型接法改为角型接法，这样电机的电压就变为3kV；这种做法使电机的环流损耗上升，国内已经有烧毁电机的事例，有可能与此有关。三电平变频器一般采用12脉冲整流方式。电压源型三电平变频器代表厂商ABB、西门子公司等。

4 功率模块串联多电平变频器
    变频器采用低压变频器串联的方式实现高压输出，是电压源型变频器。它的输入侧采用移相降压型变压器，实现18脉冲以上的整流方式，满足国际上对电网谐波的最严格的要求。在带负载时，电网侧功率因数可达到95%以上。在输出侧采用多级PWM技术，dv/dt小，谐波少，满足普通异步电机的需要。可根据负载的需要设计变频器的输出电压，是解决6kV、10kV电机调速的较好办法。功率电路采用标准模块化设计，更换简单，所用器件在国内采购也比较容易。这种变频器采用低压IGBT作为逆变元件，与采用高压IGBT的三电平变频器相比，功率元件数目较多，但技术上较成熟。与采用高压IGCT的三电平变频器相比，功率元件数目较多，但总元件数目却较少，因为IGCT需要非常复杂的辅助关断电路。由于整流变压器与功率模块的连线较多，因此变压器不能与变频器分开放置，在空间有限的场合不是很灵活。功率模块串联多电平变频器代表厂商西门子罗宾康公司、利德华福公司等。

5 高压变频器应用综述
    电流源型变频器技术成熟，且可四象限运行，但由于在高压时器件串联的均压问题，输入谐波对电网的影响和输出谐波对电机的影响等问题，使其应用受到限制。而且变频器的性能与电机的参数有关，通用性差，电流的谐波成分大，污染和损耗较大，且共模电压高，对电机的绝缘有影响。AB公司 Power Flex 7000系列采用耐压值为6.5kV的SGCT管，最高电压也仅做到6.6kV。

    电压源型变频器由于采用高压器件，输出侧的dv/dt比较严重，需要采用输出滤波器。由于受到器件耐压水平的限制，最高电压只能做到4160V。

    单元串联多电平PWM电压源型变频器具有对电网谐波污染小、输入功率因数高、不必采用输入谐波滤波器和功率因数补偿装置。输出波形好，不存在由谐波引起的电动机附加发热和转矩脉动、噪声、输出dv/dt、共模电压等问题，可以使用普通的异步电动机。单元串联多电平变频器的输出电压可以达到 10kV，甚至更高。

    比较以上三种类型高压变频器，由于单元串联式多电平变频器的输入、输出波形好，对电网的谐波污染小，输出适用普通电动机，近几年来发展迅速，逐渐成为高压变频调速的主流方案。我国高压电动机多为6kV和10kV等级，目前三电平变频器受到器件耐压的限制，尚难以实现这个等级的直接高压输出，而单元串联式多电平变频器的输出电压能够达到10kV甚至更高，所以在我国得到广泛应用，尤其在风机水泵等节能领域，几乎形成垄断的态势。在济钢所使用的高压电机均为电压等级为10kV和6kV的普通笼型异步电动机，单元串联多电平电压源型变频器是最合适的选择。

单元串联多电平变频器原理、技术优点及厂家技术特点

1 单元串联多电平变频器原理 
（1）单元串联多电平变频器采用若干个独立的低压功率单元串联的方式来实现高压输出，其原理如图1 所示。

图1  电压叠加原理

（2）以6kV输出电压等级为例，其变频器主电路拓扑结构如图2所示。

图2  主电路拓扑结构

（3）电网电压经二次侧多重化的隔离变压器降压后给功率单元供电，功率单元为三相输入，单相输出的交—直—交PWM电压源型逆变器，见图3。

图3  功率单元结构 

    原理综述，将相邻功率单元的输出端串接起来，形成Y联结结构，实现变压变频的高压直接输出，供给高压电动机。每个功率单元分别由输入变压器的一组二次绕组供电，功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘。对于额定输出电压为6kV的变频器，每相由5个额定电压为690V的功率单元串联而成，输出相电压最高可达3450V，线电压可达6kV左右。每个功率单元承受全部的输出电流，但只提供1/5的相电压和1/l5的输出功率，所以，单元的电压等级和串联数量决定变频器输出电压，单元的额定电流决定变频器输出电流。由于采用整个功率单元串联，所以不存在器件串联引起的均压问题。

2 单元串联多电平变频器技术优点

    自西门子罗宾康公司1994年推出第一台变频器以来，经过十多年的不断发展，单元串联多电平变频器逐渐形成以下几项比较完备的技术。

（1）输入变压器多重化设计

    输入变压器实行多重化设计，达到降低谐波电流的目的。输入功率因数高，不必采用输入谐波滤波器和功率因数补偿装置。以6kV变频器为例，变压器的 15个二次绕组，采用延边三角形联结，分为5个不同的相位组。互差12°，形成30脉波二极管整流电路结构，所以理论上29次以下的谐波都可以消除，输入电流波形接近正弦波。总的谐波电流失真可低于1％。 

（2）逆变器输出多电平移相式PWM技术

    在PWM调制时，采取移相式PWM，即同一相每个单元的调制信号相同，而载波信号互差一个电角度且正反成对。这样每个单元的输出是同样形态的 PWM波，但彼此相差一个角度。叠加以后输出电压的等效开关频率大大增加。改变参考波的幅值和频率，即可实现变压变频的高压输出。实际上，为了提高电源利用率，参考波并非严格的正弦波，而是注入了一定的三次谐波，形成“马鞍型”的波形。 

（3）功率单元旁路技术

    在每个功率单元输出端T1、T2并联一个双向晶闸管（或反并联两个SCR）。当功率单元发生故障，封锁该单元，然后让SCR导通，形成旁路。旁路后，电路仍可继续工作，只是输出电压略有下降。如果负载十分重要，可以进行冗余设计，安装备用功率单元。功率单元旁路技术大大提高了单元串联多电平变频器的可靠性，在很大程度上弥补了元气件个数多导致可靠性降低的问题。

3 单元串联多电平变频器厂家技术性能特点

    单元串联多电平电压源型变频器由美国罗宾康公司发明并申请专利，取名为完美无谐波变频器。由于罗宾康公司的专利申请仅在美国，在我国该技术属于公知技术，北京利德华福等公司生产的高压变频器也是采用这种结构。除了上述两家外，国内外有TMEIC（东芝、三菱）、富士、东方日立等许多厂家生产该类型变频器。

    下面就以罗宾康、利德华福、TMEIC三家高压变频器的性能指标来进行比较，选择适合国内目前电网和设备实际情况的产品，三家变频器性能见表2所示。

表2  变频器性能比较

比较三家变频器性能，高压变频器有如下特点：

    （1）控制方式基本可以做到无编码器矢量控制模式；
    （2）单元旁路功能不断完善，尤其是罗宾康公司的中心点偏移方案更安全；
    （3）高压变频器的价格不断下降，对于国内企业不是可望不可及的事情。 

    如果考虑成本等因素，国产公司的变频器为首选，而且目前国内主要高压变频器配套产业，如多脉冲整流变压器，大容量电解电容器，散热器，高压软电缆等基本成熟，维护成本也会很低。如果不考虑成本的因素，自第一台单元串联多电平变频器推出以来，在该技术领域，罗宾康公司一直处于领先地位，而且每年 500台的销售业绩，也说明该公司产品的优良技术性能。

结束语

    高压电机利用高压变频器可以实现无级调速，满足生产工艺过程对电机调速控制的要求，以提高产品的产量和质量，又可大幅度节约能源，降低生产成本。虽然一次性投资高，但是投资一般在2～３年内可以收回。高压（中压）变频器在济钢的高压风机、水泵电机系统中一旦应用不但节能效果会非常显著，而且对于济钢循环经济的发展意义深远。