（电气工程专业论文）临河热电厂凝结水泵应用高压变频调速技术改造的研究.pdf

华北电力大学工程硕士学位论文摘要 摘要 随着电气传动及变频调速技术的发展，作为大容量传动的高压变频调速技术在 节能领域得到了广泛应用。本文主要针对变频调速的基本原理，研究了高压变频器 的拓扑结构、控制方法、调制方法等，并对功率单元串联多电平变频器的谐波抑制 性能进行了分析。在此基础上，采用z i n v e i 汀系列高压变频器，结合北方联合临 河热电厂凝结水泵工作原理和现场数据，设计一套6 k v 、5 0 0 k w 凝结水泵电动机 变频调速改造方案。在方案实施后对现场运行效果进行了分析总结。 关键词：凝结水泵，变频调速，热电厂，节能 a b s t r a c t a st h ee l e c t r i cd r i v i n gt e c h n o l o g ya n dv a r ia - b l ef e q u e n c ys p e e dr e g ；u l a t i o n t e c h n o l o g yd e v e l o p ，l a r g e - c a p a c i t yh i g h - v o l t a g ef i r e q u e n c yc o n t r o lt e c | h n o l o g yh a sb e e n w i d e l ya p p l i e di n t h ee n e i 苫ys a v i n gf i e l d i nt h i s p 印e r t h er e l a t e di s s u e so f h i g h - v o l t a g ei n v e n e rt e c h n 0 1 0 9 ya r ea n a l y z e d ，t h es c h e m eo ff r e q u e n c y c o n v e r s i o n r e n o v a t i o ni sd e t e n n i n e di nl i g h to ft h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fc o n d e n s a t i o np u m pa n d o n s i t es u r v e yd a t a t h e nt h ep a p e ri n t r o d u c e st h eb a s i cp r i n c i p l e so fv a r i a b l ef r e q u e n c y s p e e dr e g u l a t i o n ， s t l l d i e st h et o p o l o g yh i g h v o l t a g ec o n v e r t e r c o n t r o lm e t h o d s ， m o d u l a t i o nm e t h o d s ，e t c ，a n da n a l y s e st h eh a n n o n i cf i c t i o np e r f b n n a n c eo fp o w e ru n i t s e r i e sm u l t i 1 e v e li n v e r t e r i nt h ea b o v eb a s i s ，d e s i g nap r o g r a mo f6 k v ，5 0 0 k w c o n d e n s a t e 口u m pm o t o rv a r i a b l ef r e q u e n c ys p e e dr e g u l a t i o no nt h eu s eo fz i n v e r t s e f i e so fh i g h v o l t a g ei n v e n e rc o m b i n e dw i t hi m p r o v e m e n tp r o j e c to fn o i t hu n i t e d p o w e rc o r p o r a t i o nl i n h et h e m o e l e c t r i c i t yp l a n t z h a oy o n g ( e l e c t r i c a le n 西n e 嘶n 曲 d i r e c t e db yp r o fl iy b n g - g a n g 、 e i l 百n e e r s uj i n g k e yw o r d s ：c o n d e n s a t ep u n l p ，v a r i a b l ef r e q u e n c ys p e e dr e g u l a t i o n ， t h e r m o e l e c t r i c i t yp l a n t ，e n e r g ys a v i n g 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文l 临河热电厂凝结水泵应用高压变频调 速技术改造的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期问，在导师指导下进行的 研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅：学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 翅 新硌伞叼 日期：卜j 毋 华北电力大学工程硕士学位论文 1 1 选题背景及意义 第一章绪论 我国目前面临着严峻的能源紧张问题，能源剩余开采量不及世界平均水平的 1 1 0 ，能源需求急剧增长，需求增速连续4 年超过g d p 增速。并且生产效率低我 国单位产值能耗是日本的1 1 5 ，是法国和德国的7 7 倍，是美国的4 倍。同时能源 问题使环境保护形势非常严峻，这一系列存在的问题迫使我们必须在节能减排上加 大力度【1 1 。 随着电力行业的改革不断深化，厂网分家、竞价上网政策的逐步实施，降低厂 用电率，降低发电成本，提高上网电能的竞争力，已成为各火电厂努力追求的经济 目标，而且要求越来越迫切。以下就是对2 0 0 8 年国内主要发电集团能耗数据的分 析：如表1 1 所示为2 0 0 8 年1 1 1 月五大发电集团能耗指标对标表，图1 1 所示为 2 0 0 8 年l 一1 1 月份五大集团火电厂用电率对比图。 表1 12 0 0 8 年1 1 1 月五大发电集团能耗指标对标表 2 0 0 6 年以来，华能集团公司认真贯彻落实党中央、国务院关于进一步加强节能 减排的部署和要求，深入开展节约环保型企业创建工作，制定了2 0 0 6 2 0 1 0 年华 能集团公司创建节约环保型企业规划，2 0 0 7 年，集团公司对规划进行了滚动修订， 提出了更高的节能减排目标，要求到2 0 1 0 年，公司供电煤耗达到3 3 0 克千瓦时， 火电厂用电率达到6 ，并将修订后的“十一五 节能减排目标逐年分解到各个产 业公司。其中北方公司2 0 0 9 年供电煤耗、发电厂用电率目标为供电煤耗3 4 8 8 克 千瓦时，厂用电率8 2 2 ( 含风电) 。 华北电力大学工程硕士学位论文 ， 8 c 正 一_ _ 1 _ _ 一穰黟 g e _ 一 ? 6 c 4 2 。 o 。 华能大唐华电国电巾电投 i 口1 1 月 5 7 36 4 36 3 66 3 47 6 6 i _ 卜1 1 月 6 2 46 3 76 6 96 4 97 4 8 图1 12 0 0 8 年l 1 1 月份五大集团火电厂用电率对比图 近年来，华能集团公司加大投入，采用新技术、新工艺对现役机组进行节能技 术改造。先后对1 9 台汽轮机通流部分进行了改造，对3 3 4 台、4 4 8 m w 容量的风机、 泵类电机进行了变频改造。对火电厂主要辅机进行变频调速改造符合产业政策，有 利于企业整体实力的提高。 1 2 变频调速技术发展、应用现状 1 2 1 电力电子器件的发展、应用 二十世纪八十年代，各种高速、全控型的器件先后问世，如可关断晶闸管 ( g t o ) 、电力晶体管( g t r ) 、功率场效晶体管( 功率m o s f e t ) 、绝缘栅双极晶 体管( i g b t ) 、静电感应晶体管( s i t ) 、静电感应晶闸管( s i t h ) 、m o s 晶闸管( m c t ) 等【4 】【2 。原来交流装置中的普通晶闸管逐渐被这些新型器件取代，新的结构紧凑的 变流电路随之出现，许多早期的变流方式再次焕发青春，过去难以实现的控制方式 也得以实现。这一切使电力电子技术具有了全新的面貌，这些现代器件具有全控化、 集成化、高频化、多功能化、大功率化的特点。现代电力电子器件的出现，实现了 弱电对强电的控制，使电子技术步入大功率领域，其全控特性使得不仅能控制其开 通，而且能控制其关断，在工业上引起了一场技术革命，变流装置也由旋转方式变 为静止方式。全控型又可分为三大类：双极型、单极型和混合型。在电力系统中应 用较多的为混合型器件，它是由双极型器件和单极型器件混合集成而成。它利用耐 压高、电流密度大、导通压降低的双极型器件( 如s c r 、g t r 、g t o 等) 作为输 出级，因而兼并了两者的优点。这类器件的典型有：i g b t 、m c t 和功率集成电路。 2 华北电力大学工程硕士学位论文 i g b t 自上世纪八十年代以来发展十分迅速，最大容量已达3 0 0 0 a ，最高电压等级 已达1 0 0 0 0 v ，工作频率已超过4 0 k h z 。大电流，高耐压及高频率的开关速度为变 频器的发展奠定了基础【4 】【19 1 。 1 2 2 变频控制方式的发展现状 早期通用变频器大多数为开环恒压频比( v 仁常数) 的控制方式。其优点是控制 结构简单、成本较低，缺点是系统性能不高，比较适合应用在风机、水泵场合。具 体来说，其控制曲线会随着负载的变化而变化，转矩响应慢，电机转矩利用率不高， 低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差等【8 】。 对变频器v f 控制系统的改造主要经历了3 个阶段： 第1 阶段：电压空间矢量控制，也称磁通轨迹法。8 0 年代初由日本学者提出。 该方法以三相波形的整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨 迹为目的，一次生成二相调制波形。然而，在上述方法中，由于未引入转矩的调节， 系统性能没有得到根本性的改善。第2 阶段：矢量控制，也称磁场定向控制。矢量 控制的基本点是控制转子磁链，以转子磁通定向，然后分解定子电流，使之成为转 矩和磁场两个分量，经过坐标变换实现正交或解耦控制。但是，由于转子磁链难以 准确观测，以及矢量变换的复杂性，使得实际控制效果往往难以达到理论分析的效 果。此外，它必须直接或间接地得到转子磁链在空间上的位置才能实现定子电流解 耦控制，在这种矢量控制系统中需要配留转子位置或速度传感器，这给许多应用场 合带来不便。尽管如此，矢量控制技术仍然在努力融入通用型变频器中。第3 阶段： 直接转矩控制理论( d t c ) 。直接转矩控制把转矩直接作为被控量来控制。直接转矩 控制是控制定子磁链，在本质上并不需要转速信息，控制上对除定子电阻外的所有 电机参数变化鲁棒性良好。所引入的定子磁链观测器能很容易估算出同步速度信 息，因而能方便地实现无速度传感器化，即无速度传感器直接转矩控制。但这种控 制依赖于精确的电机数学模型和对电机参数的自动识别。这种系统可以实现很快的 转矩响应速度和很高的速度、转矩控制精度【7 】【2 3 1 。 1 2 3p w m 技术发展现状 p w m 技术是变频技术的核心技术之一。1 9 6 4 年由a s c h o n u n g 和h s t e m m l e r 首先在b b c 评论上提出。p w m 控制技术大致可以分为三类，正弦p w m ( 包括 电压、电流或磁通的正弦为目标的各种p w m 方案，多重p w m 也应归于此类) 、优 化p w m 及随机p w m 。正弦p w m 已为人们所熟知，而旨在改善输出电压、电流波 形，降低电源系统谐波的多重p w m 技术在大功率变频器中有其独特的优势。而优 化p w m 所追求的则是实现电流谐波畸变率( t h d ) 最小，电压利用率最高，效率最 华北电力大学工程硕士学位论文 优，转矩脉动最小以及其他特定优化目标。任何控制算法的最终实现几乎都是以各 种p w m 控制方式完成的。目前已经提出并得到实际应用的p w m 控制方案就不下 十几种。尤其是微处理器应用于p w m 技术并使之数字化以后，花样是不断翻新， 从最初追求电压波形的正弦，到电流波形的正弦，再到磁通的正弦：从效率最优，转 矩脉动最少，再到消除噪音等，p w m 控制技术的发展经历了一个不断创新和不断 完善的过程。到目前为止，还有新的方案不断提出，进一步证明这项技术的研究方 兴未艾【2 2 2 7 1 【2 9 1 。 1 2 4 高压变频技术应用现状 目前，变频调速技术已广泛应用于低压电动机的调速传动中，随着技术的进步 和制造工艺的提高，高电压大功率变频调速器生产技术也已逐渐趋于成熟，正逐渐 应用于各个领域。例如，在大功率交一交变频( 循环变流器) 调速技术方面，法国阿 尔斯通公司已能提供单机容量达3 万k w 的电气传动设备用于船舶推进系统；在大 功率无换向器电机变频调速技术方面，意大利a b b 公司提供了单机容量6 万k w 的设备用于抽水蓄能电站；罗克韦尔自动化公司生产的a b 变频器已经达到 8 5 0 0 k w ；德国西门子公司s i m o v e r t a 电流型晶闸管变频调速设备单机容量为1 卜 5 6 0 0k v a ；s i m o v e r t pg t op w m 变频调速设备单机容量为1 0 0 一9 0 0 k v a ；而目前 性能最好的就是美国r o b i c o n 公司推出的“完美无谐波 高压变频调速装置，采 用多级低电压小功率i g b t _ p w m 功率变换单元串联输出高压变频电能，并实现大 功率集成【2 8 1 【1 9 2 0 1 。 尽管变频技术在电力行业的应用与石油、石化、机械、冶金等行业相比起步较 晚，其应用的范围也相对较窄，主要应用于风机、泵类负载，但在所应用的项目中 均表现出其在节能和控制性能上的巨大优势，具有很大的推广意义。 资料显示：2 0 0 0 年2 月，大庆华能新华发电有限公司引进两套德国西门子生产 的s i m o v e i m a6 s c 2 4 系列变频器，安装在灰浆泵系统中，开创了全国电力系统 高压电机变频改造的先河，也为电力系统大容量高压变频调速技术的推广应用奠定 了基础。山东黄台电厂的引风机变频改造节电率高达4 0 以上；广东湛江发电有限 公司的凝结水泵变频改造不仅取得了良好的的节能效果( 节电率3 0 以上) ，而且大 大提高了凝结水泵的运行可靠性( 泵体振动和电机温度等运行参数明显变优) 。南京 梅山能源有限公司、徐塘发电有限公司应用变频改造，均取得了满意的效果【l l 。18 1 。 1 3 本文的主要工作 本文从节能角度出发，认真分析了临河热电厂各项经济指标的完成情况和辅机 设备数据，并结合当前高压变频技术的发展、应用现状，找出适合本厂凝结泵节能 4 华北电力大学工程硕士学位论文 改造的高压变频调速方案，下面简要介绍一下论文要完成的任务： l 、对比分析凝结水系统流量调节方法及水泵节能原理，结合高压变频技术发 展应用情况，利用现场调研的数据对本厂6 k v 、5 0 0 k w 凝结水泵电机变频改造方 案进行论证。 2 、研究变频调速的基本理论，分析研究变频器中各个模块的功能，掌握变频 技术的基本原理与应用。 3 、重点对单元串联级联电压源型变频器拓扑及其控制方法进行研究。在基于 载波的s p w m 调制的基础上，重点分析目前广泛应用于级联多电平逆变器的载波 移相s p w m 调制方法，分析载波移相s p w m 调制方法对谐波的抑制性能。分析采 用功率单元串联级联多电平p w m 电压源型变频器拓扑如何解决高压变频调速系统 需要解决的耐压、谐波等问题。 4 、对方案中所采用的z i n v e i 玎系列变频器在主电路及控制方法方面进行深入 研究。 5 、将上述方案在现场进行应用实施，完成现场施工工作，并对投运后变频器 在不同运行工况下的数据进行分析总结，得出结论。 华北电力大学工程硕士学位论文 2 1 现场调研 第二章现场调研及方案的初步论证 2 1 1 机组基本情况 北方联合电力有限责任公司临河热电厂位于河套腹地内蒙古巴彦淖尔市， 于2 0 0 4 年2 月正式组建，装机容量2 3 0 0 m w 。两台机组分别于2 0 0 6 年6 月2 6 日、2 0 0 7 年4 月2 4 日投产发电，并于2 0 0 8 年1 0 月1 5 日正式向临河市区供暖，同 时该工程取得了内蒙古自治区经济委员会签发的内蒙古自治区热电联产机组认定 证书，实现了热电联产的目标。 2 0 0 8 年实现经济指标：全厂年累计完成发电量2 7 3 4 5 6 7 7 7 万k w h 、上网电量 完成2 4 8 4 8 1 7 6 万k w h 。设备运行小时：负荷率：# l 机6 5 1 5 、# 2 机6 4 1 9 、 全厂6 4 6 8 。平均利用小时：全厂4 5 5 8 小时。全厂完成供热量：5 8 1 4 1 3g j 。全厂 热电比：6 4 3 。发电厂用电率：撑1 机8 3 0 、撑2 机8 0 1 、全厂8 1 6 。我厂 各项经济指标较华能集团的要求和先进电厂尚有较大差距，为此，在积极拓展外部 市场的同时，在企业内部加强节能管理，加大节能力度，挖掘节能潜力，改造落后 高耗能设备将是今后相当长时间内的重点工作。 2 1 2 凝结水系统配置 在火力发电厂热力循环中，汽轮机的排汽在凝汽器中由循环水间接冷却成水， 即凝结水。热井中的凝结水经凝结泵提压后流经低压加热器送至除氧器，作为锅炉 的给水。同时，母管中的凝结水为相关设备提供减温水。其中凝结水泵起到汽水循 环中一级水泵的作用，是主要辅机之一，其安全、经济运行对电厂的安全经济发电 起着重要作用。而在现有技术条件下，试图通过新的水力模型或制造技术，将泵的 效率再提高1 以达到节能的目的，已经非常困难【2 1 。但在实际运行过程中，泵的 效率是随着工况点的变化而变化的【3 】。当远离设计工况点运行时，效率下降明显， 所以合理调节泵的工况点可以达到节能的目的。工况点的调节包括：管路特性曲线 的调节，如关阀调节；水泵特性曲线的调节，如水泵调速等。在节能效果方面，改 变水泵性能曲线的方法，比改变管路特性曲线要显著得多，因此，改变水泵性能曲 线成为水泵节能的主要方式。电厂的凝结水泵是由电压等级为6 k v 的交流电机驱动 的，对凝结水泵的调速实际而言就是对为水泵提供驱动力的交流电机的调速【5 1 。 临河热电厂两台机组所配置汽轮机为东方汽轮机有限公司制造 6 华北电力大学工程硕士学位论文 c 3 0 0 2 3 5 1 6 7 0 3 5 5 3 7 5 3 7 型，单轴，高中压合缸j 亚临界，具有一次中间再热， 两缸两排汽，采暖用可调整抽汽，凝汽式汽轮机。与相应容量的锅炉和汽轮发电机 配套，构成大型火力发电机组，在电网中以带基本负荷为主，也承担部分调峰任务， 供热时以热定电。凝结水系统配置三台凝结泵( 3 5 0 容量，两台运行能满足汽轮 机调门全开v w o 工况，一台为事故备用) ，为离心式水泵，立式布置于汽机主厂 房0 米至4 米层。在原设计中，三台泵均由6 k v 高压电机拖动，机组负荷变化时， 为维持除氧器水位，必须对凝结水流量进行调节，方法是改变安装在凝结水母管上 的调节阀开度，其系统流程如图2 1 所示。设备规范表2 1 2 3 则说明了凝结水系 统主要辅机设备的选型情况。 图2 1凝结水系统流程图 7 华北电力大学工程硕士学位论文 由上表不难看出，凝结水系统在设计时选择的水泵容量即留有较大裕量。目前， 我厂所属地区用户负荷较小，网架结构不合理，出力受限，致使我厂机组负荷率仅 在6 5 左右，调节阀开度通常维持在4 0 一5 0 左右，凝结水的母管压力在2 2 8 华北电力大学工程硕士学位论文 3 2m p a 之间，泵的出力较实际系统需要多得多，能耗浪费很大。显然，如能对其 进行变频改造，改变调节方式，降低用电量，必将对降低我厂的厂用电率等各项能 耗指标起到一定的作用。 2 2 方案的初步论证 2 2 1 泵类调速节能原理 常见的泵类按流体进入叶轮后流动的方向分为离心式、轴流式和斜流式( 混流 式) 三种，离心泵一般使用出口阀门进行调节，轴流泵一般通过改变叶片角度来调 节【5 1 。图2 2 所示为泵的性能曲线。 h q 函 h i m 琢 0 图2 2 泵的性能曲线 由上图可知，( h q ) n l 是泵在额定转速n l 时的性能曲线，与管网阻力曲线r l 的交点a 为额定工况点。额定流量、扬程、效率分别为q l 、h l 和t 1 a 。节流调节是 关小阀门减小流量，使管网阻力曲线由r l 变为r 2 ，交( h q ) n l 曲线于b 点，流量和 扬程分别为q 2 、h 2 ，泵的效率变为t 1 b 。如采用调速调节使转速由n l 降为n 2 ，此时 泵的性能曲线变为( h q ) n 2 ，c 点为新的运行工况点，流量和扬程分别为q 2 、h 3 。 此时泵的效率曲线变为1 1 1 1 2 ，泵的额定效率不变，即t 1 c = 1 1 a 。 假定额定工况点a 的流量q l 与扬程h l 均为1 0 0 ，q 2 = 0 5 q l ，h 2 = 1 2 h l ，t 1 c t 1 a ， t 1 b = 0 8 1 1 a ，当静扬程h o = 0 时，由比例定律可知q o c n ，h o c n 2 ，故n 2 = o 5 n l ，h 3 = o 2 5 h l 。 = 尼q l 且玑 9 华北电力大学工程硕士学位论文 e = 尼q 2 匕，7 b = 七o 5 q l 1 2 q o 8 ，7 = o 7 5 = 尼q 2 三刁c = 尼o 5 q o 2 5 士7 7 = o 1 2 5 式中：e 泵额定功率：只节流调节时泵消耗功率； 只调速调节时泵消耗功率；七常数。 可见，在流量降为l 2 时，调速调节比节流调节在泵轴上可节省额定功率 6 2 5 ( p j - p t = o 6 2 5 p e ) ，考虑到静扬程的影响( 还有减速后水泵效率的略微下降和调 速装置的附加损耗的影响) ，实际节能效果要小于上述计算。通过实践的统计，泵 类通过调速控制一般可节能2 0 5 0 【6 】。 2 2 2 变频改造的节能估算 无论是什么类型的改造，变频改造前的工频运行功率只均可按以下公式计算： e = 压u ，c o s 妒 其中： p l 单一负荷下工频运行功率； u 电机运行电压； i 电机运行电流； c o s 西单一负荷下运行功率因数，小于额定功率因数。 泵类变频改造后的预计运行功率有多种计算方法，其中最准确的计算方法是利 用特征曲线进行计算。由于在现场会监测系统压力、流量，可以得到比较准确的数 据，因此泵类变频改造后的预计运行功率p 2 ，可根据以下公式计算； 最= 高，b ：刁) 1 0 0 0 3 6 0 0 ” ” 其中： p 广改造后单一负荷下的变频运行功率； q 一单一负荷的运行流量，单位m 3 1 1 ； h 2 变频改造后预计运行压力，单位为p a ； t 1 2 泵类效率，改造后取效率最高值，一般为o 8 3 o 8 6 ； t 1 变频装置效率，一般为0 9 0 0 9 6 。 为论证本次变频改造方案实施的节能效果，结合现场运行数据，选取比较典型 的工况点进行节能估算。当工频拖动时，仅一台凝结泵运行，机组负荷通常可以保 持在1 7 0 m w ，此时凝结水母管流量为4 8 0m 3 l l ，压力3 om p a ，电动机额定电压6 k v ，运行电流5 5a ，除氧器滑压运行，压力为0 5m p a 。 华北电力大学工程硕士学位论文 由此可知工频运行的功率为： 。 日= ；u j c o s 矽= 6 5 6 1 7 3 2 o 7 = 4 0 7 3k w 其中功率因数取o 7 。 考虑到除氧器入口喷嘴的工作压力，凝结水母管压力取1 2m p a ，其中泵的效 率牝取接近额定效率的0 8 ，7 取0 9 6 。预计的变频运行功率： b = 斋，瓴玎) = 4 8 0 1 2 0 0 0 0 0 1 0 0 0 3 6 0 0 ( o 8 0 9 6 ) = 2 0 8 3k w 由上述估算结果可知，凝结水泵应用变频改造的节能效果是可以预见的。 华北电力大学工程硕士学位论文 第三章变频调速及高压变频器相关理论研究 3 1 变频器的基本控制方法 在电动机调速时，一个重要的因素是希望保持每极磁通量m 为额定值不变。 磁通太弱没有充分利用电机的铁芯，是一种浪费；若要增大磁通，又会使铁芯饱和， 从而导致过大的励磁电流，严重时使绕阻过热而损坏电机。对于直流电机，励磁系 统是独立的，只要对电枢反应的补偿合适，保持m 不变是很容易做到的。在交流 异步电机中，磁通是定子和转子磁势合成产生的，怎样才能保持磁通恒定是需要认 真研究的。 三相异步电机定子每相电动势的有效值是： e g = 4 4 4 f l n l k n l m ( 1 ) 式中e 广气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值，单位为v ； f l 定子频率，单位为h z ； n 定子每相绕组串联匝数； k n i 基波绕组系数； 西厂每极气隙磁通量，单位为w b 。 由式( 1 ) 可知，只要控制好e 。和f l ，便可达到控制西m 的目的，对此需要考 虑基频( 额定频率) 以下和以上两种情况。 3 1 1 基频以下调速的控制方法 由式( 1 ) 可知，想要保持o m 不变，当频率f l 由额定值f l n 向下调节时，必须同时 降低e g ，使得e g f i = 常数。即采用恒定的电动势频率比的控制方式。 然而，绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当电动势值较高时，可以忽略 定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子的相电压u l e 。，则得 l t 兰= 常数 石 这就是恒压频比的控制方式。 低频时，u l 和e 。都较小，定子阻抗压降所占的分量就比较明显，不能再忽略。 这时可人为的把u l 抬高一些，以便近似的补偿定子压降。带定子压降补偿的恒压 频比控制特性示于图3 1 中的b 线，无补偿的控制特性则为a 线。 1 2 华北电力大学工程硕士学位论文 u 7 u 1 n 图3 1恒压频比控制特性 1 、恒压恒频时异步电机的机械特性 当定子电压u l 和角频率i 都为恒定时，异步电动机的机械特性方程为： 即n ，2 币耐辆 当s 很小时，可忽略上式分母中含s 各项，则 即以2 嚣础 以虬 即s 很小时，转矩近似与s 成正比，机械特性t s = 坟s ) 是一条直线，见图3 2 所 示。当s 接近于l 时，可近似为： w c 罢，2 而蔫而芘当 即s 接近1 时转矩近似与s 成反比，这时，t e _ f ( s ) 是对称于原点的一段双曲线。 当s 为以上两段的中间数值时，机械特性从直线逐步过渡到双曲线，如图3 2 所示。 n 。s n o is 跏 0 7 图3 2u l 脑l = c 时的机械特性 2 、电压、频率协调控制下的机械特性 在基频以下调速时，异步电动机带负载稳定运行时，由异步电动机的机械特性 1 3 华北电力大学工程硕士学位论文 卅，z 镩而耐 此式表明，对于同一种负载要求，即以一定的转速n ( 或转差率s ) 在一定的负 载转矩下运行时，电压u l 和频率。有多种配合。在电压和频率的不同配合下机械 特性也是不一样的，因此可有不同方式的电压一频率协调控制。 1 ) 恒压频比控制 实行恒压频比控制时，同步转速也随着频率改变， ：笋( ，m 蛐 2 蒜p 7m 埘 因此带负载的转速降落， ，l ：s 万：兰s q ( r l i l i n ) 2 万玎。 ”7 由恒压恒频式的机械特性的近似直线，可以导出： 嘲螽 由此可见，当u l 脑i 为恒定值时，对于同一转矩t g ，s l 是基本不变的，因而 n 也是基本不变的。这就是说，在恒压频比条件下改变频率，机械特性基本是平 行下移的，它们和直流它励电机变压调速的特性变化情况相似，所不同的是，当转 矩增大到最大之后，转速再降低，特性就折回来了，而且频率越低时最大转矩越小。 u l l 为恒定值时，最大转矩t 鲫丑；随角频率i 的变化规律为： k 2 一 由上式可见t g 蝴。是随角频率l 的降低而减少的。频率很低时，t g m x 太小将限 制调速系统的带载能力。采用定子压降补偿，适当的提高电压u l ，可以增强带载能 1 4 华北电力大学工程硕士学位论文 2 ) 恒e g 硒l 控制 图3 3 u 硒= c 控制时变频调速的机械特性 尺白，s 图3 4 感应电动机稳态等效电路图 在图3 4 中： e g _ 气隙( 或互感) 磁通在定子每相绕组中的感应电爿势； e 。定子全磁通的感应电动势： e 广转子全磁通的感应电动势( 折合到定子边) ； 如果在电压一频率协调控制中，恰当的提高电压u 1 分量使它在克服定子压降 后，能维持e l 为恒值( 基频以下) ，则由式( 1 ) 可知，无论频率高低，每极磁通m m 均为常值。由图3 4 可看出： ：坠 2 婚2 + 砰鼋 代入电磁转矩基本公式，可得恒e g l 时的机械特性方程： 以筹，2 嚣靠 当s 很小时，可忽略上式中分母中含s 2 项，则 卅叹鲁) 2 靠与s 成正比 这表明机械特性的这一段近似为一条直线，当s 接近1 时，可以忽略上式分母中的 华北电力大学工程硕士学位论文 砰项，则 i 3 ，l ，( 丝) 2j 与s 成反比 qs 甜i ，2 这时的机械特性是一条双曲线。 s 值为上述两处的中间值时，机械特性在直线与双曲线之间过渡，整条特性与 恒压频比时的特性具有相同的性质。但是，恒e l 控制的转矩公式分母中含s 项 要小于恒u l 佃i 控制转矩公式中的同类项，也就是说，s 值要更大一些才能使含s 项在分母中占有显著的分量，从而不能被忽略，因此恒e l 控制机械特性线性段 的范围会更宽些。图3 5 绘出了不同电压一频率协调控制方式的机械特性。 图3 5不同电压一频率协调控制方式的机械特性 a _ 恒压频比控制( u l 肠1 ) 方式、卜恒e g 硒l 控制方式、r 恒e 幽l 控制方式 3 ) 恒e 。脑l 控制 如果把电压一频率协调控制中的电压u 1 相对地再提高一些，把转子漏抗上的压 降也抵消掉，就得到恒e 加l 控制。由图3 4 可得 t 2 南 代入电磁转矩的基本关系式，得 互- 3 ( 鲁) 2 嚣 不必作任何的近似就可得出，这时的机械特性t g = f ( s ) 完全是一条直线，如图3 5 所示。显然，恒e f l 控制的稳态性能最好，可以获得和直流电机一样的机械特性。 这才是高性能交流变频调速真正应该追求的目标。 由以上的分析可以得出，电压u l 和频率l 是变频器异步电动机系统的两个独 立的控制变量，在变频器控制时这两个变量进行协调控制。恒压频比控制( u i 佃1 ) 最容易实现，它的变频机械特性基本上是平行下移，硬度也较好，能够满足一般的 调速要求，但低速带载能力还较差，需对定子压降进行补偿。恒e 。加l 控制通常对 恒压频比实行电压补偿，可以在稳念时做到m = 恒值，从而改善了稳态调速性能。 华北电力大学工程硕士学位论文 但是，它的机械特性还是非线性的，产生转矩的能力仍然受到限制。恒e l 控制 可以得到和直流它励电动机一样的线性机械特性，从而具备了实现高性能调速的可 能性。按照转子全磁通中西m 等于恒值进行控制可以得到恒e r i 值。在稳态和动态 都能保持m m 恒定是变频调速的目的。 3 1 2 基频以上调速的控制方法 在基频以上调速时，频率可以从f l n 往上增加，但电压却不能增加的比额定电压 u l n 还要高，最多只能保持u l = u l n o 由式( 1 ) 可知，这将迫使磁通与频率成反比的 降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。把基频以上和以下两种情况合起来，可得 图3 6 所示的异步电动机变频调速控制特性。如果电动机在不同转速下都具有额定 电流，则电机都能在温升允许的条件下长期运行，这时转速基本上随磁通变化，按 照电机拖动原理，在基频以下，属于恒转矩调速的性质，而在基频以上，属于恒功 率调速。在基频以上调速时，采用电压不变提高频率的恒功率弱磁调速。 ，7 u 1 n d 图3 6 异步电动机变频调速控制特性 3 2 几种高压变频方案研究 在主电路拓扑方面，近年来各种高压变频器不断出现，但到目前为止还没有形 成像低压变频器那样近乎统一的拓扑结构，其主要拓扑有【1 7 】【1 0 】【2 8 】： l 、电流型高压变频器 电流型高压变频器技术成熟，可四象限运行，由于存在大的平波电抗器和快速 电流调节器，过电流保护也容易。但由于高压连接时器件的均压问题、输入输出谐 波问题，使其应用受到一定的限制。电流型高压变频器的种类较多，主要有串联二 极管式、输出滤波器换向式、负载换向式和g t o p w m 式等。 2 、三电平电压型变频器 在p w m 电压型变频器中，当输出电压较高时，为避免器件串联引起的动态均 压问题，同时降低输出谐波和d u d t ，其逆变部分可以采用三电平方式，也称为中点 钳位方式( n e u t r a lp o i n tc l a i i l p e d n p c ) 。三电平可以扩展到多电平，构成多电平电路， 1 7 华北电力大学工程硕士学位论文 其原理与三电平大同小异，而输出电压的台阶数更多、波形更好。 3 、单元串联多电平电压型变频器 单元串联多电平变频器采用若干个低压p w m 变频功率单元串联的方式实现高 压输出。该方案由美国罗宾康公司提出，取名完美无谐波变频器。除以上三大类型 的高压大功率变频器的拓扑外，在这些拓扑的基础上，许多改进的拓扑相继提出。 高压变频器正向高可靠性、低成本、高输入功率因数、高效率、低输入输出谐 波、低共模电压、低d l l d t 等方向发展。对于风机、水泵等不要求四象限运行的设 备，单元串联多电平变频器的输入输出谐波、效率及输入功率因数等方面有明显的 优势，应用前景较大。而对于轧机、卷扬机等要求四象限运行及较高动态性能的场 合，双p w m 结构的三电平变频器会得到广泛的应用【2 8 1 。 3 2 1 三电平电压型变频器 变频器要得到较高的输出电压，在现有的器件耐压和容量水平基础上，采用三 电平的逆变器电路结构，可以避免器件串联引起的动态均压问题。同时降低输出谐波 和d “d t ，使输出波形质量得到较大的改善。三电平逆变器可归结为两种基本的拓扑 结构：二极管钳位( d i o d e - c l a m p ) 和飞跨电容( f 1 ) ，i n g c a p a c i t o r ) 。 1 、二极管钳位三电平逆变器 图3 7 是三相二极管钳位三电平逆变器主电路。其中d a l 、d a 2 、d b l 、d b 2 、 d c l 、d c 2 是钳位二极管，电容c l 、c 2 上的电压为e 2 ，每个桥臂有4 个开关器件 串联，其中每两个开关器件同时处于导通和关断状态。通过控制每相桥臂上4 个器 件的导通、关断，在相应桥臂输出点a 、b 、c 上可以得到三种不同的电平e 2 、o 、 一e 2 ，以a 桥臂为例，可得到表3 1 。 图3 7三相二极管钳位三电平逆变器主电路 1 8 华北电力大学工程硕士学位论文 2 、飞跨电容三电平逆变器 图3 8 给出了三相电容钳位的三电平逆变器，与二极管钳位不同，这种电路是 采用飞跨在串联器件之间的电容进行钳位的。通过控制同一桥臂上的器件导通和关 断，同样可以得到e 2 、o 、一e 2 三种电平，表3 2 给出了详细的状态。从表3 2 可以看出，功率开关v a l 、v a 3 及v 犯、v 甜的状态是相反的；功率开关v r a l 、v a 4 及v 砣、v a 3 的状态也是相反的；如果同时规定输出电压不能在+ e 2 和一e 2 之间 变化，那么可以知道不存在两个器件同时开通和关断的情况，所以不存在动态均压 问题。采用中点钳位的三电平方式使输出增加了一个0 电平，相比于普通电平输出， 电压的台阶高度降低了一半，功率器件在关断时所承受的电压也只有直流母线电压 的一半，更为重要的是三电平增加了输出p w m 控制的自由度，使输出波形质量在 同等开关频率下有较大提高。 图3 8三相电容钳位三电平逆变器主电路 表3 2电容钳位的a 桥臂三电平生成表 三电平高压变频器的输出线电压有5 个电平，使输出波形有较大的改善，但是 如果不加输出滤波器，三电平变频器直接输出时电动机电流的总谐波失真也可以达 到1 7 左右，会引起电动机谐波发热、转矩脉动：同时输出电压跳变是直流母线的 1 9 华北电力大学工程硕士学位论文 一半，d u d t 较大，会影响电机的绝缘，因此一般要配专用电机。如果使用普通电机， 则要增加输出滤波器。 3 2 2 级联型多电平高压变频器 级联型高压变频器是多电平变频器的一种特殊形式。该系列变频器通过若干功 率单元的串联来实现高压输出，从本质上解决了以往高压大功率变频器存在的许多 问题，比如对电网的谐波污染大，输入功率因数较低，电机的转矩脉动大，输出州d t 对电机绝缘的影响等。级联式多电平变频器中首次使用了i g b t 控制技术，独特的 构思和模块化的设计使得该系列变频器在可靠性、易维护性等方面大大优于普通的 高压变频器【1 0 1 【2 1 1 。下面详细介绍其拓扑结构及控制策略。 3 3 单元串联级联多电平电压源型高压变频器研究 3 3 1 单元串联级联拓扑结构 b 相 a 相 图3 9 功率单元连接图 2 0 c 相 华北电力大学工程硕士学位论文 级联式多电平变频器的功率单元连接如图3 9 所示。在这种方式中，。高电压的 输出不是直接输出的，而是通过若干单元的输出串联后叠加得到的。这样对于每个 功率单元来说，不必承受高压，就可以采用低压的功率器件。假设每相有六个功率 单元串联，每个功率单元输出交流有效值5 7 7 v ，单相相电压可达到3 4 6 4 v ，如果 三相y 接对应线电压则为6 0 0 0 v 。主电路的拓扑结构如图3 1 0 所示，整个变频器 系统包括多重化移相输入变压器、串联的功率单元和高压电动机三部分组成。 高压三相 交流输入 输 图3 1 0级联多电平变频器主电路图 按照这种主电路形式拓扑构成的高压变频器可以解决两个技术难题【1 0 】： 2 l 华北电力大学工程硕士学位论文 1 、高可靠性，每一个功率单元都是一个小型的低压变频器，每相的电压由功率 单元的输出电压叠加而成，当一个功率单元出现故障后，只会使相电压降低，通过 旁路切除后系统能继续运行，不会出现一个单元损坏而导致其它单元损坏的连环故 障。这是一个突出的优点，也是功率元件直接串联所不能比拟的。功率元件直接串 联，存在器件串联引起的均压问题，只要有一个功率元件出现故障，就会导致整个 系统不能工作，所以可靠性较差。 2 、此种方式的高压变频器解决了对电网的污染问题，功率因数高。它是每相由 多个低压变频功率单元相互串联通过叠加来实现高压输出，功率单元供电的二次绕 组相互存在一个相位差，实现输入电压多重化，形成多脉波的整流，减少了谐波畸 变。 单元串联多电平高压变频器的一个发展方向是采用额定电压较高的功率单元， 在满足输入输出波形质量的前提下，减少串联的数量，降低成本，提高可靠性。 3 3 2 高压变频器功率单元 构成级联式多电平变频器的功率单元的拓扑结构如图3 1 l 所示，输入电路采用 三相二极管不可控整流，这样可以提高系统的功率因数。在中间直流电路采用大电 容进行平波，所以整个功率单元输出呈电压源特性。该功率单元的输入来自于移相 式变压器，由于该变压器自身的阻抗比较大，在变频器起动的过程中能够起到限流 的作用，所以该功率单元中可以取消限流电阻和旁路开关，这与低压变频器有所不 同。功率单元的输出电路为传统的h 桥逆变电路，每个桥臂由上下两个i g b t ( v l 、 v 2 、v 3 、v 4 ) 和反向并联的功率二极管构成。通过对四个功率器件的控制在每个 功率单元的输出侧产生一定幅值和极性的输出电压u p ，其中i g b t 的状态与输出电 压的关系如表3 3 所示。从表3 3 中可以看出，每个功率单元的输出电压有卜一e ，o ， + e 】三个电压等级，其中e 为直流母线电压。 u v w l _ 一 j i r 一一 广_ 么么么j 刈 2 s 刊( 2 - + u _ - u ， 一 _ _ - _ 叫(碎划 zs 么么 j _ j j ll 1 图3 1 l功率单元电路的结构 2 2 华北电力大学工程硕士学位论文 3 3 3 移相变压器移相方法 功率单元级联型高压变频器采用移相变压器供电，仍以上述1 8 个功率单元为 例