低压大功率变频器的选型与实践

摘要：变频器的正确选用对于机械设备电控系统的正常运行是至关重要的。选择变频器，首先要根据本企业的实际情况出发，合理选择变频器电压等级，在一定的功率范围内（1000Kw以下）尽量选择低压变频器，同时按照机械设备的类型、负载转矩特性、调速范围、静态速度精度、起动转矩和使用环境的要求，决定选用何种控制方式和防护等级的变频器。

　　变频器主要用于交流电动机转速的调节，是理想的调速方案，随着中国经济的整体快速发展，市场对传动产品的要求逐渐提高，变频器调速以其自身所具有的调速范围广，调速精度高，动态响应好等优点，在许多速度控制应用领域中发挥越来越重要的作用，它除了具有优良的调速性能之外，还具有显著的节能效果，特别是变频器应用在风机和水泵上，该类负载在国民经济各部门的应用数量众多，分布极广，耗电量巨大，且调速范围又有限（一般50%-100%），是一个很有发展前途的应用领域。　　以电厂为例，大量的锅炉辅机的传动系统容量一般较大，定速运行时存在严重电能浪费问题。采用大功率变频器，可以对电厂的锅炉风机和水泵设备，如锅炉鼓风机、锅炉引风机、锅炉送水泵、冷凝水泵、冲渣水泵、灰浆泵等进行配套或改造，节电效果非常显著。同时可以实现很高的自动化控制，使锅炉运行更加安全可靠，如引风机变频调速使炉膛负压更加稳定；一次风机变频调速送风更加稳定，煤的燃烧更加彻底；灰浆泵变频调速能够保护灰浆泵电机，防止泵堵塞过载烧毁电机等。

　　一、国内电厂大功率电机现状　　

　　国内电厂锅炉辅机大部分风机和水泵的功率在200kW-2000　　kW，按照国内惯例，200kW以上的电动机均采用6kV电动机，使得电厂主要辅机都采用6kV电动机，电力部门从减小线损的角度出发，希望提高供电电压，大力推行10kV，用户从简化配制的角度出发，自然希望200Kw以上的电动机和变频器采用6kV或10kV，这种配置的优点是能节省一台电动机的购置费用和安装工作量；可以直接加装变频器旁路开关，在变频器发生故障时，可以直接通过旁路开关切换到6kV或10kV厂用母线上来，不必中断运行。然而选用6kV或10kV“直接”变频，从技术和经济角度看都不合理。目前所有的“直接”高压变频都不是真正的直接变频，在其输入侧都有变压器或者依靠电子器件的串联，因此电动机和变频器没有必要和电网电压一致。从经济角度看一台560kW高压变频器售价是低压660V或690V变频器售价的一倍多，售价超过120万。说明在一定的功率范围内，即使考虑到更换电动机和添加整流变压器的费用，选择低压方案也比高压方案要经济的多，后期的设备维护成本，维修的技术要求都要求的低。

　　二、高低压变频器结构比较　　

　　近年来各种高压变频器不断出现，可是到目前为止，高压变频器还没有像低压变频器那样近乎统一的拓扑结构，一个二极管整流电路，一个中间直流回路，一个逆变桥组成，逆变桥通常由1.2kV(380V变频器)，1.７kV（690V变频器），IGBT组成，每个桥臂一般只用一个功率器件。高压变频器结构相对较复杂，通过多年的不断研究一种以北京利德华福为代表的采用多重化技术制作的高压变频器，也就是用小功率器件实现大功率变换的一种手段。所谓多重化技术就是每相由几个低压PWM功率单元在其输出端通过某种方式（如变压器）串联或并联组成，各功率单元由一个多绕组的隔离变压器供电，由低压单元串联叠加达到高压输出或并联达到大容量输出的目的。另一种是以成都佳灵为代表的多管直接串联的两电平变换电路高压变频器，主要是将功率器件串、并联使用，来满足系统高压变频的要求，串、并联在一起的各种器件，被当作单个器件使用，利用较为成熟的低压变频器的电路拓扑控制策略和控制方法，实现高压变频器产品。这样做的难点是串联开关管需要动态均压和静态均压，对驱动控制电路整体要求较高，还需要解决du/dt，抗共模电压，正弦波滤波等诸多技术问题。再一种是以清华大学电机系为代表的二极管箝位型三电平变换电路高压变频器，目的是克服功率器件直接串联时所需的均压问题，在多管直接串联的基础上引入了箝位二极管概念，避免器件直接串联引起的动态均压问题。除了上述三种主流拓扑结构形式的高压变频器外，近年来又出现飞跨电容箝位型三电平变换电路，电容自举多电平变换电路等多种形式的高压变频器，无论何种形式都伴随着自身的相适应的控制方法和理论，任何一种控制方法都较低压普通二电平变频器复杂，伴随着一系列要解决的难题，像功率器件选型、杂散参数处理、绝缘、电磁干扰、散热冷却、器件的场域分析、能量控制、du/dt和di/dt的影响、暂态过程控制等问题的解决，这些都是低压变频器不曾出现或出现极少的问题，或是低压变频器容易解决的问题，因此使用低压变频器对系统来说更为可靠、简单。

　　三、变频器选型　　

　　变频器的正确选用对于机械设备电控系统的正常运行是至关重要的。选择变频器，首先要根据本企业的实际情况出发，合理选择变频器电压等级，在一定的功率范围内（1000Kw以下）尽量选择低压变频器，同时按照机械设备的类型、负载转矩特性、调速范围、静态速度精度、起动转矩和使用环境的要求，决定选用何种控制方式和防护等级的变频器。　　

　　3.1　　合理选用变频器电压等级　　

　　目前，变频器合理的电压登级是由功率器件承受电压水平决定的，而某一电压等级下变频器可能的功率范围则由功率器件的承载电流能力决定；受电力电子器件电压及电机允许的du/dt限制，10kV变频器必须多电平，多器件串联。造成线路复杂，价格昂贵，可靠性差，维护成本高。对于10kV变频器若使用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，数量巨大，可靠性必将受到影响。另一方面高压变频器使用器件一般电流小，器件的电流能力得不到充分利用，以710kW为例，10kV电动机电流仅有50A左右，目前耐压1700V的IGBT电流已做到2400A，3300V器件电流达1600A，有大电流器件不用，偏要用大量小电流器件串联，其结构极不合理。即使电动机功率达到2000kW，电流也只有150A左右，仍显很小。实际应用中为了电平隔离，改善输入电流波形及减小谐波，大部分高压变频器输入侧都加有输入变压器，既然有变压器，变频器和电动机的电压就没有必要和电网电压一样，非用6kV或10kV不可。因此就有了变频器和电动机的合理电压等级问题。过去电动机中低压200kW分界主要考虑电动机直接起动，起动电流5-7倍额定电流，若使用10kV/380V电力变压器，其容量2000kVA，短路阻抗6%左右考虑，开关的瞬时脱扣值就很大了，如要提高电力系统稳定性和供电质量的话，变压器阻抗还希望进一步降低；但是阻抗越小，则带来系统短路电流就会增大，更不利于电器设备选择，线路中的开关的分断容量还要进一步提高，势必造成选型成本的提高，造价提升。电动机起动时380V母线压降限制在50%左右的话，就要再加大变压器容量，短路电流会太大，低压开关将难以承受。采用变频器调速后，起动电流被限制在额定电流值内，低压变频器容量目前可做的很大，ABB等公司掌握了逆变单元的并联输出技术，低压变频器容量可以做到2900kW，为我们大量选用低压大功率变频器提供了可能。在实践中我们可以把原来仅起到隔离作用的进线变压器10Kv/6kV或6Kv/6kV，改为6Kv/690V、6Kv/380V的进线变压器，则可获得690V和380V电源电压，为大量采用低压大功率变频器提供了可能。目前国内660V或690V低压电动机容量已做到1000-1200Kw，使选型更为便捷。　　

　　3.2　　机械设备的负载转矩特性　　

　　人们在实践中常将生产机械根据负载转矩特性的不同，分为三大类型：恒转矩负载、恒功率负载和风机、水泵类负载。　　

　　3.2.1　　恒转矩负载　　

　　在这类负载中，负载转矩TL与转速n无关，任何转速下TL总保持恒定或基本恒定，负载功率则随着负载速度的增高而线形增加。传送带、搅拌机、挤压机和机械设备的进给机构等摩擦类负载以及起重机、提升机、电梯等重力负载，都属于恒转矩负载。　　

　　变频器拖动恒转矩性质的负载时，低速时的输出转矩要足够大，并且要有足够的过载能力。如果需要在低速下长时间稳速运行，应该考虑标准笼型异步电动机的散热能力，避免电动机温升过高。　　3.2.2　　恒功率负载　　

　　这类负载的特点是需??似保持不变。金属切削机床的主轴和轧机、造纸机、薄膜生产线中的卷取机、开卷机等，都属于恒功率负载。　　

　　负载的恒功率性质应该是就一定的速度变化范围而言的。当速度很低时，受机械强度的限制，TL不可能无限增大，在低速下转变为恒转矩性质。负载的恒功率区和恒转矩区对传动方案的选择有很大的影响。电动机在恒磁通调速时，最大允许输出转矩不变，属于恒转矩调速；而超过弱磁点后，进入弱磁调速区，变频器输出电压不在增加，速度增加，转矩下降，最大允许输出转矩与速度成反比，属于恒功率调速。　　

　　3.2.3　　风机、水泵类负载　　

　　这类负载的转矩与转速的二次方成正比，功率与转速的三次方成正比。各种风机、水泵和油泵，都属于典型的流体类负载。流体类负载通过变频器调速来调节风量、流量，可以大幅度节约电能。由于流体类负载在高速时的需求功率增长过快，与负载转速的三次方成正比，所以不应使这类负载超工频运行。电厂中该类负载设备占很大比例。了解了设备的负载类型，在选择变频器还不够，还需要选择正确的电压等级。　　

　　知道电动机拖动的负载类型，选择了正确供电电压，在实际选择变频器还要依据电机额定电流值作为变频器选择的主要依据,电机的额定功率只能作为参考。另外,应充分考虑变频器的输出含有丰富的高次谐波,会使电动机的功率因数和效率变坏.因此用变频器给电动机供电与用工频网供电相比较电动机的电流会增加10％，而温升会增加20％左右。所以在选择变频器时,应考虑到这种情况,适当留有余量,　　以防止温升过高,影响变频器的使用寿命。　　

　　另外，变频器与电动机安装距离较长时,应该采取措施抑制长电缆对地耦合电容的影响，避免变频器出力不够。所以在选择变频器时应放大一档或在变频器的输出端安装输出电抗器。只有正确地选择了变频器，才能保证改造和生产的顺利进行。　　下面用一个具体的事例，说明低压大功率在电厂新上项目的成功应用。　　

　　四、低压大功率变频器的实践　　

　　经济发展，热电优先，在这一背景之下，2004年秦皇岛同和热电有限公司进行二期扩建项目，工程主要由1×24MW双抽凝汽式汽轮发电机组配1台170t/h循环流化床锅炉、主厂房的建设及基础工程施工，锅炉的辅机四台大功率电动机，其中引风机电机额定功率：1120KW；一次送风机电机额定功率：710KW；二次送风机电机额定功率：450KW；循环泵电机额定功率：680KW。若都采用高压6kV变频器势必增加扩建项目一次投资费用，通过我们大力推荐使用低压大功率变频器，加之厂家的实际考察，最终采用了ABB低压变频器。　　

　　具体的变频器型号与应用如下：　　

　　ACS800-07-0580-7；具体电流值488A。　　

　　用于拖动450KW/690V二次风机变频电机；电机电流：441A。

　　ACS800-07-0870-7；具体电流值729A。　　

　　用于拖动循环泵680KW/690V循环泵变频电机；电机电流：705A　　

　　ACS800-07-1060-7；具体电流值885A。　　

　　用于拖动710KW/690V一次风机变频电机；电机电流：736A　　

　　ACS800-07-1500-7；具体电流值1208A。

　　四套装置附件的详细说明如下：　　

　　1）四套装置都配有进线电抗器作为交直交变频器，进线电抗器不仅可以大大减少进线电网谐波，而且可以减少对设备的电流冲击，保证设备的可靠性。ABB公司把进线电抗作为标配内置于整流模块内；　　

　　主要作用是：抵制或消除变频器输入电流中的高次谐波通过电网，对电子回路和电子设备的干扰。　　2）四套装置都配有熔断器组合开关　　

　　主要作用是：保护整流进线单元电子元器件，为了给操作维护人员一个明确的断点，必须在变频装置进线侧加装隔离开关，作为明显的操作断点；保证检修人员安全或停机时分合主电路存有明显断点；严禁带负荷分断此开关。　　

　　3）四套装置都配有接触器+急停开关　　

　　主要作用是：为了设备的可靠保护，在出现设备故障时，按急停开关，依靠进线接触器作为自动跳闸器件，切断主电路，保证设备和人身安全；使系统更加安全、方便，便于远程操作。　　

　　4）四套装置都配有Du/dt滤波器　　

　　主要作用是：变频器会对电机带来明显的绕组绝缘冲击电压、以及不对称的轴承电流，对电机的使用(寿命)带来明显影响；除非特制电机，通常690VAC电机所用变频装置必须加上du/dt滤波器，以确保电机的可靠使用；　　

　　另外对减少对电机的噪声，降低电磁辐射，大幅度衰减高频成分，确保电磁环境干净，延长电机寿命都有一定好处。　　

　　5）四套装置都配有12脉波整流器　　

　　每套装置都配有两套6脉波整流器，组成12脉波整流器——可以有效地消除电流中的11次以下谐波，减少对电网谐波干扰，净化电网环境。　　

　　4.1　　工作原理与系统结构　　

　　秦皇岛同和电厂170吨锅炉辅机使用的是ABB公司生产的ACS800大功率变频器，采用直接转矩控制（DTC），它屏弃了矢量控制中的解耦思想，而是通过时时检测磁通幅值和转矩值的方式来分别与磁通和转矩给定值进行比较，并由磁通和转矩调节器直接输出所需要的电压矢量值，直接转矩控制系统由速度控制环和转矩控制环组成。ABB公司将DTC技术和模糊控制理论合二为一，生产的高性能、低成本的变频器调速产品，并且性能大大优于矢量控制变频器。　　

　　在DTC中，定子磁通和转矩被作为主要的控制变量。高速数字信号处理器与先进的电机软件模型相结合使电机的状态每秒钟被更新40,000次。由于电机状态以及实际值和给定值的比较值被不断地更新，逆变器的每一次开关状态都是单独确定的。这意味者传动可以产生最佳的开关组合并对负载扰动和瞬时掉电等动态变化做出快速响应。根据设定情况分别响应，由于存在中间直流环节，可以有效抑制电压降低，为变频器判断继续工作还是故障保护提供了保证。在DTC中不需要对电压、频率分别控制的PWM调制器。因此没有固定的斩波频率，在实际运行中，不会产生其它变频器驱动电机时所发出的那种高频噪声，同时也降低了变频器本身的功耗。丰富、灵活的输入输出口定义功能，可在大多数应用场合，实现用户要求而不需要任何附加电路。　　

　　4.1.1　　三台风机的作用　　

　　循环硫化床锅炉采用平衡通风方式，每台锅炉配一次、二次风机各一台，燃烧室需要的空气从一次、二次风机吸入后分别送进空气预热器中加热，加热后的一次风送入沸腾床及反料器，二次风进入炉膛，燃料在燃烧室中与空气混合燃烧，一次空气从底部通过炉排均匀送入炉膛，起到燃烧化作用，二次空气通过炉膛夹层预热，然后进入二次燃烧室，起到二次燃烧作用，一次空气和二次空气通过固定好蝶阀位置，根据炉膛的燃烧情况，通过一、二次风机变频器，改变风机电机转速，达到调整空气用量目的。引风机用以维持炉膛负压燃烧。　　

　　4.1.2　　引风机的作用　　

　　引风机用以配合锅炉控制系统以节约燃料，提高锅炉燃烧效率，减少环境污染为主要目的，利用现代自控技术、通过上位DCS小型分散二级控制方式，结合媒质的燃烧情况，检测炉膛压力、烟气含氧量、排烟温度等多参量，实现对变频器进行可靠控制，随时调节引风机的运行速度，从而自动监视炉膛压力，以维持负压燃烧。要求在不同的负荷条件下，保持主汽压力的恒定，通过调节进入炉膛的燃料量及空气量，使锅炉的蒸汽产量与汽轮机的耗汽量及供热量相平衡。炉膛负压太小甚至偏正，局部地区容易喷火，不利于安全生产，也不利于环境卫生；如果负压太大会使大量冷空气漏入炉子，增大引风机负荷和排烟带走的热损失，不利于经济燃烧。炉膛负压必须?引风变频器的频率来控制，并且引入送风量作为前馈信号参与整个控制。自动控制过程由上位机来完成。

　　4.1.3　　一次送风机的作用　　

　　一次送风机用以配合锅炉控制系统以节约燃料，提高锅炉燃烧效率，减少环境污染为主要目的，通过上位机DCS系统，随时调节一次送风机的运行速度，从而自动监视炉膛含氧比例，维持正常燃烧。使空气和燃料保持适当比例，是燃烧过程的最佳操作条件，是提高锅炉效率和经济性的关键措施。维持经济燃烧，关键是保持合适的风煤比。当煤的体积流量改变之后，应当按一定的比值关系改变一次送风量。改变风量依靠一次风机变频器来实现。先调整好炉排下各风室的风门开度，再调整一次风机变频器频率作为控制风量的手段。自动控制过程由上位机来完成。使用ABB公司的变频器可以使送风机实现软启动控制，既减小了电机启动时对电网的冲击，又减少了鼓风机的启动磨损和设备的冲击能耗，延长了设备的电气和机械寿命。　　

　　4.1.4　　二次风机的作用　　

　　二次风机用以配合锅炉控制系统以节约燃料，提高锅炉燃烧效率，减少环境污染为主要目的，通过上位机DCS系统，随时调节二次风机的运行速度，使空气和燃料保持适当比例，是完成燃烧过程的最佳操作条件，是提高锅炉效率和经济性的关键措施。维持经济燃烧，关键是保持合适的风煤比。当煤的体积流量改变之后，应当按一定的比值关系改变送风量。只靠改变一次风机风量很难实现；需要二次风机的配合，使煤在二次燃烧室充分燃烧，二次风机受一次风机的影响，在使用中一定加以注意，并限制电机的最低转速，充分利用二次风量达到最佳燃烧目的，使锅炉达到满负荷运行。　　上述风机使用变频器不仅可以完成生产工艺要求，同时可以使风机实现软启动控制，既减小了

　　电机启动时对电网的冲击，又减少了风机的启动磨损和设备的冲击能耗，延长了设备的电气和机械寿命。另外变频器输出带有一定的高次谐波，可能加速电动机的绝缘老化，这一点在使用中应加以注意。　　

　　五、进线单元　　

　　进线电源：690V。　　

　　四台大变频器都配有进线开关柜，接触器、急停开关。进线接触器可选件包括柜门上的急停按钮，外部急停按钮可以引线至柜内端子排，按下急停开关，急停命令封锁逆变器半导体，切断主接触器，电机自由停车，装置配有防止意外起动装置。　　

　　本次选用12脉波整流器，包含并联连接的两个6脉波整流桥。通过使用12脉波整流器，可以减少总的谐波畸变，清除五次谐波和七次谐波。因为EMC滤波器不能与12脉波整流器一起使用（变压器的副边浮地！）推荐安装带有屏蔽层的供电变压器，来减少传输辐射。整流单元包括：两套二极管整流单元（DSU），型号：ACS800-507-0680-7。　　

　　六、整流变压器数据　　

　　为得到12脉冲方式的相位移，要求使用多绕组变压器。变压器的另一个目的是提供足够的阻抗将网侧谐波限制在　　IEEE519所要求的限值范围内。我们采用的是广东顺德生产的干式变压器，隔离变压器有两个次级绕组，一个为　　Y　　接法，另一个为　　Δ接法，这样两个次级绕组间产生30°的相位差，提供12脉波，满足12脉冲输入整流桥的要求。　　

　　过载倍数：1.5倍(每10分钟对一分钟)　　

　　空载变比：6kV　　±　　2x2.5%　　抽头/0.72kV　　/　　0.72kV　　

　　额定频率(Fn)：50Hz　　±　　2%　　

　　连接组别：Dyn　　11　　d0　　

　　短路阻抗电压降：两组副边绕组的短路阻抗电压降分别为8%　　

　　短路阻抗电压降偏差：两组副边绕组的短路阻抗电压降的偏差￡3%　　

　　电压偏差：两组副边绕组在额定负载下输出的电压偏差值￡0.3%*UN　　

　　环境温度：最高40摄氏度　　

　　其他：　　

　　高低压绕组之间加屏蔽层，屏蔽层引出接线端。　　

　　副边Y绕组的中心点引出接线端。　　

　　各绕组、屏蔽层、引出端的耐压，绝缘及安全符合相应的国家标准。　　

　　加装铝合金防护罩，带PT100测温元件(低压绕组+铁芯)的风冷温控装置。　　

　　七、变频器调试　　

　　7.1　　变频器功能设定　　

　　通过设定变频器参数来满足电厂锅炉辅机的正常运行，参数可以通过随机携带的CDP312控制盘单独设定，也可选择一个预编好的应用宏，它可以快速简单地完成ACS800的启动。标准应用宏包括工厂宏、手动/自动宏、PID应用宏、转矩控制宏、顺序控制应用宏等。　　

　　7.2　　控制方式　　

　　变频器具有以下三种控制方式：　　

　　本地控制：通过随即携带的CDP312控制盘完成。　　

　　远程控制：通过变频器端子接受来自现场或控制室的开关量或模拟量控制。　　

　　总线控制：通过变频器扩展口接的总线适配器接受来自PLC或上位机的通信信号，ACS800具　　有多种串行通讯接口，可以与CDP312控制盘和PC机通信，也可以通过匹配不同的区域总线适配器与其它上位控制系统通信，以此完成操作、调试、诊断和控制的目的。　　

　　本次项目采用远程控制上位机控制。参数设定由CDP312控制盘完成。　　

　　7.3　　加、减速时间设定　　

　　风机的转动惯量较大，加、减速时间一般设定较长，目的防止启动时变频器报过流或过载故障，减速时间过短容易报中间直流过压故障，因此两段时间多大于90秒。　　

　　7.4　　试运行　　

　　变频器调速系统参数设定完成后，首先进行电机参数辩识，完成后就可以进行系统试运行。先在控制盘完成低频运行，观察电机运转方向是否正确，转速是否平稳，温升是否正常，加减速是否平滑，在继续在20、30、40、50Hz等频率点试运行。如果试运行正常，变频器就可以投入试生产。　　八、结束语　　

　　本文通过事例描述，说明电厂辅机采用大功率变频器不仅可行，而且经济，控制和线路非常简单，再加上变频器完善的故障诊断和显示功能，使整个调速系统的可靠性、可维修性大幅度提高，电厂的自动化水平也得到进一步加强，得到了用户的肯定，市场前景非常广泛。