大功率高壓變頻器的設計及應用探討

作者簡介：勵小峰（1977-），男，浙江寧波人，本科學歷，中級電子工程師，研究方向：電力電子技術，高壓變頻器，SVG。

摘 要：隨著國民經(jīng)濟的飛速增長，人們的生活質(zhì)量獲得明顯改善。作為促進經(jīng)濟發(fā)展的先驅(qū)力量，工業(yè)生產(chǎn)一直是我國電力能源的消費大戶。我國電機系統(tǒng)運行能源耗損大，生產(chǎn)效益低，如何改善這一現(xiàn)狀是每一位業(yè)內(nèi)從業(yè)者均應認真思考的一個問題。為此，結合我國高壓變頻器的應用現(xiàn)狀，對大功率高壓變頻器的設計進行研究，并通過實際運行，對該變頻器的應用進行了可行性分析。

關鍵詞：大功率高壓變頻器；恒壓頻比控制；變頻調(diào)速節(jié)能

中圖分類號： TB 文獻標識碼：A 文章編號：16723198（2014）17019601

電機節(jié)能可從兩方面著手，第一種是通過對電機產(chǎn)品本身進行改良，出產(chǎn)新型高效電機，不過這種方式需要耗費大量的人力、物力資源，而產(chǎn)品的更新?lián)Q代也需要一定周期，根本無法發(fā)揮出立竿見影的效果。第二種方法無需更換設備，只需在現(xiàn)有設備上添加變頻調(diào)速器一類的節(jié)能裝置即可。相較之下，第二種方法成本低，見效快，因此更適合采納。

1 大功率高壓變頻器的設計原則

1.1 我國高壓變頻器的應用現(xiàn)狀

當下最為常見的是“高-高”型變頻調(diào)速裝置，電流源型、單元串聯(lián)多電平PWM電壓型等變頻器均屬于這一類型。電流源型通過局部使用SGCT直接串聯(lián)的方式來提升耐壓性能，直流部分使用電抗器儲能，輸出電壓最高值可達到7.2kV，主要被用于國內(nèi)電壓為6kV左右的電機。

1.2 設計需求

據(jù)筆者調(diào)查獲悉，單元串聯(lián)多電平電壓源型變頻器憑借諧波量小、結構一體化與方便維護等優(yōu)點，深受市場消費者青睞。這一類型的高壓變頻器按照拖動數(shù)量可分為：一拖一，一拖二，一拖多方式。一拖一自動旁路方式，具備結構框架嚴謹、操作控制便捷、接口配置靈活等優(yōu)點，是目前最受用戶歡迎的一種類型。

1.3 系統(tǒng)原理與配置

（1）高壓輸入輸出部分。

該部分主要負責完成高壓電對用戶的輸入輸出以及變頻器檢修期間電氣隔離工作。通常情況下，這一部分主要由隔離開關、真空接觸器、進出線絕緣子三部分組成。部分用戶有特殊需求，會將真空接觸器更換成真空斷路器或手車斷路器。用戶僅需隔離開關與絕緣子，就能實現(xiàn)手動旁路功能，無需使用斷路器或接觸器便能實現(xiàn)自動控制。

（2）移相隔離部分。

這一部分主要負責將輸入的三相交流高壓電變轉(zhuǎn)換成多組相位不同的低壓交流電，按照各部分不同需求，輸送至功率柜的各功率單元?？紤]到移相變副邊使用的是多繞組輸送，同時繞組間為隔離狀態(tài)，所以一般通過功率單元輸送各自專屬的移相電源。這種方法最明顯的優(yōu)勢是能夠在使用過程中，提高電網(wǎng)功率因素，最大化降低電網(wǎng)側(cè)的諧波干擾，改善電流波形。

（3）功率變換部分。

這一部分主要負責接收來自移相變的低壓電，通過三相不控橋式整流電路的處理后，移相變的低壓電會被轉(zhuǎn)化為脈動的直流電，然后經(jīng)過電容器組濾波調(diào)整成直流電壓，被送往H橋式逆變電路中。多個單元模塊在串聯(lián)疊加的情況下，高壓交流電的輸出將達到最高值。為有效降低諧波干擾，一般會使用SPWM技術對各功率單元輸出加以控制。

（4）控制部分。

控制部分的主要構成要素包括兩方面，一是功率單元檢測與保護控制，二是變頻器系統(tǒng)的控制。在功率單元檢測與保護控制版塊中，檢測電路與旁通回路為不可或缺的重要組成部分，會對功率單元電流、電壓等進行檢測，發(fā)揮出過電壓、欠電壓等保護作用。在變頻器控制系統(tǒng)中，上位機、下位機、PLC模塊為主要組成部分，控制單元是這一板塊的核心，是經(jīng)雙DSP組成的數(shù)字信號處理控制系統(tǒng)。在人機操作界面的輔助下，系統(tǒng)將會順利接收到功率單元的狀態(tài)信息，同時系統(tǒng)根據(jù)指令輸出控制信號利用光纖傳遞給各單元。

2 大功率高壓變頻器的應用

選取一家生產(chǎn)機械產(chǎn)品的大型工廠為研究對象，該工廠每日生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量粉塵，因此多使用除塵風機進行處理。這些風機均為三相異步電動機，由于主要使用擋風板調(diào)節(jié)風門，所以容易形成擋風板兩側(cè)風壓，導致電能浪費。另外，該風機擋風板主要通過大力矩電動控制，非常容易發(fā)生故障。

考慮到高壓電機的特點，大慣量風機啟動過于頻繁會嚴重影響到高壓電機的使用壽命，所以在本次應用過程中，禁止隨意開關高壓電機。也就是說，當電爐無需除塵機清除灰塵時，倘若使用傳統(tǒng)方式，利用調(diào)節(jié)封板減小風量則會導致大量電能浪費在擋風板上。使用高壓變頻器后，可按照風量需求，直接通過高壓變頻器調(diào)節(jié)功率，即可節(jié)約大量電能。

目前電廠電費每度0.5元計算，使用大功率高壓變頻器后，該除塵機每日節(jié)約電能：Qdatar，除塵機每日節(jié)約電費：0.5×3150=1575元。經(jīng)過節(jié)能改造，最終發(fā)現(xiàn)，自大功率高壓變頻器運行以來，在滿足日常工作需求的前提下，有效節(jié)約了電能耗損，延長了風機的使用壽命，提高了工廠的生產(chǎn)效益。

參考文獻

[1]徐甫榮.國電四維超大功率高壓變頻器在高爐鼓風機應用成功[J].變頻器世界，2013，（04）：7378.

[2]嚴偉.級聯(lián)型高壓變頻器的設計與應用研究[D].長沙：湖南大學，2012.

[3]張利軍，孫瑞平.超大功率高壓變頻器的應用研究[J].機械制造與自動化，2011，（02）：156158.