淺析大型電動機(jī)變頻技術(shù)改造

杜聞捷　上海交通大學(xué)　上海申能臨港燃機(jī)發(fā)電有限公司

楊鏡非　上海交通大學(xué)

淺析大型電動機(jī)變頻技術(shù)改造

杜聞捷上海交通大學(xué)上海申能臨港燃機(jī)發(fā)電有限公司

楊鏡非上海交通大學(xué)

大型電動機(jī)進(jìn)行變頻改造的主要目的是為了節(jié)能降耗，改善經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，但同時使用變頻裝置會給電網(wǎng)注入諧波危害，引起電能質(zhì)量的惡化。而高壓變頻裝置采用移相變壓器能夠?qū)崿F(xiàn)輸入多重化，降低諧波的注入，并提高網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)，從而可在諸多電力行業(yè)廣泛應(yīng)用。

移相變壓器，輸入多重化，諧波，功率因數(shù)

為了貫徹國家節(jié)能降耗的方針，應(yīng)用變頻技術(shù)對大型電動機(jī)進(jìn)行改造受到越來越多電力行業(yè)的青睞，它不僅能顯著降低因設(shè)計或運(yùn)行方式等造成的電能浪費(fèi)，運(yùn)營成本還能提升經(jīng)營效益，促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步，所以它的優(yōu)勢不言而喻。

但同時，我們也注意到，使用變頻裝置會給電網(wǎng)帶來諧波這個問題，它會影響到電網(wǎng)和電氣設(shè)備的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，并危及廣大客戶的正常用電和生產(chǎn)，所以在進(jìn)行變頻技改的時候，要關(guān)注諧波注入電網(wǎng)這個嚴(yán)重的危害。抑制諧波的干擾，有針對性的采取防護(hù)措施，在確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上使用變頻裝置節(jié)能降耗是非常重要的。

本文主要從兩個方面來談一下電廠的大型電動機(jī)進(jìn)行變頻改造的問題，一是高壓變頻裝置如何來抑制高次諧波的產(chǎn)生；二是對大型電動機(jī)進(jìn)行變頻改造后，如何提高網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)，降低網(wǎng)側(cè)的電流及無功。

1　變頻裝置的諧波問題

使用變頻裝置雖然能實現(xiàn)節(jié)能和高效，但同時對電網(wǎng)也注入了大量的諧波并從電網(wǎng)中吸收無功功率，使得電能質(zhì)量不斷地惡化。高壓變頻裝置的移相變壓器可以將一二次側(cè)線電壓的相位產(chǎn)生偏移，消除一次側(cè)的諧波，同時還能實現(xiàn)整流部分與電網(wǎng)部分的電氣隔離。除此之外，它還能將多個低壓輸出疊加后達(dá)到高電壓輸出的目的，從而功率元件就能選用低壓的器件，不必選用高壓器件，大大降低了變頻器件的成本。

上海申能臨港燃機(jī)發(fā)電有限公司對大型電動機(jī)循泵進(jìn)行變頻技術(shù)改造，配套的是36脈波移相變壓器，它能消除高次諧波的產(chǎn)生，并且一次側(cè)電流只含有基波以及36k±1，k=1,2,3,… 次諧波，最低次諧波為35次。值得注意的是，當(dāng)整流電路的脈波數(shù)越多，則最低次諧波的頻率就越高，其幅值就越小，但并不意味著脈波數(shù)越多就越好，因為這樣會增加變頻器的成本。

1.1高壓變頻器的結(jié)構(gòu)

高壓變頻器系統(tǒng)主回路內(nèi)部是由18個相同的功率單元模塊構(gòu)成，每6個模塊為一組，分別對應(yīng)高壓回路的三相，單元模塊由移相變壓器進(jìn)行供電。

三相輸入初級繞組采用Y 形接法，次級繞組采用三角形延邊接法。

次級繞組分三個群組，其中每個群組包括6個移相組，其移相角為0°,±10°,±20°,30°，相鄰之間互差10°。

1.2移相變壓器采用的延邊三角形技術(shù)

圖1　順延移相變壓器向量圖

根據(jù)繞組的不同接線方式，移相變壓器可以分為順延和逆延兩種，即變壓器的二次側(cè)繞組的線電壓相位超前或者滯后一次側(cè)繞組線電壓相位一個角度α。

圖1為順延移相變壓器的向量圖，一次側(cè)為星形接線方式，二次側(cè)為延邊三角形延邊接線方式，一次側(cè)的繞組匝數(shù)為N1，二次側(cè)繞組分為兩部分，匝數(shù)分別為N2和N3。從向量圖中可以得出二次側(cè)的線電壓超前一次側(cè)的線電壓角度α。

以下是定量分析線電壓，繞組的匝數(shù)以及角度α之間的關(guān)系：

根據(jù)向量圖可以得到：

將式（1）帶入變壓器的變比式（2）可得：

同理可以得出逆延移相變壓器的變比為：

電動機(jī)的每一相由6個功率單元串聯(lián)，則三相共有18個功率單元。變壓器一次側(cè)為星形繞組連接，二次側(cè)為延邊三角形連接，移相角度為0°，±10°，±20°，30°，變壓器一二次側(cè)線電壓的變比即為定值，那么變壓器的變比n就可以計算出來。

1.3移相變壓器減少諧波的原理

變頻器根據(jù)主電路工作方式，分為電壓型和電流型兩種。

通常電壓型變頻器整流部分使用的是二極管，而電流型變頻器整流部分使用的是晶閘管。

以變頻器為電壓型為例，其整流部分電路（略圖）如圖2所示。

圖2　電壓型變頻器整流部分電路

整流電路中有6個二極管，在各自的自然換向角時導(dǎo)通。根據(jù)傅里葉變換分析，a相電流除了基波分量之外，含有6m±1次高次諧波，其電流的表達(dá)式為：

如果式（3）電流為二次側(cè)電流，需要換算至一次側(cè)的話，則需要將上式表達(dá)式先寫成如下形式：

將a相的電流表達(dá)式寫成式（4）是為了區(qū)分正序和負(fù)序，前兩項為正序，最后一項為負(fù)序。如果移相變壓器的一二次側(cè)的電壓沒有相位差，并且變比為1時，則二次側(cè)電壓或者電流換算至一次側(cè)就是二次側(cè)的表達(dá)式；如果移相變壓器的一二次側(cè)的電壓是有相位差的，假設(shè)二次側(cè)電壓（電流）要超前一次側(cè)電壓（電流）α，則所有二次側(cè)的正序電壓（電流）換算至一次側(cè)要滯后α，所有二次側(cè)的負(fù)序電壓（電流）換算至一次側(cè)要超前α，反之亦然。

比如二次側(cè)電流超前一次側(cè)電流α，其二次側(cè)電流表達(dá)式為：

則將上式電流換算至一次側(cè)，整理可得：

由于36脈波整流電路的六項二次側(cè)電流相位互差10°，并且電流的相位角度分別為0，±δ1，±δ2以及 δ3，其中δ1，δ2，δ3分別為，，，則六項二次側(cè)電流的表達(dá)式分別為

分析式（5）可得到以下結(jié)論：

1）無論m取何值，基波電流總是存在的。

2）當(dāng)m=1時，

即5次和7次諧波分量相加之后為0，所以一次側(cè)電流不存在5次和7次諧波。同理可以分析，當(dāng)m=2,3,4,5時，為 0，所以就不存在11,13,17,19,23,25,29,31次諧波。

3）當(dāng)m=6時，

也就表明電流分量的35次和37次諧波分量相加后不為0，即一次側(cè)電流存在35次和37次諧波。

綜上所述，當(dāng)采用36脈波整流時，一次側(cè)的電流將只有基波以及36k±1，k=1,2,3,…次諧波，最低次諧波為35次。

2　網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)

在正弦電路中，電路的有功就是在一個周期內(nèi)的平均功率：

在非正弦電路中，即含有諧波的電路，有功功率，視在功率以及功率因數(shù)的定義都和正弦電路中一致，如果不考慮電壓畸變，即電壓仍然為正弦波，電流為非正弦波的情況下，非正弦的有功功率為：

其中I1為電流基波分量的有效值，cosφ1為位移因數(shù)（基波功率因數(shù)）。

根據(jù)推算，可以得出所有的高次諧波的電流在正弦電壓下的有功功率都為0，則非正弦的功率因數(shù)為：

電流基波分量的有效值與電流的有效值的比值在三相橋式不可控整流電路中，位移因數(shù)基本上為1，所以功率因數(shù)主要就是由基波因數(shù)所決定的。

假設(shè)三相橋式不可控整流電路中電感足夠大，電流為Id（平直），那么對于a相電流的表達(dá)式（3）。

可以看出a相電流除了基波分量之外，含有6m±1次高次諧波。

同時我們可以得到a相電流的有效值為：

而電流的基波有效值和高次諧波有效值表達(dá)式為:

可以看出諧波分量的有效值為基波電流有效值除以諧波的次數(shù)，而諧波電流有效值與諧波次數(shù)成反比。

將式（9）和式（7）代入式（10），可以得出基波因數(shù)和功率因數(shù)為：

考慮到位移因數(shù)基本為1，那么λ=ν=0.955。

以上分析都是在理想的情況下進(jìn)行討論的。

然而在電壓型變頻器中，為了抑制沖擊電流，可以串接電感或者充電電阻，這樣的電流波形就會平緩許多，并且有利于電路的正常工作。

就以電壓型變頻器串接充電電阻，其整流部分以及電流波形如下圖3所示。

圖3　電壓型變頻器串接充電電阻整流與電流波型

對這樣的整流電路，可以看到a相的電流并不平直。經(jīng)過傅里葉變換得出a相電流雖然是除了基波分量之外，仍然含有6m±1次高次諧波，但是電流的基波有效值和高次諧波的有效值卻不是式（10）。根據(jù)相關(guān)資料顯示，就其五次諧波，它的有效值就非常的大，大概占基波分量的80%如圖4所示。

圖4　電壓型變頻器串接充電電阻五次潛波有效值

總電流的有效值為各個諧波分量的有效值的均方根（包括基波分量有效值），那么此時的基波因數(shù)和功率因數(shù)分別為：

上述算法只是粗略的計算出基波因數(shù)和功率因數(shù)，實際上它的數(shù)值是小于0.78的。

同時我們也可以得到當(dāng)諧波次數(shù)越大，它的有效值占基波電流有效值的比重就越小，使用移相變壓器的好處就顯現(xiàn)出來了。當(dāng)采用36脈波整流時，一次側(cè)電流除了基波電流，最低次諧波為35次，對于35次諧波而言，其有效值占基波電流的有效值是非常小的，這樣基波因數(shù)就提高了很多，那么對于一次側(cè)功率因數(shù)而言，其數(shù)值也是很大的，所以，使用移相變壓器不僅消除了高次諧波，而且有助于提高網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)。

值得注意的是，對于大型電動機(jī)而言，它本身的功率因數(shù)其實并沒有改變，使用變頻裝置，采用移相變壓器，只是提高了一次側(cè)即網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)。

申能臨港燃機(jī)電廠循泵在沒有改變頻之前，在工頻50 Hz運(yùn)行時，功率因數(shù)是較低的，為0.762。

當(dāng)循泵改變頻之后的，在循泵頻率為33Hz，42 Hz以及50 Hz測得的數(shù)據(jù)顯示：

當(dāng)循泵頻率依次上升時，網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)基本上保持不變，維持在0.97左右，然而變頻器輸出的功率因數(shù)是上升的。網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)也大幅度地提高了，從0.762上升至0.970，而線電流從410.87（A）下降至337.52（A），同時，循泵自身的功率因數(shù)在工頻的情形下并沒有得到改變，而所需要的無功在變頻器輸出側(cè)得到了補(bǔ)償，從而減少了在網(wǎng)側(cè)的輸出電流。

根據(jù)上述分析，我們得出變頻裝置采用移相變壓器輸入多重化可以改善網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)，適當(dāng)?shù)亟档途W(wǎng)側(cè)的無功和輸出電流。

3　結(jié)語

對大型電動機(jī)進(jìn)行變頻技術(shù)改造，其節(jié)能降耗的效果眾所周知是顯著的。在大量安裝變頻裝置的同時，整流系統(tǒng)向電網(wǎng)饋送的諧波電流造成非常大的電壓波形畸變，會嚴(yán)重影響供電網(wǎng)絡(luò)的電能質(zhì)量。如今高壓變頻裝置采用移相變壓器輸入多重化技術(shù)使得諧波大幅度地減小，使電力系統(tǒng)滿足各種標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范要求，同時還提高了網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)，適當(dāng)?shù)馗纳齐娔苜|(zhì)量及減少電能損失。變頻器作為廣泛應(yīng)用的節(jié)能設(shè)備，在電力行業(yè)領(lǐng)域隨處可見，可給國家、社會和企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

Analysis on Large Electric Power Motor Frequency Conversion Technology Renovation

Du WenjieShanghai Jiaotong University
Shanghai Shengneng lingang gas turbine power generation Co.,Ltd
Yang JingfeiShanghai Jiaotong University

The goal of large electric power motor frequency conversion is to achieve energy-saving and consumption-reducing and improve economic index, meanwhile using frequency conversion device could result in harmonics harm in state grid and electric power quality deterioration. High voltage frequency conversion device with phase shifting transformer could realize multi-inputs and reduce harmonics input and improve network side power factor, which could be applied widely in electrical industries.

Phase Shifting Transformer, Multi-Inputs, Harmonics, Power Factor

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2015.12.008