中功率变频调速传动合理选型问题的研讨

中功率变频调速传动合理选型问题的研讨引言以变频调速传动取代定速传动已成为一种趋势，应用越来越广泛,但在中国变频传动的销售额仅占世界市场的4.5%，远低于发达国家。分析原因主要是:(1)由于对200-2000kW中功率传动没有按功率大小合理选择电压等级，一律采用6kV变频传动，致使变频器售价比其控制对象—电动机的售价高得太多，平均约达9倍，投资回收期高达5~6年，比例严重失调;(2)典型的低压二电平变频器售价不高，仅为电机售价的3~3.5倍，但应用于中功率性能不能满足要求，特别是存在着对电网的谐波污染和对被拖动电机的严重影响。为此，许多专家学者都开展这方面的研究，也引起一些争论。本文就此作如下分析和探讨。选型的经济合理性探讨和建议经济性评价包括静态和动态两种分析方法，工程上常用的静态分析法为“投资回收期法”，常用的动态分析法为“费用现值法”。总费用现值是指将设备总投资和设备在经济使用期内的运行总费用按资金的时间价值规律折算到经济运行期第一年的总费用称为“总费用现值”，其值最小者为最佳方案。在对辅机传动节电改造项目进行经济性评价时，常将变频调速方案与目前公认的电厂使用较广、节电效果较好的液力调速离合器方案进行对比。遗憾的是在作者参与的改造工程中，往往都是变频调速方案在节电效果和技术的先进性方面占明显优势，但由于初投资过高，其经济性明显处于劣势［7］。据分析，初投资过高的原因当然与目前高压变频器产品价格居高不下有关，但用户在选型方面存在的问题也是直接原因之一。2.1保留6kV电动机带来的资金浪费及其建议按国内以往惯例，凡功率在200kW以上的电动机均选用6kV电压等级,200kW以下的电动机均选择380V电压等级。在节电改造中大都保留原有6kW电动机，再配置一台6kV变频器即可实现变频调速改造。这种改造方案的优点是能节省1台电动机的购置费，可直接加装变频器旁路系统。然而从以下的分析中，你将看到这种配置并不是明智的选择。现举一实例，江苏徐州某电厂对1台水源加压水泵进行节电改造，该水泵由1台JSR158-6型、550kW、6kV电动机拖动。拟改造成变频调速传动。SISI4厂商对55醐电乩更颍网速桂动聚绘的按愉表H厂\窠61V/6H^变A压很托口嫁醤璃+3H变取压谿册卿删很代\丹口电动翁鼾师电动机+册叫⑹Uft■压歿丹卸u効静码\H6DU电幼机L110万元⑹万元询万瓦90万元2138.6^元113.昉无弼丽3153.3万无130万元138万元1LT丽83丽190万元1H.B万元询万元如万元2T2TA/kW232C7i/kT163621/Iff由表1不难看出，在保持变频传动系统传动功率不变的前提下，选用6kW高压方案比选用660V低压方案多化投资60万元。说明对550kW这一功率等级的变频传动系统而言，选用低压方案可节约投资67%，是一种经济合理的选择目前，本实例已被UNDIO（联合国工业发展组织）主办的“中国电机系统节能项目”作为成功实例加以推广。根据现有经验，由于变频器优越的软起动功能，可以将异步电动机的起动电流限制在额定电流附近，起动冲击对电机容量的限制条件已不存在，因而，低压电动机功率范围就可以扩大，西门子公司认为低中压电机分界线以800~1500kW为宜。文献[2][3][4]的研究表明，目前变频传动系统电压与容量最经济合理的配置应如表2所示（由目前功率开关器件电压和电流等级决定）。表2变频传动电压等级*容量等圾的合理配置方案

（对200-2500W传动而言）传动系统合理电压等级380V660V1.15kV2.3kV3kV电机最大容量広呷）4001000150020002500预期电机单位售价（元200209218230270预期变駆霸单位皆枷（元伽10001200130015001800预期復动靠:址总旨柳（元側）12001409151017302070注:表2中数据以660~1200kW电动传动系统为计算依据。还应指出的是，变频传动系统电压级别的增多，并不意味着厂用电母线供电电压级别要增多。原因是目前任何一种中大功率变频器为了隔离，毫无例外地都设有输入变压器，利用此变压器，可以方便地从厂用6kV母线上得到所需的660V、1.15kV、2.3kV和3.0kV电压。2.2电动机功率严重过剩带来的资金流失及国外经验如上所述，在电厂辅机传动系统中电动机功率过剩问题十分严重，例如200MW、300MW机组风机传动系统，当机组带满负荷运行时，送引风机电动机额定功率往往高出风机实际所需轴功率的40~50%，而在对其进行变频调速改造中，变频器的容量选择不是按实际所需轴功率,而是按原有电动机额定功率确定，这就使变频器容量比实际需要容量高出40~50%，也造成资金大量流失。为了降低变频器容量和初投资，日本一些火电厂在锅炉风机上采用变频器和入口导叶联合调节方式，即在30~80%额定风量范围内采用变频调速，在80~100%额定风量范围内采用入口导叶调节。采用联合调节方式后，风机电动机的额定功率为1150kW,而变频器的容量仅为600kVA,使变频器容量和造价降低了近一半，大大降低了改进成本。变频传动选型中的技术性能评价问题及依据标准对变频传动系统技术性能一般从以下4个方面进行评价:（1）实际节电效果:实际节电效果与许多因素有关,例如机组年负荷的变化曲线;原有调节方式的传动效率等。除这些客观因素外,主要视变频器传动系统（包括变频器和电动机）自身的传动效率,看其变频器和电动是否都运行在高效区内。变频器产生的谐波电流对供电系统的影响，评价的标准有IEEE519-1992和国际GB/T14549-93。具体讲，对6-9kV以下供电电网而言，电压畸变的限制条件为：单个电压谐波畸变率W3%，电压总谐波畸变率THDW5%。电流畸变的限制条件与供电点上电源短路电流Isc与最大基波负载电流IL之比Isc/IL有关如表3所示。变频器输出电压谐波对电机的影响，目前，国内尚无标准可循，可供参照的标准为美国标准NEMAMG1-1993《电动机和发电机》其中第30节的有关规定如下：变频器输出电流总谐波畸变率W1%额定电流；对变频器输出的du/dt限制条件为:输出相电压从10%峰值上升到90%峰值的时间不得小于1“s。对2.3kV传动系统而言，应为du/dtW1.50kV/us，对6kV传动系统而言应为du/dtW3.92kV/us。对变频器输出的共模电压的限制条件为:基波相电压峰值和共模电压峰值之和不超过2.51倍额定相电压。对2.3kV传动系统，约为3.34kV;对6kV传动系统，约为8.7kV。IA"■7“-hiCIl11Wh<L7JT5h<23hC3.63.甌hTDD4D10Ik5応as502D<打门匚皓D7.02,51.0q庁ao50<啲JLOtoLG1201000Lid2Q1.0T/空10M15.010ao£5L-dao.o建：P!吹询腹悵划力岳获曲武的土列低压变频器用于中功率传动的可行性如表2所示，380V低压变频器用于400kW以下电机的变频拖动，660V低压变频器用于1000kW以下电机的变频拖动，从经济上是合理的。但是在技术性能上是否合理，则需讨论。低压变频器一般都采用典型的二电平电路，采用这种拓扑结构的变频器，对200~1000kW的中功率电机传动系统而言，显然不能满足上述四方面要求中的(2)(3)项要求。为此必须进行如下的改进:增设输入隔离变压器:采用三卷变压器，其目的之一是利用2个次级绕组300的相位差，向二组串联的二极管整流桥供电，从而形成12脉波整流器。另一个目的是提供足够的阻抗，与变频器电缆寄生电容组成LC滤波器，将电网侧谐波限制在表3允许范围内(由于传动功率WIOOOkW,—般Isc/IL>20，允许的电流总谐波畸变率TDD=8%)。

改变整流器结构:原为1个6脉波二极管整流桥构成，现改为由二组互差30°相角供电的6脉波整流桥串联,构成12脉波整流器，使5、7次谐波得到消除，使输入侧电流总谐波畸变率W8%。(3)增设直流母排共模电抗器，常规逆变器就是一个共模电压源，由输入变压器和输入侧电缆分布电容组成的滤波器，通过吸收逆变器开关器件产生的谐波电流来削弱共模电压，为增强吸收效果，需加大共模回路电抗(即零序电抗)，共模电抗器就是为此而设。共模电抗器为带铁芯的三卷电抗器，其中两卷分别串入正负极电路，第3卷经电阻短路。它有效地将一组电阻和电抗并联电路串入共模电压源，可使电压的瞬态扰动和尖峰被抑制在安全范围内。⑷增设输出端LC滤波器:它由三相滤波电感Lf和三相滤波电容Cf组成，其中三相滤波电容为Y接，中点与机壳(地)相连。增设LC滤波器的目的之一是滤除逆变器PWM调制产生的谐波分量，另一目的是对逆变器产生的共模电压分量也能起到滤除作用，减小加在电机端子上的共模电压。由于输出滤波器安装位置上的特点，除一般要求外，还要求它满足如下2个特殊要求:a)LfCf串联谐振频率必须远离逆变器PWM调制电压中的最低次谐波频率fh(min)。滤波器串联谐振频率:(1)(1)应满足的条件为:10f1<fc<0.5fh(min)(2)式中fl—输出电压基波频率。b)滤波电容Cf与电机之间可能发生的自激振荡,其电压幅值不得超过电机额定电压。当逆变器因故停运瞬间，由于惯性电机将继续运转，这时滤波电容将向定子绕组提供电容电流，使电机处于自激发电状态，发生自激后，电流、电压不断增长，电机磁路呈饱和状态，电机端电压达最大值，此电压将会对逆变器开关器件和电机绝缘造成危害，研究表明，避免自激的条件为式中，Xm—电机激磁电抗。(5)采用SHE-PWM变频调制技术:通用二电平低压变频器是采用脉宽调制(PWM)来调节输出电压和频率的。它的主控制器采用电压频率比(v/f)恒定的控制方法，脉冲发生器介于主控器与主电路之间，它根据主控器的调控要求，提供逆变器各功率器件的开、关脉冲，经脉冲分配器触发各功率器件。由此可见脉冲发生器是控制输出电压谐波含量和波形的重要环节，改变脉冲发生器输出脉冲的相位角，就可能改变输出电压的谐波含量和波形。经研究，文献［10］提出了一种基于DSP实现的特定消谐脉宽调制(SHE-PWM)脉冲发生器。其原理是通过求解如下一组关于脉冲触发角的非线性超越方程组得到脉冲波形数据，并将这些数据事先存贮在DSP中:壬(-1)曲匚口畑)=亍评.GM(g”)=0用=乂人…用(4)式中：m一基波电压调制比，m二Vlmnx/Vde,Vlmax—输出电压基波峰值，Vdc—二电平逆变器直流电压；N'—加在功率器件上半周波内的脉冲数；n—需要消除的谐波次数；aK—各功率器件的开关角度；M—需要消除的谐波最高次数，当N为奇数时M=3N—2,当N为偶数时M=3N－1。利用DSP脉冲发生器消谐的目的:其一是减小输出电压中的谐波含量，使其满足MG1-1993的要求，降低对电机绝缘的危害；其二是提升最低次谐波频率fh(min),使之满足式(2)要求，避免滤波器发生串联谐振。其实SHE-PWM调制技术在A-B公司早期产品上就已得到成功应用。经上述改进后，适用于lOOOkW以下中功率传动要求的低压二电平变频器，其主电路如图1所示。由于增加了较多的硬件设备，预期可以全面达到本节开始所提出的四项性能要求，所付出的代价为使低压变频器售价提高0.7倍左右，即单位功率售价达到1200元/kW。即使如此，其传动系统总售价也只及同容量6kV高压变频器售价的52%左右。目前660V变频传动技术已趋成熟，在国外已得到广泛应用，据作者所知，国外产品有:ABB公司生产的ACS600，其功率范围为75~2800kW,西门子公司生产的6SE70/71，功率范围为160~1500kW,东芝公司生产的Tosevert-250wi,功率范围1200kVA以下，ELIN公司生产的产品功率范围1000kVA。配套的660V电机，国内暂无系列产品，但在技术上并无困难，建议增加该系列电机产品。隔离1S遵爲娈压語iSr^二电平正眩護甫帥H隔离1S遵爲娈压語iSr^二电平正眩護甫帥H浊歳證电动机图1低压变频器用于中功率传动主接线图2.3KV中压变频器用于中功率电机变频传动的方案比较中压变频器主电路拓扑结构多种多样，但目前国内外研制和开发的产品主要集中在以下2种类型：由低压IGBT构成的单元串联多电平PWM电压源型变频器(以下简称SDM变频器和由IGCT构成的中性点箝位三电平电压源型变频器(以下简称THL变频器)，见图2。下面将对在2.3kv电压等级下，2种变频器的使用性能进行比较。逆变器用功率器件规格与数量,SDM变频器每相采用N个具有独立直流电源的低压PWM变频功率单元串联而成。功率单元为三相输入、单相输出的交一直一交PWM电压源型变频器。作为一般规律，N个功率单元串联叠加，则输入变压器次级绕组分成N个不同的相位组，互差180/3N电角度，形成6N脉冲二极管整流器，其网侧电流仅含有6NK±1次谐波，串联叠加后的输出相电压共有2N+1种电平，线电压则有4N+1种电平。对于2.3KVSDM变频器而言，N=2，共有6个功率单元，24个耐压为1.7kV的1GBT器件。而THL变频器采用4个二极管整流桥串联，构成输入侧整流器，分别由输入变压器4个次级绕组供电，四绕组之间存在120°的相位差。逆变器采用中点箝位三电平电路。需12个耐压为3.3kV(或4.5kV)IGCT器件，和6个箝位二极管。显而易见，THL变频器使用的功率器件较少，结构简单、体积、成本和可靠性相对要好一些。对电网的谐波污染2.3kVSDM变频器输入侧整流器为6N=12脉波，其网侧电流含有的谐波次数：h=6Nk±1=12k±1(5)各次谐波的幅值Ih/Il=Z/h(6)式中:h—谐波次数;k一自然数，k=1，2，Ih—谐波电流值;Il—基波电流值；z—由输入变压器漏抗决定的系数。由式⑸式⑹不难看出，2.3kvSDM变频器的电流谐波主要集中在11次和13次，通过对输入变压器漏抗的优化设计，其输入电流总谐波畸变率只能控制在5.7%。而2.3kVTHL变频器输入侧电流谐波主要集中在23次和25次，通过对输入变压器漏抗优化设计，输入电流总谐波畸变率可容易地控制在5%以下。可见，从对电网的谐波污染角度考虑，THL变频器也占明显优势。（3）输出电压波形2.3kVSDM变频器输出相电压为5电平，线电压为9电平。为实现多电平PWM输出，每个功率单元的IGBT开关频率为600Hz,每相2个功率单元串联，输出相电压的等效开关频率为600HzX2N=2.4kHz。2.3kVTHL变频器输出相电压为3电平，线电压为5电平，受IGCT开关频率的限制，输出相电压的等效开关频率仅为700Hz以下。显然电平数和等效开关频率的增大,有利于改善输出电压波形，降低输出电压谐波。可见，从改善输出电压波形考虑,2.3KVSDM变频器具有明显优势。但必须指出，根据分析［8］，SDM变频器输出电压的总谐波畸变率约为12%左右，输出谐波的频率主要集中在1.8~3.0kHz范围内，对一般异步电机而言，工频时的阻抗约为16%左右，对于2.4kHz谐波而言，其阻抗约为768%，粗略估计，由此产生的谐波电流（12%）三（768%）=1.56%，此值已超出MG1-1993规定的小于1%的要求。说明由此产生的谐波电流，已有可能对电机的发热、噪声和转矩脉动造成不利影响。为了降低谐波对电机的不利影响，THL变频器采取如下两项措施:a）逆变器采用特定消谐脉宽调制技术（SHE-PWM）;b）在变频器输出端加装LC滤波器。采用这两项措施后，使输出电压的总谐波畸变率从原来的12.8%下降到0.82%［9］，输出谐波的频率主要集中在300~700Hz，对一般异步电机而言，其平均谐波阻抗约为（16%）*500/50=160%,粗略估计，由此产生的谐波电流（0.82%）三（160%）=0.5%;此值已能满足MG1-1993规定的输出谐波电流小于1%的要求。所以，采取了消谐措施的THL变频器在输出电压波形方面仍然占有优势，且能满足MG1-1993标准的高要求。（4）输出电压的du/dt二电平和三电平变频器,由于输出电压的跃变台阶分别达到直流母线电压和1/2直流母线电压。对2.3kV变频器而言，其直流母线电压与输出电压之间存在如下关系:Ud=1.478Ul=3.4kV式中:Ud—直流母线电压;Ul—交流输出电压。2.3kVTHL高频器跃变台阶Ur=1/2Ud=1.7kV，IGCT开通时电压上升时间tr=1pS，则du/dt二Ur/tr=1.7kv/pS。SDM变频器最大的相电压跃变台阶等于1个功率单元的直流母线电压，对2.3kVSDM而言，Ur=1.478Ul=1.02kv。IGBT开通时，电压上升时间tr=0.3pS,则2.3kVSDM的du/dt=Ur/tr=1.02/0.3pS=3.4kv/pS。显然2.3kVTHL变频器在抑制输出电压的du/dt方面具有明显优势。但两种变频器都不能满足MG1-1993标准du/dtW1.06kV/pS的要求。然而由于THL变频器设有输出LC滤波器，电机端电机得到了平滑，du/dt将大大减小，可以满足MG1-1993标准的要求。（5）输出共模电压的影响各类变频器由于其功率开关器件动作相位存在差异，其输出的三相电压瞬时值,总是不对称的，必然产生零序电压（又称共模电压）。如果零序电压为工频电压，则由于中性点对地的绝缘，而不形成零序电流。但由逆变器PWN调制产