中压变频技术方案分析.doc

中压变频技术方案分析 交流变频调速技术是现代化电气传动的主要发展方向之一，它不仅调速性能优越，而且节能效果良好。实践证明，驱动风机、水泵的大、中型笼型感应电动机，采用交流变频调速技术，节能效果显著，控制水平也大为提高。 目前，变频调速技术已广泛应用于低压（380V）电动机，但在中压（3000V以上）电动机上却一直没有得到广泛应用，造成这种情况的主要原因是目前在低压变频器中广泛应用的功率电子器件均为电压型器件，耐压值基本都在1200-1800V，研制高压变频器难度较大，为了攻克这一技术难题，国内外许多科研机构及大公司都倾注大量人力物力进行研究，工业发达国家高压变频器技术已趋于成熟，国外几家著名电器公司都有高压大容量变频器产品，典型的如美国A-B（罗克韦尔自动化公司所属品牌）、欧洲的西门子公司、ABB公司等。这些公司产品的电压一般为3-6.6kv，容量从250-4000kW，所采用的技术也有很大差别。 A-B从1990年研制成功并开始投入商业运行的变频器主要采用CSI-PWM技术，即电流源逆变-脉宽调制型变频器，采用电流开关器件，无需升降压变压器即可以直接输出6KV电压，分强制风冷和水冷型，功率从300到18000马力，至今已经应用于多个行业上千台应用记录。是最有影响力，最为广泛接受的中压变频技术。 美国罗宾康公司采用大量低压电压型开关器件，配合特殊设计的多脉冲多次级抽头输出隔离整流变压器，同样能够实现输出端直接6千伏输出，由于是大量低压元件串接，故被称之为多极化电压性解决方案。 西门子公司和ABB公司分别采用中压 IGBT和IGCT器件，是典型的电压型变频器。器件耐压等级为4160/3300V，直接输出电压最高达3300V。所以国内也有将此种方案称为高中方案，对应的将6KV-6KV（如A-B方案）称为高高方案。 中压变频器的发展和广泛应用是最近十数年的事情，相比之下低压变频器的应用却已经有超过二十年的时间。在中压变频器大面积推广应用之前，也出现了另外一种方案。即采用升降压变压器的“高-低-高”式变频器，亦称间接中压变频器。 “高-低-高”式高压变频器，即间接高压变频器装置由输入、输出变压器及低压变频器组成。输入变压器为降压变压器，它将高压电源电压降至变频器所允许的范围，经低压变频器后，再经输出变压器升压，供给高压电动机。由于这种系统技术难度相对小，投资相对低，所以在国内一度应用较为活跃。但是此方案由于两次电压变换增加了损耗，影响了节能效果，并且占地面积大，还产生大量的高次谐波，有较明显的缺陷，在技术上有明显的过渡性。所以一般认为适用于功率小于200kw的中压电动机。 相比之下，“高-高”式高压变频器，即直接高压变频调速系统，一般由输入侧隔离变压器和多个功率单元串联组成，由于省掉了输出变压器，因而减少了损耗，提高了功率，减少了占地面积，另外随着开发、制造、应用和维护的日臻成熟，高高式中压变频器的产品日趋标准化，成本不断下降，所以今天已经成为中压变频应用的首选方案。 总之，不同于低压变频产品厂商众多，技术雷同的情况，中压产品主要供应厂商的解决方案各不相同。其中核心差别在于所选用的器件类型不同。相应地系统配备（变压器、电抗器、滤波装置等）都会有所差别，系统的可靠性、效率、谐波抑制效果（电力电子设备对电网端的影响）和马达的友好性（电力电子设备到马达的输出端电流和电压波形情况对马达的影响）、热损值、故障模式都会有所差别。不同的结构设计又会使得散热效果、环境要求、应用友好性和系统可维护性存在诸多差别。 从商业应用的角度考虑，制造商产品研发、销售、应用和支持的经验、在本地的业绩、经验以及支持能力也是考察的重要因素。 中压变频高低高解决方案 对于功率相对较低的中压负载，采用降压变压器将电网电压降低，经由低压变频器，再经过升压变频器控制中压电机。 优点： 系统初始投资相对高高变频要低； 同样不需要更换电机或者改变电机的接线方法，电缆变动不大。 缺点： 升压变压器中压开关MVFD升压变压器低压变频器 升压变压器 中压开关 M VFD 升压变压器 低压变频器 图1 高低高中压变频应用示意图 升压变压器必须能够承受变频器频率输出范围的大幅变动，设计和制造水平要求较高，一般需要进口，为日后的技术支持和产品维护带来一定的困难。另外一般的变压器设计阶段就已经确定了最佳运行频率，应用于变频输出升压可能会引起系统整体性能的下降。 高低高方案中的低压变频器均为电压源型，本身输出波形就不是很理想，高次谐波经由升压变压器放大后对（老）电机发热、噪声等都会带来不利的影响，缩短电机的使用寿命。尤其需要特别指出的是，对于改造应用，许多用户现有的电机都是B级绝缘的老式电机，如果发热和温升问题不能够很好的解决，将为系统的性能、寿命、可靠性方面埋下隐患。 不同于高高变