摘要：針對(duì)高壓綠色變頻器在大型流體機(jī)械中的應(yīng)用實(shí)例,介紹了其工作原理、應(yīng)用性能以及實(shí)際應(yīng)用效果。變頻調(diào)速是流體機(jī)械最理想的調(diào)速節(jié)電技術(shù),但至今我國大型風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)類流體機(jī)械應(yīng)用變頻調(diào)速的卻屈指可數(shù)。這是因?yàn)?我國200～315kW及315kW以上大型流體機(jī)械,大多采用或全部采用高壓電動(dòng)機(jī)。而傳統(tǒng)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(xiàn),使大型流體機(jī)械的節(jié)能問題有望得到解決。本文將對(duì)這種產(chǎn)品及其應(yīng)用進(jìn)行綜合介紹,以期對(duì)流體機(jī)械節(jié)能技術(shù)進(jìn)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(lián)多電平PWM電壓源型變頻器。它是每相由多個(gè)低壓PWM變頻功率單元相互串聯(lián),以實(shí)現(xiàn)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?fù)鋱D如圖1 所示。三相共有15 個(gè)功率單元,分別由輸入隔離變壓器的15 個(gè)二次繞組供電。15 個(gè)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(yīng)當(dāng)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(dòng)機(jī)和高壓電網(wǎng),我們把它歸為高壓變頻器。 二、性能特點(diǎn) 這種變頻器除了具有節(jié)能效果顯著、平滑無級(jí)調(diào)速、軟啟動(dòng)、工藝調(diào)節(jié)性能穩(wěn)定等以往高壓變頻器優(yōu)點(diǎn)以外,還具有如下特點(diǎn)。 1 對(duì)電網(wǎng)的諧波污染小,功率因數(shù)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(shù)可達(dá)0195 以上,不需要功率因數(shù)補(bǔ)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(tǒng)可以承受電源電壓下降- 30 %和電源喪失5 個(gè)周期。功率單元使用常規(guī)的低壓IGBT,驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單,技術(shù)成熟可靠,又采用模塊化結(jié)構(gòu),可以實(shí)現(xiàn)互換,每個(gè)功率單元經(jīng)過IPO 端子與系統(tǒng)聯(lián)系,維修更換十分方便。由于采用串聯(lián)結(jié)構(gòu),還可以采取旁路技術(shù)和冗余設(shè)計(jì)。如我國先行HVF高壓變頻器,設(shè)計(jì)有熱備份、熱插拔和主回路直合功能。當(dāng)某個(gè)模塊出現(xiàn)故障時(shí),能自動(dòng)將故障單元切換旁路,使熱備份投入。 當(dāng)整機(jī)發(fā)生故障時(shí),可在毫秒級(jí)的時(shí)間內(nèi),由變頻狀態(tài)轉(zhuǎn)入工頻狀態(tài),不會(huì)因變頻器故障造成電機(jī)停機(jī)。 3 用于普通高壓異步電動(dòng)機(jī) 對(duì)輸出電纜長度無特殊限制此變頻器輸出電壓跳變臺(tái)階為單元的直流母線電壓,dvPd t很小,同時(shí)由于采用移相式PWM,電機(jī)電壓的等效開關(guān)頻率大大提高,且輸出電平數(shù)增加,降低了輸出諧波,由諧波引起的電機(jī)發(fā)熱、噪聲、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、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(jī),且不必降低額定容量使用,對(duì)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(shù)補(bǔ)償,諧波分量很小,諧波引起的損耗大為減少,IGBT驅(qū)動(dòng)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(dá)98 %以上,整個(gè)變頻系統(tǒng)的效率高達(dá)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(fā)狀況 1997 年7 月,北京先行新機(jī)電技術(shù)有限責(zé)任公司開發(fā)出我國首臺(tái)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高壓綠色大功率變頻調(diào)速系統(tǒng),同時(shí)獲得該項(xiàng)技術(shù)的國家發(fā)明專利。1998 年8 月通過了北京市經(jīng)濟(jì)委員會(huì)委托中國電器工業(yè)協(xié)會(huì)和中國電機(jī)工程學(xué)會(huì)主持的專家鑒定。該產(chǎn)品已列入1998 年國家科技部火炬計(jì)劃、國家技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目,并且獲得1999 年國家重點(diǎn)高新技術(shù)產(chǎn)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(shí)際應(yīng)用,綜合效益明顯。 北京利德華福技術(shù)有限公司依托清華大學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,研制開發(fā)出HARSVERT - A 系列3kVP6kVP10kV 三個(gè)電壓等級(jí)的300～2500kW系列高壓綠色變頻器,一臺(tái)1000kWP6kV 高壓變頻器在天津新開河水廠成功運(yùn)行。2000 年8 月,通過了國家電控配電設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心的檢測(cè),取得了中國電力科學(xué)院入網(wǎng)測(cè)試報(bào)告,并于2000 年9 月通過原國家機(jī)械局組織的產(chǎn)品鑒定。 四、應(yīng)用實(shí)例 上海閔行發(fā)電廠9 號(hào)爐配用兩臺(tái)YA - 73No. 28D 型離心式吸風(fēng)機(jī),額定風(fēng)量38 萬m3Ph ,全壓為3973Pa ,配用JSQ - 156 - 6型電動(dòng)機(jī),額定功率700kW,額定電壓6kV。安裝了美國羅賓康公司生產(chǎn)的兩臺(tái)750kW高壓綠色變頻器后,效果顯著,與以往的入口導(dǎo)流器調(diào)節(jié)比較,全年節(jié)電267 萬kW·h ,可節(jié)省電費(fèi)64萬多元,國家經(jīng)貿(mào)委節(jié)能信息傳播中心于2000 年7 月召開現(xiàn)場(chǎng)會(huì)進(jìn)行推廣。 1997 年7 月,燕山石化集團(tuán)動(dòng)力廠第三供水車間水泵電機(jī)上安裝了一臺(tái)6kV、290kV·A 的HVF 高壓綠色變頻調(diào)速系統(tǒng)。國家電力檢測(cè)中心對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了長達(dá)兩周的變頻和直合的對(duì)比運(yùn)行試驗(yàn),結(jié)果表明,系統(tǒng)的總體節(jié)電效果平均可達(dá)41 %。HVF 高壓綠色變頻器不僅在異步電機(jī)上應(yīng)用成功,在同步電機(jī)上應(yīng)用也同樣獲得了成功。2001 年初,國內(nèi)首臺(tái)10kV、400kW HVF 高壓綠色變頻器成功地在武漢鋼鐵集團(tuán)大型軋鋼廠高速線材車間空壓機(jī)上運(yùn)行。該臺(tái)空壓機(jī)配用的同步電機(jī)型號(hào)為TK350 - 14P1430 ,額定電壓10kV ,額定電流2417A ,額定轉(zhuǎn)速428rPmin。安裝了高壓變頻器后,啟動(dòng)電流以由100A 下降到12A ,運(yùn)行頻率35～40Hz ,平均節(jié)電40 %。