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低壓大功率變頻器的選型

  變頻器的正確選用對(duì)于機(jī)械設(shè)備電控系統(tǒng)的正常運(yùn)行是至關(guān)重要的。選擇變頻器，首先要根據(jù)本企業(yè)的實(shí)際情況出發(fā)，合理選擇變頻器電壓等級(jí)，在一定的功率范圍內(nèi)（1000Kw以下）盡量選擇低壓變頻器，同時(shí)按照機(jī)械設(shè)備的類型、負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性、調(diào)速范圍、靜態(tài)速度精度、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和使用環(huán)境的要求，決定選用何種控制方式和防護(hù)等級(jí)的變頻器。
    變頻器主要用于交流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，是理想的調(diào)速方案，隨著中國經(jīng)濟(jì)的整體快速發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)傳動(dòng)產(chǎn)品的要求逐漸提高，變頻器調(diào)速以其自身所具有的調(diào)速范圍廣，調(diào)速精度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好等優(yōu)點(diǎn)，在許多速度控制應(yīng)用領(lǐng)域中發(fā)揮越來越重要的作用，它除了具有優(yōu)良的調(diào)速性能之外，還具有顯著的節(jié)能效果，特別是變頻器應(yīng)用在風(fēng)機(jī)和水泵上，該類負(fù)載在國民經(jīng)濟(jì)各部門的應(yīng)用數(shù)量眾多，分布極廣，耗電量巨大，且調(diào)速范圍又有限（一般50%-100%），是一個(gè)很有發(fā)展前途的應(yīng)用領(lǐng)域。
    以電廠為例，大量的鍋爐輔機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)容量一般較大，定速運(yùn)行時(shí)存在嚴(yán)重電能浪費(fèi)問題。采用大功率變頻器，可以對(duì)電廠的鍋爐風(fēng)機(jī)和水泵設(shè)備，如鍋爐鼓風(fēng)機(jī)、鍋爐引風(fēng)機(jī)、鍋爐送水泵、冷凝水泵、沖渣水泵、灰漿泵等進(jìn)行配套或改造，節(jié)電效果非常顯著。同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)很高的自動(dòng)化控制，使鍋爐運(yùn)行更加安全可靠，如引風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速使?fàn)t膛負(fù)壓更加穩(wěn)定；一次風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速送風(fēng)更加穩(wěn)定，煤的燃燒更加徹底；灰漿泵變頻調(diào)速能夠保護(hù)灰漿泵電機(jī)，防止泵堵塞過載燒毀電機(jī)等。

一、國內(nèi)電廠大功率電機(jī)現(xiàn)狀
    國內(nèi)電廠鍋爐輔機(jī)大部分風(fēng)機(jī)和水泵的功率在200KW-2000KW，按照國內(nèi)慣例，200KW以上的電動(dòng)機(jī)均采用6KV電動(dòng)機(jī)，使得電廠主要輔機(jī)都采用6kV電動(dòng)機(jī)，電力部門從減小線損的角度出發(fā)，希望提高供電電壓，大力推行10KV，用戶從簡化配制的角度出發(fā)，自然希望200KW以上的電動(dòng)機(jī)和變頻器采用6KV或10KV，這種配置的優(yōu)點(diǎn)是能節(jié)省一臺(tái)電動(dòng)機(jī)的購置費(fèi)用和安裝工作量；可以直接加裝變頻器旁路開關(guān)，在變頻器發(fā)生故障時(shí)，可以直接通過旁路開關(guān)切換到6KV或10KV廠用母線上來，不必中斷運(yùn)行。然而選用6KV或10KV“直接”變頻，從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)角度看都不合理。目前所有的“直接”高壓變頻都不是真正的直接變頻，在其輸入側(cè)都有變壓器或者依靠電子器件的串聯(lián)，因此電動(dòng)機(jī)和變頻器沒有必要和電網(wǎng)電壓一致。從經(jīng)濟(jì)角度看一臺(tái)560KW高壓變頻器售價(jià)是低壓660V或690V變頻器售價(jià)的一倍多，售價(jià)超過120萬。說明在一定的功率范圍內(nèi)，即使考慮到更換電動(dòng)機(jī)和添加整流變壓器的費(fèi)用，選擇低壓方案也比高壓方案要經(jīng)濟(jì)的多，后期的設(shè)備維護(hù)成本，維修的技術(shù)要求都要求的低。

二、高低壓變頻器結(jié)構(gòu)比較
    近年來各種高壓變頻器不斷出現(xiàn)，可是到目前為止，高壓變頻器還沒有像低壓變頻器那樣近乎統(tǒng)一的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，一個(gè)二極管整流電路，一個(gè)中間直流回路，一個(gè)逆變橋組成，逆變橋通常由1.2KV(380V變頻器)，1.７KV（690V變頻器），IGBT組成，每個(gè)橋臂一般只用一個(gè)功率器件。高壓變頻器結(jié)構(gòu)相對(duì)較復(fù)雜，通過多年的不斷研究一種以北京某企業(yè)為代表的采用多重化技術(shù)制作的高壓變頻器，也就是用小功率器件實(shí)現(xiàn)大功率變換的一種手段。所謂多重化技術(shù)就是每相由幾個(gè)低壓PWM功率單元在其輸出端通過某種方式（如變壓器）串聯(lián)或并聯(lián)組成，各功率單元由一個(gè)多繞組的隔離變壓器供電，由低壓單元串聯(lián)疊加達(dá)到高壓輸出或并聯(lián)達(dá)到大容量輸出的目的。另一種是以成都某企業(yè)為代表的多管直接串聯(lián)的兩電平變換電路高壓變頻器，主要是將功率器件串、并聯(lián)使用，來滿足系統(tǒng)高壓變頻的要求，串、并聯(lián)在一起的各種器件，被當(dāng)作單個(gè)器件使用，利用較為成熟的低壓變頻器的電路拓?fù)淇刂撇呗院涂刂品椒ǎ瑢?shí)現(xiàn)高壓變頻器產(chǎn)品。這樣做的難點(diǎn)是串聯(lián)開關(guān)管需要?jiǎng)討B(tài)均壓和靜態(tài)均壓，對(duì)驅(qū)動(dòng)控制電路整體要求較高，還需要解決du/dt，抗共模電壓，正弦波濾波等諸多技術(shù)問題。再一種是以清華大學(xué)電機(jī)系為代表的二極管箝位型三電平變換電路高壓變頻器，目的是克服功率器件直接串聯(lián)時(shí)所需的均壓問題，在多管直接串聯(lián)的基礎(chǔ)上引入了箝位二極管概念，避免器件直接串聯(lián)引起的動(dòng)態(tài)均壓問題。除了上述三種主流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式的高壓變頻器外，近年來又出現(xiàn)飛跨電容箝位型三電平變換電路，電容自舉多電平變換電路等多種形式的高壓變頻器，無論何種形式都伴隨著自身的相適應(yīng)的控制方法和理論，任何一種控制方法都較低壓普通二電平變頻器復(fù)雜，伴隨著一系列要解決的難題，像功率器件選型、雜散參數(shù)處理、絕緣、電磁干擾、散熱冷卻、器件的場(chǎng)域分析、能量控制、du/dt和di/dt的影響、暫態(tài)過程控制等問題的解決，這些都是低壓變頻器不曾出現(xiàn)或出現(xiàn)極少的問題，或是低壓變頻器容易解決的問題，因此使用低壓變頻器對(duì)系統(tǒng)來說更為可靠、簡單。

三、變頻器選型
    變頻器的正確選用對(duì)于機(jī)械設(shè)備電控系統(tǒng)的正常運(yùn)行是至關(guān)重要的。選擇變頻器，首先要根據(jù)本企業(yè)的實(shí)際情況出發(fā)，合理選擇變頻器電壓等級(jí)，在一定的功率范圍內(nèi)（1000Kw以下）盡量選擇低壓變頻器，同時(shí)按照機(jī)械設(shè)備的類型、負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性、調(diào)速范圍、靜態(tài)速度精度、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和使用環(huán)境的要求，決定選用何種控制方式和防護(hù)等級(jí)的變頻器。

3.1 合理選用變頻器電壓等級(jí)

目前，變頻器合理的電壓登級(jí)是由功率器件承受電壓水平?jīng)Q定的，而某一電壓等級(jí)下變頻器可能的功率范圍則由功率器件的承載電流能力決定；受電力電子器件電壓及電機(jī)允許的du/dt限制，10kV變頻器必須多電平，多器件串聯(lián)。造成線路復(fù)雜，價(jià)格昂貴，可靠性差，維護(hù)成本高。對(duì)于10KV變頻器若使用1700V IGBT器件，需10串，三相供120支器件；若使用3300V 器件，也需5串供60支器件，數(shù)量巨大，可靠性必將受到影響。另一方面高壓變頻器使用器件一般電流小，器件的電流能力得不到充分利用，以710KW為例，10KV電動(dòng)機(jī)電流僅有50A左右，目前耐壓1700V的IGBT電流已做到2400A，3300V器件電流達(dá)1600A，有大電流器件不用，偏要用大量小電流器件串聯(lián)，其結(jié)構(gòu)極不合理。即使電動(dòng)機(jī)功率達(dá)到2000KW，電流也只有150A左右，仍顯很小。實(shí)際應(yīng)用中為了電平隔離，改善輸入電流波形及減小諧波，大部分高壓變頻器輸入側(cè)都加有輸入變壓器，既然有變壓器，變頻器和電動(dòng)機(jī)的電壓就沒有必要和電網(wǎng)電壓一樣，非用6KV或10KV不可。因此就有了變頻器和電動(dòng)機(jī)的合理電壓等級(jí)問題。過去電動(dòng)機(jī)中低壓200KW分界主要考慮電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)，起動(dòng)電流5-7倍額定電流，若使用10KV/380V電力變壓器，其容量2000KVA，短路阻抗6%左右考慮，開關(guān)的瞬時(shí)脫扣值就很大了，如要提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性和供電質(zhì)量的話，變壓器阻抗還希望進(jìn)一步降低；但是阻抗越小，則帶來系統(tǒng)短路電流就會(huì)增大，更不利于電器設(shè)備選擇，線路中的開關(guān)的分?jǐn)嗳萘窟€要進(jìn)一步提高，勢(shì)必造成選型成本的提高，造價(jià)提升。電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)380V母線壓降限制在50%左右的話，就要再加大變壓器容量，短路電流會(huì)太大，低壓開關(guān)將難以承受。采用變頻器調(diào)速后，起動(dòng)電流被限制在額定電流值內(nèi)，低壓變頻器容量目前可做的很大，ABB等公司掌握了逆變單元的并聯(lián)輸出技術(shù)，低壓變頻器容量可以做到2900kW，為我們大量選用低壓大功率變頻器提供了可能。在實(shí)踐中我們可以把原來僅起到隔離作用的進(jìn)線變壓器10KV/6KV或6KV/6KV，改為6KV/690V、6KV/380V的進(jìn)線變壓器，則可獲得690V和380V電源電壓，為大量采用低壓大功率變頻器提供了可能。目前國內(nèi)660V或690V低壓電動(dòng)機(jī)容量已做到1000-1200KW，使選型更為便捷。

3.2 機(jī)械設(shè)備的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性

人們?cè)趯?shí)踐中常將生產(chǎn)機(jī)械根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性的不同，分為三大類型：恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載、恒功率負(fù)載和風(fēng)機(jī)、水泵類負(fù)載。

3.2.1恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載

在這類負(fù)載中，負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL與轉(zhuǎn)速n無關(guān)，任何轉(zhuǎn)速下TL總保持恒定或基本恒定，負(fù)載功率則隨著負(fù)載速度的增高而線形增加。傳送帶、攪拌機(jī)、擠壓機(jī)和機(jī)械設(shè)備的進(jìn)給機(jī)構(gòu)等摩擦類負(fù)載以及起重機(jī)、提升機(jī)、電梯等重力負(fù)載，都屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。

變頻器拖動(dòng)恒轉(zhuǎn)矩性質(zhì)的負(fù)載時(shí)，低速時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩要足夠大，并且要有足夠的過載能力。如果需要在低速下長時(shí)間穩(wěn)速運(yùn)行，應(yīng)該考慮標(biāo)準(zhǔn)籠型異步電動(dòng)機(jī)的散熱能力，避免電動(dòng)機(jī)溫升過高。

3.2.2恒功率負(fù)載

這類負(fù)載的特點(diǎn)是需要輸出功率擬保持不變。金屬切削機(jī)床的主軸和軋機(jī)、造紙機(jī)、薄膜生產(chǎn)線中的卷取機(jī)、開卷機(jī)等，都屬于恒功率負(fù)載。

負(fù)載的恒功率性質(zhì)應(yīng)該是就一定的速度變化范圍而言的。當(dāng)速度很低時(shí)，受機(jī)械強(qiáng)度的限制，TL不可能無限增大，在低速下轉(zhuǎn)變?yōu)楹戕D(zhuǎn)矩性質(zhì)。負(fù)載的恒功率區(qū)和恒轉(zhuǎn)矩區(qū)對(duì)傳動(dòng)方案的選擇有很大的影響。電動(dòng)機(jī)在恒磁通調(diào)速時(shí)，最大允許輸出轉(zhuǎn)矩不變，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速；而超過弱磁點(diǎn)后，進(jìn)入弱磁調(diào)速區(qū)，變頻器輸出電壓不在增加，速度增加，轉(zhuǎn)矩下降，最大允許輸出轉(zhuǎn)矩與速度成反比，屬于恒功率調(diào)速。

3.2.3風(fēng)機(jī)、水泵類負(fù)載

這類負(fù)載的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的二次方成正比，功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。各種風(fēng)機(jī)、水泵和油泵，都屬于典型的流體類負(fù)載。流體類負(fù)載通過變頻器調(diào)速來調(diào)節(jié)風(fēng)量、流量，可以大幅度節(jié)約電能。由于流體類負(fù)載在高速時(shí)的需求功率增長過快，與負(fù)載轉(zhuǎn)速的三次方成正比，所以不應(yīng)使這類負(fù)載超工頻運(yùn)行。電廠中該類負(fù)載設(shè)備占很大比例。了解了設(shè)備的負(fù)載類型，在選擇變頻器還不夠，還需要選擇正確的電壓等級(jí)。

知道電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的負(fù)載類型，選擇了正確供電電壓，在實(shí)際選擇變頻器還要依據(jù)電機(jī)額定電流值作為變頻器選擇的主要依據(jù),電機(jī)的額定功率只能作為參考。另外,應(yīng)充分考慮變頻器的輸出含有豐富的高次諧波,會(huì)使電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)和效率變壞.因此用變頻器給電動(dòng)機(jī)供電與用工頻網(wǎng)供電相比較電動(dòng)機(jī)的電流會(huì)增加10％，而溫升會(huì)增加20％左右。所以在選擇變頻器時(shí),應(yīng)考慮到這種情況,適當(dāng)留有余量, 以防止溫升過高,影響變頻器的使用壽命。

另外，變頻器與電動(dòng)機(jī)安裝距離較長時(shí),應(yīng)該采取措施抑制長電纜對(duì)地耦合電容的影響，避免變頻器出力不夠。所以在選擇變頻器時(shí)應(yīng)放大一檔或在變頻器的輸出端安裝輸出電抗器。只有正確地選擇了變頻器，才能保證改造和生產(chǎn)的順利進(jìn)行。

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