摘 要：針對(duì)我國(guó)工業(yè)企業(yè)電機(jī)拖動(dòng)現(xiàn)狀，分析了國(guó)內(nèi)外高壓變頻裝置的技術(shù)特點(diǎn)，提出了國(guó)產(chǎn)高壓變頻裝置的應(yīng)用前景，改變高壓大功率風(fēng)機(jī)、泵類變頻調(diào)速方式，給社會(huì)和企業(yè)帶來(lái)長(zhǎng)遠(yuǎn)效益。 關(guān)鍵詞：高壓變頻裝置、應(yīng)用、節(jié)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(guó)的能源形勢(shì)尤其嚴(yán)峻，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源成為制約經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的瓶頸，節(jié)能降耗也就成為國(guó)家和企業(yè)嚴(yán)重關(guān)切的問(wèn)題。在企業(yè)電力系統(tǒng)中，電機(jī)傳動(dòng)約消耗70%電力，改變電機(jī)拖動(dòng)方式無(wú)疑是潛力最大的節(jié)電措施。高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)以高可靠性、易操作、高性能為設(shè)計(jì)目的，通過(guò)對(duì)拖動(dòng)風(fēng)機(jī)、水泵、空氣壓縮機(jī)等高壓大功率電機(jī)變頻調(diào)速的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能，具有效率高、精度高、調(diào)速范圍寬、軟啟動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，不僅具有顯著的節(jié)能效果和調(diào)速性能，而且可以改善工廠的工藝和自動(dòng)化水平，已引起各部門和各企業(yè)的高度關(guān)注。 2.高壓變頻節(jié)能原理 　　企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，流量（風(fēng)量）調(diào)節(jié)一般由風(fēng)門調(diào)節(jié)、液力耦合器調(diào)節(jié)和變頻調(diào)節(jié)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(wěn)定、功率因數(shù)低、調(diào)速精度差、維護(hù)量大、二次成本高等缺陷，而變頻調(diào)速優(yōu)勢(shì)明顯。針對(duì)風(fēng)機(jī)、泵類等負(fù)載，變頻調(diào)節(jié)其流量和功率可用下式表示： 　　 Q[sub]1[/sub]和Q[sub]2[/sub]—流量（風(fēng)量）， p[sub]1[/sub]和p[sub]2[/sub]—所需功率， n[sub]1[/sub]—額定轉(zhuǎn)速，n[sub]2[/sub]—實(shí)際轉(zhuǎn)速，E—理論節(jié)電量，P—額定轉(zhuǎn)速時(shí)電機(jī)功率，T—工作時(shí)間 　　可見(jiàn)，輸出流量Q與轉(zhuǎn)速n成正比，而輸出軸功率P與 n[sup]3[/sup] 成正比。當(dāng)風(fēng)機(jī)風(fēng)量需要改變時(shí)，如調(diào)節(jié)風(fēng)門的開(kāi)度，則會(huì)使大量電能白白消耗在閥門及管路系統(tǒng)阻力上，而采用變頻調(diào)速調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)速變化大的工況，節(jié)電效果相當(dāng)明顯。 3.進(jìn)口高壓變頻裝置的技術(shù)特點(diǎn) 　　因3kV、6kV、10kV電壓均屬中壓范圍，國(guó)際上通稱該電壓等級(jí)的變頻器為中壓變頻器，但在國(guó)內(nèi)該電壓等級(jí)的電機(jī)習(xí)慣上稱為高壓電機(jī)，與之相配的變頻器也就叫高壓變頻器。 　　以ABB公司開(kāi)發(fā)的ACS5000變頻器為例，其采用多電平無(wú)熔斷器電壓源型逆變器（VSI-MF）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，適用于驅(qū)動(dòng)6.0～6.9KV的電機(jī)。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)今最先進(jìn)的高壓變頻器產(chǎn)品基于以下兩種基本的逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：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(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)電流波形。中壓變頻器的開(kāi)發(fā)經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展， VSI已成為市場(chǎng)上首選的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其主要優(yōu)勢(shì)為： 　　3.1無(wú)需外加輸入或輸出濾波器。VSI通過(guò)簡(jiǎn)單的二極管提供了非?？煽俊⑿屎芨叩恼髌魍?fù)浣Y(jié)構(gòu)，二極管橋具有高功率因數(shù)（一般大于0.95），而CSI拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(shù)很差，一般都需求額外的補(bǔ)償設(shè)備。 　　3.2采用IGCT和DTC相結(jié)合技術(shù)。IGCT（集成門極換流晶閘管）半導(dǎo)體是一種低損耗的快速功率開(kāi)關(guān)，綜合了IGBT/IEGT傳統(tǒng)半導(dǎo)體技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，與使用IGBT的中壓變頻器相比，復(fù)雜程度降低，元件數(shù)量少、變頻器更加高效可靠。DTC（直接轉(zhuǎn)矩控制）帶來(lái)了最高的轉(zhuǎn)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(gè)多功率設(shè)備取代復(fù)雜的功率電子電路，實(shí)現(xiàn)了部件數(shù)量降低且緊湊的機(jī)械安排。在相同功率等級(jí)下，與其它可用的解決方案相比，整個(gè)系統(tǒng)的體積減少了50%。 4.國(guó)產(chǎn)高壓變頻裝置的發(fā)展現(xiàn)狀和技術(shù)特點(diǎn) 　　近年來(lái)，國(guó)產(chǎn)高壓變頻器取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，以利德華福、東方日立、智光電氣為代表的企業(yè)，生產(chǎn)的高壓變頻器可靠性高、性能優(yōu)越、操作簡(jiǎn)便，受到廣大用戶的信賴。目前，以矢量控制技術(shù)代表高壓變頻器最高端技術(shù)，大大提高了變頻器的控制性能。矢量控制在國(guó)外多稱為磁場(chǎng)定向控制（Field Orientation Control），其核心思想是，以電機(jī)磁場(chǎng)為坐標(biāo)軸基準(zhǔn)方向，通過(guò)坐標(biāo)變換的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和磁通的解耦控制。國(guó)產(chǎn)高壓變頻器的電壓等級(jí)為3KV、6KV和10KV，功率最高可達(dá)7500KW，國(guó)外產(chǎn)品也很少有類似大功率的業(yè)績(jī)，尤其在2000KW以上國(guó)產(chǎn)品牌與跨國(guó)公司展開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)是有優(yōu)勢(shì)的。國(guó)產(chǎn)高壓變頻器的原理與進(jìn)口產(chǎn)品略有不同。 　　4.1主流高壓變頻裝置的基本原理 　　國(guó)產(chǎn)高壓變頻器采用交-直-交直接高壓（高-高）方式，主電路開(kāi)關(guān)元件為IGBT。由于IGBT耐壓所限，無(wú)法直接逆變輸出6kV、10kV，又因開(kāi)關(guān)頻率高、均壓難度大等技術(shù)難題無(wú)法完成直接串聯(lián)。因此，國(guó)產(chǎn)高壓變頻器采用功率單元串聯(lián)疊波技術(shù)、空間矢量控制的正弦波PWM調(diào)制方法。如圖1所示。 [align=center] 圖1 高壓變頻器6KV系列主電路圖[/align] 　　隔離變壓器（主變壓器）采用干式結(jié)構(gòu)，強(qiáng)迫風(fēng)冷。變壓器原邊為Y型接法，直接與高壓相連。副邊繞組數(shù)量依變頻器電壓等級(jí)及結(jié)構(gòu)而定，一般3kV系列為9個(gè)，6kV系列為15（18）個(gè)，10kV系列為27個(gè)，延邊三角形接法，為每個(gè)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(gè)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(yuǎn)小于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)5%的要求，并且能保持接近1的輸入功率因數(shù)。 　　變頻器輸出是將多個(gè)三相輸入、單相輸出的低壓功率單元的輸出串聯(lián)疊波得到。如額定輸出690VAC功率單元五個(gè)串聯(lián)時(shí)產(chǎn)生3450V相電壓，三相輸出Y接，中性點(diǎn)懸浮，得到驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需的可變頻三相高壓電源。如圖2所示。 [align=center] 圖2 6kV電壓疊加圖[/align] 　　國(guó)產(chǎn)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(shí)現(xiàn)變頻檢修時(shí)電機(jī)直接投切至工頻電網(wǎng)，有自動(dòng)旁路和手動(dòng)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(gòu)成，同時(shí)還包括由功率器件驅(qū)動(dòng)、保護(hù)、信號(hào)采集、光纖通訊等功能組成的控制電路。通過(guò)控制IGBT的工作狀態(tài)，輸出PWM電壓波形。每個(gè)功率單元在結(jié)構(gòu)及電氣性能上完全一致，可以互換。 　　4.2國(guó)產(chǎn)高壓變頻器采用的技術(shù)和特點(diǎn)： 　　l 主回路一般采用SCP技術(shù)，實(shí)現(xiàn)抗輸出短路; 　　l 采用STT技術(shù)（Speed Tracing Technology），對(duì)雷電干擾造成裝置保護(hù)停機(jī)后，干擾消失裝置能夠自動(dòng)重啟;高壓掉電，故障恢復(fù)后能夠自動(dòng)重啟; 　　l 采用智能化控制，專用雙DSP控制技術(shù)，摒棄工控機(jī)系統(tǒng); 　　l 安裝靈活，形式多樣，可戶外和戶內(nèi)安裝。 5.高壓變頻裝置運(yùn)行不可靠性來(lái)源分析 　　5.1內(nèi)部因素： 　　l 高壓輸入、輸出回路可能發(fā)生的故障，如絕緣距離問(wèn)題，刀閘接觸電阻等; 　　l 變壓器本體過(guò)熱以及各種原因?qū)е碌膿p壞; 　　l 功率單元箱內(nèi)功率元器件失效、單元過(guò)熱; 　　l 功率單元箱內(nèi)布線、連接、控制板出現(xiàn)故障; 　　l 裝置內(nèi)二次配線、元器件的可靠性，如電壓/電流傳感器，電源保險(xiǎn)、繼電器回路、二次控制回路可靠等; 　　l 裝置對(duì)偶發(fā)性故障（非破壞性故障）的容錯(cuò)能力; 　　l 控制軟件的設(shè)計(jì)水平。 　　5.2外部因素： 　　l 雷電過(guò)電壓、操作過(guò)電壓對(duì)變壓器繞組、功率半導(dǎo)體器件（電壓敏感性元件）造成破壞性故障或停機(jī); 　　l 雷電干擾導(dǎo)致裝置正常運(yùn)行過(guò)程中跳機(jī); 　　l 電網(wǎng)電壓波動(dòng)、閃變導(dǎo)致裝置功率單元直流母線過(guò)壓或欠壓，裝置告警或保護(hù)停機(jī); 　　l 變頻輸出高壓連接電纜本體、附件、電機(jī)定子出現(xiàn)故障導(dǎo)致裝置保護(hù)停機(jī); 　　l 運(yùn)行與維護(hù)不及時(shí)導(dǎo)致的溫升過(guò)高問(wèn)題，告警或保護(hù)停機(jī); 　　l 接地電阻過(guò)大或接地不良，導(dǎo)致干擾停機(jī); 　　為解決上述問(wèn)題，對(duì)變頻器生產(chǎn)廠家提出了更高的要求，必須按標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，不斷提升制造水平，加強(qiáng)產(chǎn)品的出廠試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試保證工作，同時(shí)提升產(chǎn)品的軟件設(shè)計(jì)水平，充分考慮各種可能工況設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)措施。用戶在選擇高壓變頻裝置時(shí)應(yīng)充分考慮到各種不利因素，避免發(fā)生故障停機(jī)。 6、選擇高壓變頻裝置時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題 　　6.1選擇高壓變頻裝置時(shí)，充分考慮變頻裝置的散熱，同時(shí)要求低溫時(shí)也能正常啟動(dòng)，一般運(yùn)行環(huán)境溫度為-15°C～45°C，最大濕度不超過(guò)95%。 　　6.2為保證變頻器具有良好的運(yùn)行環(huán)境，需專門為高壓變頻器配套冷卻系統(tǒng)。綜合冷卻系統(tǒng)的投資和運(yùn)營(yíng)成本、設(shè)備維護(hù)量、無(wú)故障運(yùn)行時(shí)間，空-水冷卻系統(tǒng)是一種利用高效、環(huán)保、節(jié)能的冷卻系統(tǒng)。該系統(tǒng)由于其采用完全機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，較空調(diào)等電力、電子設(shè)備而言具有明顯的安全、可靠性?？?水冷卻系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)成本是同等熱交換功率空調(diào)冷卻方式的1/4～1/5。冷卻電耗指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于空調(diào)冷卻，避免了能源節(jié)約的二次浪費(fèi)。 　　6.3選擇高壓變頻裝置時(shí)要明確負(fù)載特性：明確負(fù)載屬于單象線還是四象線運(yùn)行;明確電機(jī)升降速時(shí)間、最大轉(zhuǎn)矩，確定變頻器容量;明確電機(jī)、電網(wǎng)電壓等級(jí)和波動(dòng)范圍，確定變頻器進(jìn)出線電壓等級(jí)，變頻器隔離變壓器分接頭電壓參數(shù)等。 　　6.4變頻裝置具備Modbus、TCP/IP、PROFIBUS、DeviceNet等總線通訊接口，可進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視、控制。 　　6.5在20-100%的帶載調(diào)速范圍內(nèi)，變頻系統(tǒng)的不加任何功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)那闆r下輸入端功率因數(shù)能達(dá)到0.95以上。 　　6.6變頻裝置輸出波形不會(huì)引起電機(jī)的諧振，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小于0.1%，變頻器可設(shè)置多個(gè)共振頻率段并自動(dòng)跳過(guò)共振點(diǎn)。 　　6.7能適應(yīng)頻繁升降速調(diào)速要求,可以針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工藝要求實(shí)現(xiàn)分段調(diào)節(jié)（PID調(diào)節(jié)+前饋調(diào)節(jié)），實(shí)現(xiàn)分段平滑調(diào)速。 　　6.8對(duì)通訊抗干擾提出特殊要求，在設(shè)計(jì)電路時(shí)嚴(yán)格實(shí)行強(qiáng)弱電不共地原則。變頻器柜內(nèi)強(qiáng)電信號(hào)和弱電信號(hào)分開(kāi)布置,以避免干擾。 　　6.9變頻裝置對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，在-35%～+15%電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)能滿載輸出。 　　6.10選擇高壓變頻裝置時(shí)，變壓器、風(fēng)機(jī)、IGBT等關(guān)鍵元器件一定要知名品牌，以保證設(shè)備的性能穩(wěn)定。 　　6.11選擇室外型高壓變頻器時(shí)防護(hù)等級(jí)為IP54以上。 　　6.12綜合考慮產(chǎn)品價(jià)格、備件供應(yīng)、售后服務(wù)。 7.高壓變頻裝置的推廣應(yīng)用 　　高壓變頻裝置能否穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，攸關(guān)用戶的節(jié)能效果和各種生產(chǎn)過(guò)程能否正常高效地運(yùn)行。通過(guò)對(duì)高壓變頻用戶的綜合考察，近年來(lái)國(guó)產(chǎn)高壓變頻的業(yè)績(jī)不凡，由于其產(chǎn)品的性價(jià)比高、良好的售后服務(wù)和靈活的付款方式，受到用戶的一致好評(píng)。針對(duì)工況變化頻繁，流量和壓力需經(jīng)常變化的工藝，以及其他需要調(diào)速的工況進(jìn)行技術(shù)改造，是相當(dāng)必要的，克服大馬拉小車（閥門開(kāi)度較小的工況）現(xiàn)象，會(huì)起到明顯的節(jié)電效果。尤其是新上工程項(xiàng)目，從方案論證、設(shè)計(jì)、施工等環(huán)節(jié)著手，采用高壓變頻調(diào)速技術(shù)會(huì)達(dá)到預(yù)期的節(jié)能目的。 　　高壓變頻裝置的適用范圍非常廣泛，在冶金、發(fā)電、石化、水泥、造紙、制藥、市政供水、污水處理等行業(yè)，各種引風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)、吸塵風(fēng)機(jī)、凝結(jié)泵、排污泵、鍋爐給水泵、循環(huán)水泵等需調(diào)速大功率的電機(jī)，根據(jù)工藝要求均可實(shí)現(xiàn)高壓變頻調(diào)節(jié)。 　　某鋼廠轉(zhuǎn)爐除塵風(fēng)機(jī)1600KW/10KV采用高壓變頻器，由于轉(zhuǎn)爐周期性間斷吹氧，為滿足節(jié)能和環(huán)保要求，風(fēng)機(jī)在整個(gè)煉鋼工作周期內(nèi)采用高壓變頻器進(jìn)行調(diào)速變速運(yùn)行，吹氧時(shí)高速運(yùn)行，不吹氧時(shí)低速運(yùn)行，節(jié)能35%以上，大大的降低了噸鋼電耗。電機(jī)實(shí)行了真正的軟啟動(dòng)、軟停運(yùn)，變頻器提供給電機(jī)的無(wú)諧波干擾的正弦波電流，降低了電機(jī)的故障次數(shù)。變頻器自身保護(hù)功能完善，大大加強(qiáng)了對(duì)電機(jī)的保護(hù)。 　　某水泥廠高溫風(fēng)機(jī)2500KW/6KV原采用液力耦合器調(diào)速，改造為高壓變頻調(diào)速，改造后電機(jī)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(yīng)用效益 　　由于能源緊張及生產(chǎn)工藝等各方面的要求，高壓變頻已成為大型生產(chǎn)企業(yè)節(jié)能工作的必由之路。國(guó)產(chǎn)高壓變頻器由于更適合中國(guó)市場(chǎng)及用戶特點(diǎn)，已被越來(lái)越多的人所認(rèn)識(shí)、所接受、所歡迎。高壓變頻裝置的應(yīng)用，不僅節(jié)能，而且可提高風(fēng)機(jī)、水泵的運(yùn)行效率、減少擋板、閥門的維護(hù)量、減少無(wú)功，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的軟啟動(dòng)。 　　據(jù)統(tǒng)計(jì)，占工業(yè)用電70%的各種風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載，全國(guó)約4700萬(wàn)臺(tái)，總功率約1.3億千瓦，此類負(fù)載工況變化較大，如采用變頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)變速運(yùn)行節(jié)能效果明顯。以平均節(jié)電20%計(jì)算，對(duì)全國(guó)來(lái)說(shuō)，年節(jié)電500億度，同時(shí)，可相應(yīng)減少2000萬(wàn)噸發(fā)電用煤、50萬(wàn)噸SO2 和1200萬(wàn)噸CO2 的排放。高壓變頻裝置由于操作簡(jiǎn)單、安全可靠、維護(hù)方便，并在節(jié)能、節(jié)電、省人、省力、自動(dòng)控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控等方面效果顯著。 9.結(jié)束語(yǔ) 　　我國(guó)能源剩余開(kāi)采量不及世界平均水平的1/10,而且能源需求急劇增長(zhǎng)，我國(guó)單位產(chǎn)值能耗是日本的11.5 倍，是法國(guó)和德國(guó)的7.7倍，是美國(guó)的4倍，可見(jiàn)我國(guó)生產(chǎn)效率非常低，環(huán)境保護(hù)形勢(shì)嚴(yán)峻。變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)被列入國(guó)家《十一五十大重點(diǎn)節(jié)能工程實(shí)施方案》。 　　通過(guò)對(duì)風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)等通用機(jī)械系統(tǒng)節(jié)能改造，推廣應(yīng)用變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)，提高運(yùn)行效率，是電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能工程的重要工作。 參考文獻(xiàn)： 　?。?）高壓變頻技術(shù) 機(jī)械工業(yè)出版社 　?。?）變頻通訊，北京利德華福，北京昌平區(qū) 　?。?）ABB中壓交流變頻器，ABB電氣傳動(dòng)公司