高壓變頻器在大功率電機(jī)節(jié)能改造中的應(yīng)用研究

李剛

摘要：在工業(yè)生產(chǎn)中，電機(jī)是主要的耗電設(shè)備，高壓大功率電動(dòng)機(jī)尤其明顯，這些設(shè)備當(dāng)中普遍存在著很大的節(jié)能潛能，這亦決定了新時(shí)期大力發(fā)展高壓大功率變頻技術(shù)應(yīng)用的迫切性和必要性。近些年的實(shí)踐中表明，應(yīng)用高壓大功率變頻系統(tǒng)具有可靠性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)效益好的特點(diǎn)，變頻調(diào)速以其啟動(dòng)和制動(dòng)性能、優(yōu)異的調(diào)速、高功率因數(shù)、高效率、廣泛的使用及良好的節(jié)能效果等優(yōu)勢(shì)而被公認(rèn)為最具發(fā)展前途的調(diào)速方式，是調(diào)速技術(shù)未來發(fā)展的方向。那么在這一技術(shù)當(dāng)中，高壓變頻器是如何在大功率電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用中發(fā)揮調(diào)速節(jié)能作用的，這即是本文所要闡述的重點(diǎn)內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：高壓變頻器；大功率電機(jī)；節(jié)能改造；應(yīng)用

1 節(jié)能措施的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

國(guó)外普遍采取的是能量回饋技術(shù)，主要是應(yīng)用高壓變頻器對(duì)大功率電機(jī)設(shè)備進(jìn)行調(diào)速控制，利用能量轉(zhuǎn)移回原始設(shè)備的功率消耗的反饋分量部分，從而達(dá)成降低能源損耗的整體效果。德國(guó)西門子公司研制的高壓電機(jī)的四象限運(yùn)行電壓型交流變頻技術(shù)已經(jīng)非常成熟，非常普遍。日本富士公司推出的FRENIC、RHR系列再生能量裝置，也是十分有效、十分成熟的大功率電機(jī)改造的成品。但是國(guó)外的高壓變頻裝置總的說來價(jià)格偏高、對(duì)電網(wǎng)的專業(yè)要求也很高，不太適合中國(guó)工農(nóng)業(yè)共同發(fā)展的現(xiàn)階段基本國(guó)情。我國(guó)的技術(shù)已經(jīng)能夠支撐高壓變頻裝置的研發(fā)，技術(shù)上也較為成熟。高壓變頻器作為一種高效節(jié)約性產(chǎn)品，也已經(jīng)被普遍地使用在中國(guó)的各行各業(yè)。將變頻技術(shù)引入到中國(guó)工農(nóng)業(yè)的大功率電機(jī)設(shè)備的節(jié)能改造中，能在很大程度上節(jié)約電能，提高生產(chǎn)效率，減少單位產(chǎn)品的能量使用成本。高壓變頻器的應(yīng)用，為各行業(yè)的發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)，也為整個(gè)社會(huì)帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益。

2 高壓變頻器的工作原理和優(yōu)勢(shì)

2.1 高壓變頻原理

高壓變頻器應(yīng)用單位復(fù)用復(fù)合技術(shù)。其內(nèi)在結(jié)構(gòu)是多個(gè)YWM功率單位串聯(lián)，并把高壓變頻器組件串聯(lián)，構(gòu)成電壓型變頻器系統(tǒng)。它由幾個(gè)YWM功率單位通過串聯(lián)組成，將高壓變頻器組件直接串聯(lián)構(gòu)成多級(jí)電壓型高壓變頻器。高壓變頻器采用多臺(tái)單相逆變器串聯(lián)連接，在多重疊加時(shí)，每臺(tái)逆變器中PWM的三角波有均勻的相位位移，致使高次諧波互相抵消，減少輸出電壓中的諧波含量，輸出波形十分接近正弦波，得到高壓交流電，從而實(shí)現(xiàn)高壓輸出。它對(duì)輸入和輸出變壓器的影響很小，因此設(shè)備內(nèi)在的電能消耗也隨之降低，并且隨著材料器件的集成化趨勢(shì)進(jìn)一步發(fā)展，電機(jī)所使用的變頻器的空間位置也將越來越窄。這種高壓變頻器具有高效率低能耗小體積的特點(diǎn)。

2.2 節(jié)能原理

隨著企業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，大功率電機(jī)也越來越普及，傳統(tǒng)低功率電機(jī)在工作時(shí)的恒定動(dòng)力消耗了較大的電能，造成了極大的成本浪費(fèi)。高壓變頻調(diào)速技術(shù)使大功率電機(jī)根據(jù)負(fù)載的增減情況不斷地調(diào)節(jié)原動(dòng)力，使得輸入和輸出電能平衡，有效地降低了電能損耗。功率、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速存在著關(guān)系：P=MV，降低大功率電機(jī)的原理就是這個(gè)式子的具體應(yīng)用。當(dāng)電機(jī)的負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，應(yīng)用高壓變頻調(diào)速技術(shù)，在電機(jī)的負(fù)載發(fā)生變化時(shí)就及時(shí)通過高壓變頻器的電機(jī)頻率調(diào)節(jié)機(jī)制，使得電機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生改變來保持輸入、輸出電能的同步并最終平衡，達(dá)到大功率電機(jī)節(jié)能的目的。

2.3 變頻調(diào)速的優(yōu)勢(shì)

三相異步電機(jī)的運(yùn)行區(qū)域包括最佳運(yùn)行區(qū)、普通運(yùn)行區(qū)以及不經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)。最佳運(yùn)行區(qū)的電機(jī)負(fù)載率最高，一般來說會(huì)高于70%，而不經(jīng)濟(jì)運(yùn)行區(qū)得負(fù)載率是最少的，大約是在40%以下。因此根據(jù)相關(guān)能耗規(guī)范，應(yīng)當(dāng)對(duì)平均負(fù)載率超過70%的大功率電機(jī)進(jìn)行改造。高壓變頻器的調(diào)頻原理是通過改變輸入電壓的頻率，來適應(yīng)電機(jī)設(shè)備負(fù)載的變化，并實(shí)現(xiàn)電能輸入與輸出均衡，來確保在最佳狀態(tài)的電力工作。調(diào)頻電機(jī)設(shè)備，以確保其有效運(yùn)作無(wú)論是在哪種電壓下，這樣不僅提高了電機(jī)的自我調(diào)節(jié)的能力，避免電機(jī)遭受沖擊，也達(dá)到了降低單位能耗，提高能源利用效率的目標(biāo)。

3 大功率電動(dòng)機(jī)中高壓變頻器調(diào)速節(jié)能的應(yīng)用

高壓大功率變頻調(diào)速的裝置一般而言就是一種電壓源型的，這種電壓源型的裝置大多使用串聯(lián)的形態(tài)，而且一般是多重疊加狀態(tài)的，這也就是帶來了價(jià)位穩(wěn)定的電壓，而且采用多臺(tái)單相逆變器串聯(lián)連接，得到可調(diào)頻調(diào)壓的高壓交流電，用以驅(qū)動(dòng)交流電機(jī)。每臺(tái)單相逆變器為典型的單相三電平橋式逆變器，它由輸入變壓器的一個(gè)副邊繞組供電，經(jīng)整流、濾波后的直流電壓供給單相橋式逆變線路，采用專門的PWM控制技術(shù)將直流電逆變?yōu)?-50Hz、0-557V的可調(diào)頻調(diào)壓的單相交流電。6kV變頻器每組由6臺(tái)單相逆變器串聯(lián)可得No～3462V高壓交流電。三個(gè)相組成三相輸出，線電壓為6kV。

在多重疊加時(shí)，每臺(tái)逆變器中PWM的三角波有均勻的相位位移，因而疊加時(shí)有用的基波直接疊加，而高次諧波互相抵消，大大減少了輸出電壓中的諧波含量，輸出波形十分接近理想的正弦波。高壓變頻器的調(diào)速裝置是多重串聯(lián)疊加拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的一種高壓變頻器，被用于大功率交流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)。高壓變頻器中，每一臺(tái)單向的逆變器均為典型的三電平橋式單相逆變器，由變壓器進(jìn)行繞組供電的輸入，將變流通過整流和濾波程序轉(zhuǎn)化為直流電壓，再向橋式單相逆變線路實(shí)施攻供給。高壓變頻器，利用自身專門的控制技術(shù)將直流電逆變成可調(diào)壓、跳頻的單向交流電。在多重疊加的情況時(shí)，每一臺(tái)逆變器中的三角波均會(huì)產(chǎn)生均勻的相位移，有用的基位疊加在一起，而高次的諧波則得到了相互的抵消，這使得輸出電壓諧波的含量大大地減小，且輸出的波形同理想的正弦波十分接近。高壓變頻器的功率單位采用的是模塊化的結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部全部的功率單元均可以彼此互換，維修也十分的方便。由于功率單元采用的是串聯(lián)式的結(jié)構(gòu)，故可在功率單元的旁路設(shè)置選件，當(dāng)功率單元發(fā)生故障時(shí)，就可將故障轉(zhuǎn)至故障單元的自動(dòng)旁路，變頻器仍可正常運(yùn)行，進(jìn)而保證了系統(tǒng)可靠的運(yùn)行。

變頻器在工控系統(tǒng)中較為重要，是其中非常重要的組成設(shè)備，在安裝時(shí)，一般是安裝在點(diǎn)擊前端用來實(shí)現(xiàn)變頻器的調(diào)速和節(jié)能的，這些節(jié)能和調(diào)速的實(shí)現(xiàn)，對(duì)于機(jī)械組的使用是有著較為重要的價(jià)值的。高壓變頻器后端主要拖動(dòng)風(fēng)機(jī)、水泵類負(fù)載，實(shí)際節(jié)電效果達(dá)30%～60%，未來該行業(yè)市場(chǎng)發(fā)展將受益于大中型項(xiàng)目改造；低壓變頻器與控制層和執(zhí)行層設(shè)備共同組成自動(dòng)化控制系統(tǒng)，其未來發(fā)展將受益于制造業(yè)“裝備升級(jí)”。變頻技術(shù)最先用來對(duì)電機(jī)進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)速，通過控制半導(dǎo)體器件的通斷改變輸出頻率，以實(shí)現(xiàn)對(duì)后端拖動(dòng)交流電機(jī)的軟啟動(dòng)、變頻調(diào)速及提高運(yùn)轉(zhuǎn)精度，并實(shí)現(xiàn)過流、過壓、過載保護(hù)。從電壓分類上，一般把針對(duì)3kV～10kV高壓環(huán)境下運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)而開發(fā)的變頻器稱為高壓變頻器，而將輸入電壓不高于690V的稱為低壓變頻器。目前我國(guó)高壓變頻器在電力、冶金、水泥領(lǐng)域應(yīng)用較多，合計(jì)占比超過50%；低壓變頻器應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛，涉及工業(yè)生產(chǎn)、石油煤炭、市政交通等多個(gè)行業(yè)。高壓變頻下游細(xì)分市場(chǎng)組成。

4 結(jié)語(yǔ)

高壓變頻器可以應(yīng)用于電廠各個(gè)環(huán)節(jié)和設(shè)備的節(jié)能，文章只是根據(jù)電廠實(shí)際情況在綜合比較分析的基礎(chǔ)上，選擇了兩個(gè)方面作為突破點(diǎn)，這也充分說明了在具體實(shí)踐中要從設(shè)備狀況、節(jié)能效果、技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)行綜合認(rèn)證，最終確定最佳的高壓變頻器節(jié)能技術(shù)方案。

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（作者單位：河鋼集團(tuán)承鋼公司能源事業(yè)部）