高压变频器方案

一、概述高压变频器调速系统是将变频调速技术应用于大功率高压电机调速的一种电力换流装置，是国家大型设备节能技术改造及建设推广项目，应用范围广泛，应用高压变频调速器能大幅度降低电机的电耗，其节能效果一般在30%以上，具有明显的节能与环保效益，对提高企业的能源利用率，延长设备的使用寿命，减少设备运行费用与设备维护费用，确保用户的用电质量与用电可靠性，能起到极大的促进作用。在社会积极倡导各行业节能、减排的今天，甲方同时也做出积极地响应。甲方对现场控制对象（高惯量风机）提出的高性能控制装置高压变频器无疑就是其中的一例。根据现场使用情况、工艺要求，利用选用优良的大功率、高电压变频控制装置，不但可以调节电机的转速、转矩充分发挥其电气机械特性，而且可以更大程度上为钢厂、社会节能同时能够获得的更大的经济效益。本系统方案就是给现场高惯量风机选择一款综合性能较好的高压变频器。二、被控设备基本参数、工作环境、电网情况1、风机：型号：Y5-2*48N026.5F流量：700000m3/h转速：965r/min转动惯量：23000kg/m32、驱动电机：型号：YBPK710-6额定功率：2240KW额定电压：6KV额定电流：261A变频运行：电动机Y型接法效率：96.0%功率因素：0.86绝缘等级：F3、设备现场环境情况：温度：0-40℃湿度：≤95%，不凝露4、10KV电网情况额定电压：10KV正常电压波动范围：+/-10%额定频率：50HZ频率变化范围：+/-10%三、高压变频器控制方案及选择交流变频调速技术是现代化电气传动的主要发展方向之一，它不仅调速性能优越，而且节能效果良好。实践证明，驱动风机、水泵的大、中型笼型感应电动机，采用交流变频调速技术，节能效果显著，控制水平也大为提高。目前，变频调速技术已广泛应用于低压（380V）电动机，但在中压（3000V以上）电动机上却一直没有得到广泛应用，造成这种情况的主要原因是目前在低压变频器中广泛应用的功率电子器件均为电压型器件，耐压值基本都在1200-1800V，研制高压变频器难度较大，为了攻克这一技术难题，国内外许多科研机构及大公司都倾注大量人力物力进行研究，工业发达国家高压变频器技术已趋于成熟，国外几家著名电器公司都有高压大容量变频器产品，典型的如美国A-B（罗克韦尔自动化公司所属品牌）、欧洲的西门子公司、ABB公司等。这些公司产品的电压一般为3-10kv，容量从250-4000kw，所采用的控制方式、变流方式及其他方面的关键技术也有很大差别。A-B从1990年研制成功并开始投入商业运行的变频器主要采CSI-PWM技术，即电流源逆变-脉宽调制型变频器，采用电流开关器件，无需升降压变压器即可以直接输出6KV电压，分强制风冷和水冷型，功率从300到18000马力，至今已经应用于多个行业上千台应用记录。是最有影响力，最为广泛接受的中压变频技术。美国罗宾康公司采用大量低压电压型开关器件，配合特殊设计的多脉冲多次级抽头输出隔离整流变压器，同样能够实现输出端直接6千伏输出，由于是大量低压元件串接，故被称之为多极化电压性解决方案。西门子公司和ABB公司分别采用中压IGBT和IGCT器件，是典型的电压型变频器。器件耐压等级为4160/3300V，直接输出电压最高达3300V。所以国内也有将此种方案称为高中方案，对应的将6KV-6KV（如A-B方案）称为高高方案。中压变频器的发展和广泛应用是最近十几年的事情，相比之下低压变频器的应用却已经有超过二十年的时间。在中压变频器大面积推广应用之前，也出现了另外一种方案。即采用升降压变压器的“高-低-高”式变频器，亦称间接中压变频器。“高-低-高”式高压变频器，即间接高压变频器装置由输入、输出变压器及低压变频器组成。输入变压器为降压变压器，它将高压电源电压降至变频器所允许的范围，经低压变频器后，再经输出变压器升压，供给高压电动机。由于这种系统技术难度相对小，投资相对低，所以在国内一度应用较为活跃。但是此方案由于两次电压变换增加了损耗，影响了节能效果，并且占地面积大，还产生大量的高次谐波，有较明显的缺陷，在技术上有明显的过渡性。所以一般认为适用于功率小于200kw的中压电动机。相比之下，“高-高”式高压变频器，即直接高压变频调速系统，一般由输入侧隔离变压器和多个功率单元串联组成，由于省掉了输出变压器，因而减少了损耗，提高了功率，减少了占地面积，另外随着开发、制造、应用和维护的日臻成熟，高高式中压变频器的产品日趋标准化，成本不断下降，所以今天已经成为中压变频应用的首选方案。总之，不同于低压变频产品厂商众多，技术雷同的情况，中压产品主要供应厂商的解决方案各不相同。其中核心差别在于所选用的器件类型不同。相应地系统配备（变压器、电抗器、滤波装置等）都会有所差别，系统的可靠性、效率、谐波抑制效果（电力电子设备对电网端的影响）和马达的友好性（电力电子设备到马达的输出端电流和电压波形情况对马达的影响）、热损值、故障模式都会有所差别。不同的结构设计又会使得散热效果、环境要求、应用友好性和系统可维护性存在诸多差别。现在市场上高压变频器经常采用的控制方案有以下四种：1)中压变频高低高解决方案(示意图1)对于功率相对较低的中压负载，采用降压变压器将电网电压降低，经由低压变频器，再经过升压变频器控制中压电机。优点：a)系统初始投资相对高高变频要低；b)同样不需要更换电机或者改变电机的接线方法，电缆变动不大。缺点：c)系统采用升压-降压两个变压器，不仅使得系统占地面积大，结构复杂，可靠性降低（变压器是中压变频系统中较为薄弱的环节，更使得系统运行效率大大下降（约8-10%），影响节能效果，系统总体拥有成本升高。d)升压变压器必须能够承受变频器频率输出范围的大幅变动，设计和制造水平要求较高，一般需要进口，为日后的技术支持和产品维护带来一定的困难。另外一般的变压器设计阶段就已经确定了最佳运行频率，应用于变频输出升压可能会引起系统整体性能的下降。e)高低高方案中的低压变频器均为电压源型，本身输出波形就不是很理想，高次谐波经由升压变压器放大后对（老）电机发热、噪声等都会带来不利的影响，缩短电机的使用寿命。尤其需要特别指出的是，对于改造应用，许多用户现有的电机都是B级绝缘的老式电机，如果发热和温升问题不能够很好的解决，将为系统的性能、寿命、可靠性方面埋下隐患。f)不同于高高变频器等专门的中压变频设备，高低高系统不能很好地解决系统进线端谐波对电网的污染问题，不符合相关的工业（如IEEE519谐波抑制指南）.2)高中变频方案（三电平电压型）示意图2中压器件的研究和应用近年来也取得了很大的进展。人们研制出了中压IGBT或者中压IGCT器件，耐压等级为4160/3300V，直接输出电压最高达3300V。就国内大多数的6千伏交流电机而言，这类方案并不能不加改进而直接应用于6千伏电机，所以国内也有将此种方案称为高中方案，对应的将6KV-6KV称为高高方案。系统结构如右图所示。优点：a)中压器件的应用，使得系统相对高低高方案简单，结构更为合理，可靠性和系统效率有所提高；b)由于中压器件的采用，提高了变频器功率和电压的应用范围，相对于高低高方案，应用于较大功率的场合成为可能；c)输入端一般采用12脉冲整流方式，输入端谐波成分得到一定控制。缺点：a)目前中压变频器电压型器件仍属于发展中的产品，受器件研究和制造水平的限制，目前尚没有直接适应6KV电机的变频方案，对于改造项目，要么要求用户在具体应用时改变电机的接法（星-三角型接法互换），要么在变频器的输出端集成升压变压器；对于新上项目，也需要用户配套特殊类型的电机，可能会造成系统互换方面的困难。b)改变电机的接线方法，势必造成电机物理特性的改变，电机需要重新测试，另外重新改变电机接线方法，在很多情况下会导致电机失去互换性，而实际的现状是，多数拥有多台泵或者风机的用户都会考虑在必要的情况下投入备用泵或者风机系统，如果单台电机改变接法则备用电机将无法直接投入应用；c)如果采取输出端集成升压变压器方式，则无疑在一定程度上又重新回到了高低高方案的老路上，不得不慎重考虑可靠性、效率等问题；d)此类方案标准输入端整流一般采用12脉冲，而要满足国际上关于电网谐波控制的基本要求（IEEE-5.19,1992）最低也要18脉冲整流变压器。有的厂商采取提高整流变压器阻抗的方法来解决这个问题（高达12%-14%），这样就影响了系统的效率；e)虽然高中方案较之高低高方案有了很大的进步，但是由于电压型器件只能单方向导通，所以每一个基本单元必须使用成对反并联的管子，而且采用中性点引出，这样并不能做到器件数量的最低化，系统可靠性受到影响；f)由于电压型器件开关频率很高，输出波形中含有较多的高频分量，这样的电源输出质量对于电机尤其是老式的电机损伤较为明显，也容易埋下事故隐患。高中方案为了解决这一问题通常会在输出端加装较大的LC滤波回路，系统的效率变会受到影响。总之，高中方案较之高低高方案是技术上的一个重大的进步，投资介于高低高和高高方案之间，但是相对来说，受到器件发展水平的限制，还不是成熟的解决方案，尤其是当用户电机为老式电机式，需要承担一定的风险。西门子和ABB高压产品基本上是这种工作方式。图2高中变频方案（三电平电压型）3)多重化电压型方案所谓多重化电压型解决方案（示意图3）就是每个桥臂上采用多个低压IGBT器件（630伏）串接，达到高电压输出到电机的目的。隔离变压器的设计与其他方案不同，变压器的次级引出多个抽头，每个抽头引出630伏电压向低压IGBT器件提供馈电。优点：a)由于直接可以输出6千伏电压，较之高低高或者某些高中方案省掉了升压变压器，系统效率有所提高。b)变压器次级绕组抽头的增加提高了隔离变压器脉冲数，系统进线侧消谐作用增强，对进线电源谐波污染小，所以有些厂商提出的“完美无谐波”解决方案就是这样的道理。缺点：a)该方案的最大缺点是系统特别复杂，牺牲了系统的可靠性和效率。典型地，其功率元件的总数量是CSI-PWM电流型解决方案的12倍，大量与之配套的电子熔丝、电容器数量众多，给系统的可靠性、可维护性带来较大的影响。b)由于隔离变压器制造工艺复杂，其次级绕组抽头的接线端子数量典型地是CSI-PWM电流型解决方案的9倍，所以一般厂商将变压器与变频器集成制造，一般同样需要进口，而变压器一般是中压变频系统较为薄弱的环节，万一出现故障，用户将很难在短时间内恢复，对生产影响较大。c)由于变频器柜内器件数量十分庞大，系统热耗散加剧，对冷却系统和空调要求较高，强制的风冷措施使得变频器系统能耗增加，效率降低。d)“完美无谐波”以牺牲系统可靠性和效率为代价，在满足IEEE-519进线端谐波污染问题上，并非最简单的实现形式。而且同所有电压源型解决方案一样，“完美无谐波”是指进线端谐波抑制，出线端（针对电机的电压电流输出波形）并不是十分理想，必须要加相应的滤波回路，对老的电机（如B级绝缘）的适应性和灵活性就不如电流源型解决方案。另外，这种方案无法实现停车时的能量回馈制动。e)许多多重化电压型中压变频厂商的产品并非免维护设计，如有些产品中使用的大的电容器（超过200个），每隔3-4年就修要更换一次，运行中可维护性相对较差。f)受IGBT类器件的设计原理限制，功率器件故障模式和中压IGBT一样会产生爆裂电弧，较为危险，严重情况下可能造成变频严重损毁以至被烧毁，需要加以考虑。g)从上述论述中可知，多重化电压型中压变频解决方案系统总体运行效率要低一些，运行成本支出不可忽视。总之，多重化电压型中压变频解决方案比较高低高或者高中方案来讲，直接可以输出6千伏电压，免去了升压变压器或者改电机接法之苦，但最大的问题在于牺牲了系统的可靠性，系统运行效率有所降低，运行和维护成本比较高。多重化电压型变频器由于是直接源自于低压变频技术，技术门槛较低，且生产开发成本很低，故目前国内的大多数变频器生产厂家均采用了此种技术。如西门子（罗宾康）、安邦信、上海广电电气的产品都是这种方式。图3多重化电压型方案所谓多重化电压型示意图4)高高中压变频方案