摘要：針對高壓綠色變頻器在大型流體機械中的應用實例,介紹了其工作原理、應用性能以及實際應用效果。變頻調速是流體機械最理想的調速節電技術,但至今我國大型風機、水泵、壓縮機類流體機械應用變頻調速的卻屈指可數。這是因為,我國200～315kW及315kW以上大型流體機械,大多采用或全部采用高壓電動機。而傳統的高壓變頻器諧波污染大。近年來,隨著高壓綠色變頻器的出現,使大型流體機械的節能問題有望得到解決。本文將對這種產品及其應用進行綜合介紹,以期對流體機械節能技術進步能有所助益。 一、工作原理 高壓綠色變頻器又稱多重化變頻器、單元串聯多電平PWM電壓源型變頻器。它是每相由多個低壓PWM變頻功率單元相互串聯,以實現輸入電壓多重化。以美國羅賓康公司的HAR2MONY系列變頻器為例,6kV 綠色變頻器的拓撲圖如圖1 所示。三相共有15 個功率單元,分別由輸入隔離變壓器的15 個二次繞組供電。15 個二次繞組分成5 組,每組之間存在12°相位差,如圖2 所示。功率單元為一三相輸入、單相輸出的PWM型變頻器,如圖3 所示,由二極管組成三相橋式整流電路,整流后由4只低壓IGBT逆變成單相交流輸出。 [align=center] 圖1 圖2[/align] 應當指出,這種變頻器并不是真正的直接高壓變頻器,因它可以直接接入高壓電動機和高壓電網,我們把它歸為高壓變頻器。 二、性能特點 這種變頻器除了具有節能效果顯著、平滑無級調速、軟啟動、工藝調節性能穩定等以往高壓變頻器優點以外,還具有如下特點。 1 對電網的諧波污染小,功率因數高 由于輸入是30 脈沖,所以理論上29 次以下的諧波都可以抵消,電壓總畸變率只有112 % ,電流總畸變率僅為018 % ,能滿足IEEE519 - 1992 的要求。輸入功率因數可達0195 以上,不需要功率因數補償。表1 列出多重化變頻器與電流型變頻器諧波比較。 [align=center] 圖3 [/align] 2 可靠性高,維修方便 由于有濾波電容,系統可以承受電源電壓下降- 30 %和電源喪失5 個周期。功率單元使用常規的低壓IGBT,驅動電路簡單,技術成熟可靠,又采用模塊化結構,可以實現互換,每個功率單元經過IPO 端子與系統聯系,維修更換十分方便。由于采用串聯結構,還可以采取旁路技術和冗余設計。如我國先行HVF高壓變頻器,設計有熱備份、熱插拔和主回路直合功能。當某個模塊出現故障時,能自動將故障單元切換旁路,使熱備份投入。 當整機發生故障時,可在毫秒級的時間內,由變頻狀態轉入工頻狀態,不會因變頻器故障造成電機停機。 3 用于普通高壓異步電動機 對輸出電纜長度無特殊限制此變頻器輸出電壓跳變臺階為單元的直流母線電壓,dvPd t很小,同時由于采用移相式PWM,電機電壓的等效開關頻率大大提高,且輸出電平數增加,降低了輸出諧波,由諧波引起的電機發熱、噪聲、轉矩脈動、共模電壓都大為減少。所以這種變頻器可直接采用普通高壓電機,且不必降低額定容量使用,對輸出電纜長度也沒有特殊限制。 4 損耗小,效率高 此變頻器無需功率因數補償,諧波分量很小,諧波引起的損耗大為減少,IGBT驅動功率很小,峰值功率為5W左右,平均功率不到1W,變頻部分效率高達98 %以上,整個變頻系統的效率高達96 %以上。表2 列出多重化變頻器與CSI - PWM變頻器效率比較。 三、我國研制開發狀況 1997 年7 月,北京先行新機電技術有限責任公司開發出我國首臺具有自主知識產權的高壓綠色大功率變頻調速系統,同時獲得該項技術的國家發明專利。1998 年8 月通過了北京市經濟委員會委托中國電器工業協會和中國電機工程學會主持的專家鑒定。該產品已列入1998 年國家科技部火炬計劃、國家技術創新項目,并且獲得1999 年國家重點高新技術產品證書,已在北京燕山石化總公司供水廠、大港油田水電廠、武鋼、國華三河電廠、大慶、遼河油田等單位實際應用,綜合效益明顯。 北京利德華福技術有限公司依托清華大學國家重點實驗室,研制開發出HARSVERT - A 系列3kVP6kVP10kV 三個電壓等級的300～2500kW系列高壓綠色變頻器,一臺1000kWP6kV 高壓變頻器在天津新開河水廠成功運行。2000 年8 月,通過了國家電控配電設備質量監督檢驗中心的檢測,取得了中國電力科學院入網測試報告,并于2000 年9 月通過原國家機械局組織的產品鑒定。 四、應用實例 上海閔行發電廠9 號爐配用兩臺YA - 73No. 28D 型離心式吸風機,額定風量38 萬m3Ph ,全壓為3973Pa ,配用JSQ - 156 - 6型電動機,額定功率700kW,額定電壓6kV。安裝了美國羅賓康公司生產的兩臺750kW高壓綠色變頻器后,效果顯著,與以往的入口導流器調節比較,全年節電267 萬kW·h ,可節省電費64萬多元,國家經貿委節能信息傳播中心于2000 年7 月召開現場會進行推廣。 1997 年7 月,燕山石化集團動力廠第三供水車間水泵電機上安裝了一臺6kV、290kV·A 的HVF 高壓綠色變頻調速系統。國家電力檢測中心對該系統進行了長達兩周的變頻和直合的對比運行試驗,結果表明,系統的總體節電效果平均可達41 %。HVF 高壓綠色變頻器不僅在異步電機上應用成功,在同步電機上應用也同樣獲得了成功。2001 年初,國內首臺10kV、400kW HVF 高壓綠色變頻器成功地在武漢鋼鐵集團大型軋鋼廠高速線材車間空壓機上運行。該臺空壓機配用的同步電機型號為TK350 - 14P1430 ,額定電壓10kV ,額定電流2417A ,額定轉速428rPmin。安裝了高壓變頻器后,啟動電流以由100A 下降到12A ,運行頻率35～40Hz ,平均節電40 %。