1 引言 我國(guó)的各類電動(dòng)機(jī)的裝機(jī)容量在4億KW以上，而高壓電動(dòng)機(jī)的總裝機(jī)容量在1.5億KW以上，其中一半以上是拖動(dòng)風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載的電動(dòng)機(jī)，裝機(jī)容量在0.8億KW左右。這些電動(dòng)機(jī)大都為6KV或10KV電壓等級(jí)，它們的用電量約占全國(guó)用電量的30%，而這類電動(dòng)機(jī)往往能耗大、效率低，多數(shù)運(yùn)行在電低負(fù)荷區(qū)，加上部分風(fēng)機(jī)、泵需要調(diào)節(jié)流量，如采用通常的風(fēng)門、擋板、閥門調(diào)節(jié)，將使效率將得更低，造成大量的能源浪費(fèi)。 低壓變頻器通過(guò)多年的發(fā)展，技術(shù)成熟，可靠性高，得到了廣大用戶的普遍認(rèn)可，因此在低壓電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)方面得到了廣泛應(yīng)用，也取得了很好的調(diào)節(jié)與節(jié)能效果。隨著電力電子技術(shù)和微處理器技術(shù)的發(fā)展，到上世紀(jì)90年代，6KV、10KV等級(jí)的高壓變頻調(diào)速裝置的研制生產(chǎn)成為可能，經(jīng)過(guò)近10年的發(fā)展，高壓變頻技術(shù)進(jìn)展非?？?，產(chǎn)品穩(wěn)定性和可靠性達(dá)到使用程度，市場(chǎng)趨于成熟。尤其是單元串聯(lián)多電平方式的高壓變頻調(diào)速裝置，因其采用低壓變頻成熟技術(shù)，單元串聯(lián)易于實(shí)現(xiàn)冗余，輸出波形完美，適用普通電動(dòng)機(jī)、性價(jià)比高等特點(diǎn)而得到用戶的認(rèn)可。 目前，電氣傳動(dòng)技術(shù)正面臨著一場(chǎng)歷史性的革命，即交流調(diào)速取代其它調(diào)速及計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)取代模擬控制技術(shù)已成為發(fā)展趨勢(shì)。電機(jī)交流調(diào)速技術(shù)是當(dāng)今節(jié)電、改善工藝流程以提高產(chǎn)品質(zhì)量和改善環(huán)境、推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步的一種主要手段。變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速、起動(dòng)和制動(dòng)性能、高效率、高功率因數(shù)和節(jié)電效果，廣泛的適用范圍及其它許多優(yōu)點(diǎn)而被國(guó)內(nèi)外公認(rèn)為是最有發(fā)展前途的調(diào)速方式。 2 變頻調(diào)速節(jié)能原理 電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速運(yùn)行除了能夠滿足生產(chǎn)工藝要求進(jìn)行調(diào)速之外，還有很好的節(jié)能效果。這部分節(jié)能并不是因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)在調(diào)速運(yùn)行時(shí)能夠有節(jié)能效果，主要是因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)拖動(dòng)的負(fù)載在調(diào)速運(yùn)行時(shí)所需的功率根據(jù)運(yùn)行的轉(zhuǎn)速有大的變化，變頻調(diào)速因其在大部分調(diào)速范圍內(nèi)效率都很高所以節(jié)能效果明顯。 例如對(duì)于風(fēng)機(jī)負(fù)載，為了滿足風(fēng)量的要求，采用節(jié)流調(diào)節(jié)時(shí)，風(fēng)機(jī)不能在高效率點(diǎn)運(yùn)行，自身消耗功率增加，同時(shí)節(jié)流裝置損失了一部分風(fēng)機(jī)輸出的功率，所以雖然風(fēng)機(jī)輸出的實(shí)用功率有所降低，甚至是大幅度降低，但是風(fēng)機(jī)的輸入功率變化不大，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的效率因此大幅度降低；采用變頻調(diào)節(jié)后，不存在節(jié)流裝置的功率損失，可以使風(fēng)機(jī)能始終運(yùn)行在高效率點(diǎn)附近，同時(shí)變頻調(diào)節(jié)自身效率比較高，所以能使整個(gè)系統(tǒng)的效率維持在較高的水平，電動(dòng)機(jī)消耗的功率基本上只隨著輸出實(shí)用功率的變化而線形變化。 對(duì)于風(fēng)機(jī)和泵類負(fù)載，由流體力學(xué)知識(shí)可知，其輸出的功率與其轉(zhuǎn)速的三次方成正比，所以當(dāng)其轉(zhuǎn)速減小時(shí)，其能耗也隨著轉(zhuǎn)速以三次方的速率下降，因此節(jié)能效果非常明顯。 3 高、低壓變頻器的可靠性比較 人們的傳統(tǒng)概念中，總是認(rèn)為低壓變頻器無(wú)論是在功率器件還是在控制方面技術(shù)成熟，安全可靠；高壓變頻器是個(gè)新事物，高壓功率器件耐壓不夠，串并聯(lián)技術(shù)不成熟，控制電路復(fù)雜，沒(méi)有經(jīng)過(guò)市場(chǎng)的應(yīng)用檢驗(yàn)，可靠性不高，有時(shí)為了實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)目的，寧愿通過(guò)降壓變壓器降壓并采用低壓電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，增加了費(fèi)用，降低了效率。這是人們的誤解，以下就幾個(gè)方面做一下低壓變頻器和單元串聯(lián)多電平方式的高壓變頻器的可靠性比較。 1.功率元器件 單元串聯(lián)多電平方式的高壓變頻器采用的功率元器件一般是1700V等級(jí)的IGBT，這個(gè)耐壓等級(jí)的IGBT是低壓變頻器中常用且被證明是成熟可靠的元器件。 2.控制技術(shù) 單元串聯(lián)多電平方式的高壓變頻器中的每個(gè)功率單元都是一個(gè)三相輸入、單相輸出的低壓變頻器，驅(qū)動(dòng)和控制技術(shù)同樣成熟可靠。 3.元器件數(shù)量 從理論上講，原器件數(shù)量越多，可靠性越低。在這個(gè)意義上講，單元串聯(lián)多電平方式的高壓變頻器元器件數(shù)量大大高于低壓變頻器。 4.電路冗余 有冗余設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可靠性大大高于無(wú)冗余設(shè)計(jì)的系統(tǒng)；低壓變頻器一般只有一個(gè)逆變橋，很難實(shí)現(xiàn)冗余設(shè)計(jì)，單元串聯(lián)多電平方式的高壓變頻器的每一相均有多個(gè)單元的輸出串聯(lián)構(gòu)成，每個(gè)單元均可自身旁路，因此相互之間可以實(shí)現(xiàn)冗余設(shè)計(jì)，可靠性大為提高。在這個(gè)意義上講，單元串聯(lián)多電平方式的高壓變頻器的可靠性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于低壓變頻器，尤其是實(shí)現(xiàn)了單元在線可更換功能的MAXF系列高壓變頻器可靠性更加突出。 5.對(duì)電源波動(dòng)的適應(yīng)性 低壓變頻器的控制電源一般取自功率電源，對(duì)電網(wǎng)電壓的適應(yīng)性差，因電網(wǎng)電壓短時(shí)過(guò)低或電網(wǎng)出現(xiàn)閃變而引起變頻器跳機(jī)的事件時(shí)有發(fā)生。單元串聯(lián)多電平方式的高壓變頻器的功率電源和控制電源是各自獨(dú)立的，一般控制電源為交直流輸入，同時(shí)還有UPS或蓄電池備用輸入，可靠性極高，控制部分不會(huì)停止工作，當(dāng)功率電源電壓短時(shí)過(guò)低或電網(wǎng)出現(xiàn)閃變時(shí)，高壓變頻器停止輸出，在功率電源恢復(fù)至正常范圍內(nèi)后，高壓變頻器可以迅速將電機(jī)轉(zhuǎn)速恢復(fù)至原有水平，避免跳機(jī)事件的發(fā)生。 綜上所述可以看出，如果說(shuō)單元串聯(lián)多電平方式的高壓變頻器的可靠性沒(méi)有低壓變頻器高的話，至少不必低壓變頻器可靠性低。 4 MAXF系列高壓變頻調(diào)速裝置簡(jiǎn)介 上海科達(dá)機(jī)電控制有限公司研制生產(chǎn)的MAXF系列高壓變頻調(diào)速裝置為6KV、10KV等級(jí)的電壓源型高壓變頻器，調(diào)頻范圍5-60Hz，采用功率單元串聯(lián)實(shí)現(xiàn)多電平輸出（完美無(wú)諧波），每個(gè)功率單元都是由IGBT構(gòu)成的三相輸入、單相輸出的脈寬調(diào)制型變頻器，多個(gè)功率單元的單相輸出移相疊加形成近似正弦的輸出電壓波形，容量范圍從200KVA至9600KVA，無(wú)輸出變壓器，不需要濾波裝置，對(duì)電機(jī)無(wú)特殊要求；具有運(yùn)行穩(wěn)定、調(diào)速范圍寬、輸出波形好、輸入電流諧波含量低及效率高等特點(diǎn)。 MAXF系列高壓變頻調(diào)速裝置主要由移相整流變壓器、逆變功率單元和主控制器三部分組成。功率單元的個(gè)數(shù)根據(jù)不同的電壓等級(jí)有所不同，6KV系統(tǒng)每相為5個(gè)單元串聯(lián)，10KV系統(tǒng)每相為8個(gè)單元串聯(lián)。 5 MAXF高壓變頻調(diào)速裝置的性能特點(diǎn) MAXF高壓變頻調(diào)速裝置具有如下性能特點(diǎn)： 1.單元可在線更換，MAXF系列高壓變頻調(diào)速裝置采用了單元插拔結(jié)構(gòu)，允許在裝置運(yùn)行過(guò)程中在線更換故障單元（國(guó)際首創(chuàng)），大大提高了裝置的可靠性和連續(xù)運(yùn)行能力。 2.采用無(wú)極性電力電容，MAXF系列高壓變頻調(diào)速裝置率先采用了無(wú)極性電力電容代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電解電容。 無(wú)極性電力電容與電解電容相比具有不需串聯(lián)、電壓過(guò)載能力強(qiáng)、發(fā)熱低、使用壽命長(zhǎng)（無(wú)極性電容典型壽命超過(guò)20年，電解電容典型壽命5年）、不需要均壓措施等顯著優(yōu)點(diǎn)。此外，更換電容的成本和工程費(fèi)用也較高，采用無(wú)極性電力電容降低了裝置的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。 3.變頻裝置的自動(dòng)重合閘功能，MAXF系列高壓變頻調(diào)速裝置能在電網(wǎng)切換或自動(dòng)重合閘后，自動(dòng)快速回到切換或重合閘之前的運(yùn)行狀態(tài)，保持不間斷運(yùn)行。裝置具有旋轉(zhuǎn)投入能力，在高壓消失期間，連續(xù)檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、殘壓大小及殘壓相位，高壓恢復(fù)后，裝置能在電動(dòng)機(jī)任何轉(zhuǎn)速下自動(dòng)將變頻裝置投入繼續(xù)運(yùn)行。 4.單元快速電子旁路功能，MAXF系列高壓變頻調(diào)速裝置的功率單元采用快速電子旁路線路，而不是機(jī)械式的接觸器線路，這使得單元旁路的動(dòng)作完成時(shí)間小于20uS，消除了因?yàn)閱卧月吩斐傻碾妷翰▌?dòng)，保證可靠旁路。 5.dv/dt抑制線路，MAXF系列高壓變頻調(diào)速裝置的每個(gè)功率單元都配置了dv/dt抑制線路以降低輸出dv/dt，有效保護(hù)電動(dòng)機(jī)絕緣，降低對(duì)電網(wǎng)和其它設(shè)備的干擾，同時(shí)也是抑制高次諧波的措施，減小電動(dòng)機(jī)損耗。 6.戶外循環(huán)通風(fēng)，MAXF系列高壓變頻調(diào)速裝置采用戶外循環(huán)通風(fēng)，裝置安裝室內(nèi)不需加裝空調(diào)設(shè)備，裝置采用離心式風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)系統(tǒng)1：1備用并能夠自動(dòng)切換，安全可靠。 7.單元升降機(jī)構(gòu)，每套變頻裝置均配備一套安裝在裝置柜體上的單元電動(dòng)升降機(jī)構(gòu)，以方便單元的維護(hù)和更換。 8.輸出電纜長(zhǎng)度不受限制，高壓變頻調(diào)速裝置與電動(dòng)機(jī)之間的連接電纜長(zhǎng)度沒(méi)有限制。 6MAXF系列高壓變頻調(diào)速裝置和國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品的性能比較 MAXF系列高壓變頻調(diào)速裝置同國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品的性能比較見(jiàn)下表： 項(xiàng)目MAXF系列高壓變頻調(diào)速裝置國(guó)外同類產(chǎn)品國(guó)內(nèi)同類產(chǎn)品 變頻器效率>98.5%>98.5%>98.5% 裝置效率（包括變壓器）>96%>96%>96% 功率因數(shù)>0.95>0.95>0.95 諧波含量<5%<5%<5% 輸入電壓范圍+15%/-30%+15%/-15%+15%/-30% 輸出dv/dt<600V/uS1200～1800V/uS— 過(guò)載能力1.20倍1.10倍1.20倍 穩(wěn)頻精度0.1%0.2%— 環(huán)境溫度要求-5～45℃0～40℃0～40℃ 單元自動(dòng)旁路有有有 單元在線更換有無(wú)無(wú) 電力電容無(wú)極性電力電容電解電容電解電容 電容壽命>20年5年5年 占地面積小較小較大 由以上比較可以看出，單元的在線可更換與無(wú)極性電力電容的應(yīng)用是MAXF系列高壓變頻調(diào)速裝置有別于國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品的主要特征，這些特征大大提高了產(chǎn)品的可靠性，減少了產(chǎn)品的后期使用維護(hù)費(fèi)用。 7 MAXF系列高壓變頻調(diào)速裝置的應(yīng)用實(shí)例 1.MAXF高壓變頻調(diào)速裝置在十里泉電廠補(bǔ)水泵上的應(yīng)用 十里泉發(fā)電廠目前由三十公里外的水源地供水，水源地共裝有五臺(tái)水泵，均由560KW/6KV的高壓電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，多數(shù)情況下開(kāi)1-2臺(tái)泵運(yùn)行就可以滿足發(fā)電要求，采用手動(dòng)節(jié)流調(diào)節(jié)方法控制水量。如果節(jié)流閥開(kāi)度不大、并且水量足夠，則停一臺(tái)水泵；如果節(jié)流閥全開(kāi)仍不能滿足水流量要求，則再開(kāi)啟一臺(tái)水泵。由于管道長(zhǎng)達(dá)三十公里、且節(jié)流閥始終處于調(diào)節(jié)狀態(tài)，如選擇一臺(tái)水泵進(jìn)行變頻調(diào)速改造，節(jié)流閥全開(kāi)，實(shí)現(xiàn)恒水壓控制，則不但具有良好的節(jié)能效果，泵站的控制特性也大為改善，同時(shí)可以避免啟停泵時(shí)管道壓力的大幅度波動(dòng)。 2003年11月，MAXF700-6000/750高壓變頻調(diào)速裝置在泵站#3泵上順利投運(yùn)，高壓變頻投入運(yùn)行后，節(jié)流閥全開(kāi)，采用遠(yuǎn)方自動(dòng)恒水壓控制方式，多數(shù)情況下，變頻器運(yùn)行在40Hz左右，功率約270KW，高壓側(cè)輸入電流30A不到，而50Hz定速運(yùn)行時(shí)功率約為530KW，高壓輸入電流為60A左右。經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，變頻器運(yùn)行在42Hz上下，平均功率約為320KW，與50Hz定速運(yùn)行530KW比較，平均節(jié)電率39.6%，年節(jié)電約151萬(wàn)度。由于泵站使用網(wǎng)電，電價(jià)較貴，故一年左右即收回投資。2004年，該廠又進(jìn)行該廠南水源的一臺(tái)水泵的高壓變頻改造。 2.MAXF高壓變頻調(diào)速裝置在烏石化煉油廠常減壓裝置油泵上的應(yīng)用 2004年，烏石化煉油廠對(duì)該廠常減壓裝置上的三臺(tái)油泵進(jìn)行了高壓變頻改造，該廠三臺(tái)電動(dòng)機(jī)分別為200KW/6KV、315KW/6KV和500KW/6KV，分別選用了MAXF300-6000/360、MAXF450-6000/550和MAXF700-6000/750高壓變頻調(diào)速裝置，均順利投運(yùn)。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行考核，比較改造前后的電功率，節(jié)電率為22.4%。投資回收期不到兩年。 3.MAXF高壓變頻調(diào)速裝置在恒華熱電有限公司風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用 恒華熱電有限公司的機(jī)組是熱電聯(lián)供機(jī)組，在項(xiàng)目設(shè)計(jì)中考慮到負(fù)荷的不確定性，在鍋爐引風(fēng)機(jī)630KW/10KV電動(dòng)機(jī)和二次風(fēng)機(jī)355KW/10KV電動(dòng)機(jī)分別采用了MAXF800-10000/920和MAXF475-10000/600高壓變頻調(diào)速裝置，兩臺(tái)裝置均順利投運(yùn)。在并網(wǎng)發(fā)電初期，由于熱用戶較少，鍋爐出力僅為額定的約30%，因此風(fēng)量需求很小，兩臺(tái)變頻裝置均運(yùn)行在低負(fù)荷區(qū)，輸出頻率均不到20Hz，從高壓側(cè)檢測(cè)到的電流僅為1A左右。同期運(yùn)行的送風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)為710KW/10KV，沒(méi)有采用高壓變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)，調(diào)節(jié)方式為節(jié)流調(diào)節(jié)，風(fēng)門開(kāi)度很小，運(yùn)行電流約為30A。由此可見(jiàn)，采用變頻調(diào)節(jié)在新建機(jī)組中使用，尤其是在機(jī)組運(yùn)行初期，節(jié)能效果尤為明顯。即使在機(jī)組正常運(yùn)行期間，變頻調(diào)節(jié)節(jié)能一般達(dá)到20-30%，投資回收期約為2年。 8 采用高壓變頻調(diào)節(jié)的間接經(jīng)濟(jì)效益 采用高壓變頻調(diào)節(jié)除了能夠產(chǎn)生良好的直接經(jīng)濟(jì)效益外，同時(shí)還有以下優(yōu)點(diǎn)： 1.可以實(shí)現(xiàn)空載軟啟動(dòng)，啟動(dòng)峰值電流和啟動(dòng)時(shí)間大為減少，避免因大啟動(dòng)電流造成的絕緣老化及由于大電動(dòng)力矩造成的機(jī)械沖擊對(duì)電機(jī)壽命的影響，減少電機(jī)的維護(hù)工作量，節(jié)約檢修維護(hù)費(fèi)用。 2.對(duì)于容量大的電動(dòng)機(jī)，可以節(jié)省啟動(dòng)裝置的費(fèi)用，通過(guò)變頻驅(qū)動(dòng)直接起動(dòng)。 3.功率因數(shù)得以提高，電流減小，可以省去功率因數(shù)補(bǔ)償裝置，充分利用變壓器系統(tǒng)的容量。 4.節(jié)流調(diào)節(jié)裝置全開(kāi)，減小管道系統(tǒng)內(nèi)流體壓力波動(dòng)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性得到改善。 5.變頻調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié)控制性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于節(jié)流調(diào)節(jié)，有利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的集散控制。 6.變頻調(diào)節(jié)使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速降低，環(huán)境噪音可以得到大大改善。 9 結(jié)束語(yǔ) 單元串聯(lián)多電平高壓變頻調(diào)速裝置的可靠性已經(jīng)達(dá)到可以廣泛應(yīng)用的程度，尤其是實(shí)現(xiàn)的單元在線更換功能和采用了無(wú)極性電力電容的MAXF系列高壓變頻調(diào)速裝置可靠性又有了很大的提高，性價(jià)比高，具有廣泛推廣使用的市場(chǎng)前景。