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1、1高高压变频调压变频调速和内反速和内反馈馈串串级调级调速的比速的比较较国家电力公司西安热工研究院国家电力公司西安热工研究院 徐徐 甫甫 荣荣摘摘 要要： 本文介绍了高压变频调速和内反馈串级调速的工作原理和主要特点，同时客观地比较本文介绍了高压变频调速和内反馈串级调速的工作原理和主要特点，同时客观地比较了高压变频调速和内反馈串级调速的主要优缺点，供用户在选择节能方案时参考。了高压变频调速和内反馈串级调速的主要优缺点，供用户在选择节能方案时参考。关键词：关键词：高压变频器高压变频器 多电平技术多电平技术 多重化技术多重化技术 内反馈串级调速电机内反馈串级调速电机 1.1. 前前 言言由电机学原理可
2、知，交流电动机的同步转速由电机学原理可知，交流电动机的同步转速n n0 0与电源频率与电源频率f f1 1、磁极对数、磁极对数P P之间之间的关系式为：的关系式为：(r/min)(r/min)Pfn1 060异步电动机的转差率异步电动机的转差率S S的定义式为：的定义式为：0001nn nnnS则可得异步电动机的转速表达式为：则可得异步电动机的转速表达式为：)1 (60)1 (1 0SPfSnn可见，要调节异步电动机的转速，可以通过下述三个途径实现：可见，要调节异步电动机的转速，可以通过下述三个途径实现： 改变定子绕组的磁极对数改变定子绕组的磁极对数P P（变极调速）（变极调速） ； 改变供电
3、电源的频率改变供电电源的频率f f1 1（变频调速）（变频调速） ； 改变异步电动机的转差率改变异步电动机的转差率S S调速。调速。改变定子绕组磁极对数调速的方法称为变极调速；改变电源频率调速的方法称为改变定子绕组磁极对数调速的方法称为变极调速；改变电源频率调速的方法称为变频调速，都是高效调速方法。而改变异步电动机转差率的调速方法则称为能耗转差变频调速，都是高效调速方法。而改变异步电动机转差率的调速方法则称为能耗转差调速（串级调速除外）调速（串级调速除外） ，它是一种低效的调速方法，因为调速过程中产生的转差功率，它是一种低效的调速方法，因为调速过程中产生的转差功率都变成热量消耗掉了，绕线式电机
4、转子串电阻调速就属于这种调速方式。都变成热量消耗掉了，绕线式电机转子串电阻调速就属于这种调速方式。改变电动机定子的极对数，可使异步电动机的同步转速改变电动机定子的极对数，可使异步电动机的同步转速改变，从而改变改变，从而改变Pfn1 060异步电动机的转速异步电动机的转速n n。大中型异步电动机采用变极调速时，一般采用双速电动机。变。大中型异步电动机采用变极调速时，一般采用双速电动机。变极调速通常只用于鼠笼式异步电动机，而不用于绕线式异步电动机。这是因为鼠笼型极调速通常只用于鼠笼式异步电动机，而不用于绕线式异步电动机。这是因为鼠笼型电动机转子的极对数是随着定子的极对数而变的，所以变极调速时只要改
5、变定子绕组电动机转子的极对数是随着定子的极对数而变的，所以变极调速时只要改变定子绕组的极对数就行了，而绕线式电动机变极时必须同时改变定子绕组和转子绕组的极对数，的极对数就行了，而绕线式电动机变极时必须同时改变定子绕组和转子绕组的极对数，这就使得变极时复杂多了。这就使得变极时复杂多了。用于风机水泵调速节能的双速电机一般不采用用于风机水泵调速节能的双速电机一般不采用 4 42 2、8 84 4 等倍极比的双速电机，等倍极比的双速电机，而采用而采用 6 64 4、8 86 6、10108 8 极的双速电机，这与风机水泵的调速范围一般不需要很大极的双速电机，这与风机水泵的调速范围一般不需要很大2有关。
6、另外，对于非倍极比的双速电动机在极数比较小时（如有关。另外，对于非倍极比的双速电动机在极数比较小时（如 8 86 6、10108 812121010极等）极等） ，由不同的绕组接线方式，分别近似为平方转矩型、恒转矩型和恒功率型三种，由不同的绕组接线方式，分别近似为平方转矩型、恒转矩型和恒功率型三种特性的双速电机。由于叶片式泵与风机在管路静扬程或静压为零的情况下，近似为平特性的双速电机。由于叶片式泵与风机在管路静扬程或静压为零的情况下，近似为平方转矩负载，所以应选用平方转矩型特性的双速电机，以便在高速及低速运行时都有方转矩负载，所以应选用平方转矩型特性的双速电机，以便在高速及低速运行时都有较高的
7、效率与功率因数，具有更为显著的节能效果。较高的效率与功率因数，具有更为显著的节能效果。双速电机的优点是调速效率高，可靠性高，投资省。其缺点是有级调速，不能在双速电机的优点是调速效率高，可靠性高，投资省。其缺点是有级调速，不能在整个调速范围内保证高效运行，有时还要配合节流调节手段调节流量，增加了部分节整个调速范围内保证高效运行，有时还要配合节流调节手段调节流量，增加了部分节流损耗。双速电动机在变速时电力必须瞬间中断，对电动机及电网都有冲击作用；高流损耗。双速电动机在变速时电力必须瞬间中断，对电动机及电网都有冲击作用；高压电动机若需经常进行变速切换时，其切换装置的安全可靠性尚需进一步完善和提高。压
8、电动机若需经常进行变速切换时，其切换装置的安全可靠性尚需进一步完善和提高。2.2. 变频调速变频调速由前所述可知，通过改变电动机供电电源频率的方法而达到调节电动机转速的调由前所述可知，通过改变电动机供电电源频率的方法而达到调节电动机转速的调速方式称为变频调速。变频调速用的变频器是通过采用可关断的功率器件如：速方式称为变频调速。变频调速用的变频器是通过采用可关断的功率器件如：GTOGTO、GTRGTR、IGBTIGBT、IGCTIGCT 等，再加上控制、驱动、保护电路组成的。等，再加上控制、驱动、保护电路组成的。由于发电厂风机水泵的电动机功率都很大，一般采用由于发电厂风机水泵的电动机功率都很大，
9、一般采用 3KV3KV、6KV6KV 供电，所以必须供电，所以必须采用高压变频器进行调速运行。采用高压变频器进行调速运行。 目前高压变频器在世界上不象低压变频器一样具有目前高压变频器在世界上不象低压变频器一样具有成熟的一致性的拓扑结构，而是限于采用目前有限电压耐量的功率器件，又要面对高成熟的一致性的拓扑结构，而是限于采用目前有限电压耐量的功率器件，又要面对高压使用条件的情况下，国内外各变频器生产厂商八仙过海，各有高招，因此主电路拓压使用条件的情况下，国内外各变频器生产厂商八仙过海，各有高招，因此主电路拓扑结构不尽一致，但都较成功地解决了高耐压、大容量这一难题。如美国罗宾康扑结构不尽一致，但都较
10、成功地解决了高耐压、大容量这一难题。如美国罗宾康（ROBICONROBICON）公司生产的第三代完美无谐波变频器；罗克韦尔（）公司生产的第三代完美无谐波变频器；罗克韦尔（ABAB）公司生产的）公司生产的BULLETIN1557BULLETIN1557 和和 PowerPower Flex7000Flex7000 变频器；瑞典变频器；瑞典 ABBABB 公司生产的公司生产的 ACS1000ACS1000 变频器；德变频器；德国西门子公司生产的国西门子公司生产的 SimovertMvSimovertMv 变频器；意大利变频器；意大利 ANSALDOANSALDO 公司生产的公司生产的 SILCOV
11、ERTSILCOVERT THTH变频器；以及日本的三菱、富士公司生产的完美无谐波变频器和国内的利德华福公司变频器；以及日本的三菱、富士公司生产的完美无谐波变频器和国内的利德华福公司和成都东方日立，成都佳灵公司，合康亿盛公司和山东新风光公司等生产的高压变频和成都东方日立，成都佳灵公司，合康亿盛公司和山东新风光公司等生产的高压变频器。但归纳起来主要有两种：一是采用低耐压器件的多重化技术，再就是采用高耐压器。但归纳起来主要有两种：一是采用低耐压器件的多重化技术，再就是采用高耐压器件的多电平技术。器件的多电平技术。（1 1）多重化技术）多重化技术所谓多重化技术就是每相由几个低压所谓多重化技术就是每相
12、由几个低压 PWMPWM 功率单元串联组成，各功率单元由一个功率单元串联组成，各功率单元由一个多绕组的隔离变压器供电，用高速微处理器实现控制和以光导纤维隔离驱动。多重化多绕组的隔离变压器供电，用高速微处理器实现控制和以光导纤维隔离驱动。多重化技术从根本上解决了一般技术从根本上解决了一般 6 6 脉冲和脉冲和 1212 脉冲变频器所产生的谐波问题，可实现完美无脉冲变频器所产生的谐波问题，可实现完美无谐波变频。图谐波变频。图 1 1 为为 6KV6KV 变频器的主电路拓扑图，每相由变频器的主电路拓扑图，每相由 5 5 个额定电压为个额定电压为 690V690V 的功率的功率单元串联，因此相电压为单
13、元串联，因此相电压为 690V5=3450V690V5=3450V，所对应的线电压为，所对应的线电压为 6000V6000V。每个功率单元。每个功率单元3由输入隔离变压器的由输入隔离变压器的 1515 个二次绕组分别供电，个二次绕组分别供电，1515 个二次绕组分成个二次绕组分成 5 5 组，每组之间存组，每组之间存在一个在一个 1212的相位差。图的相位差。图 2 2 中以中间中以中间接法为参考（接法为参考（00） ，上下方各有两套分别超前，上下方各有两套分别超前（+12+12、+24+24）和滞后（）和滞后（-12-12、-24-24）的）的 4 4 组绕组。所需相差角度可通过变压器的组绕
14、组。所需相差角度可通过变压器的不同联接组别来实现。不同联接组别来实现。图图 1 1 多重化变频器拓扑图多重化变频器拓扑图 图图 2 2 五功率单元串联变频器的电气连接五功率单元串联变频器的电气连接图图 1 1 中的每个功率单元都是由低压绝缘栅双极型晶体管（中的每个功率单元都是由低压绝缘栅双极型晶体管（IGBTIGBT）构成的三相输入，）构成的三相输入，单相输出的低压单相输出的低压 PWMPWM 电压型逆变器。功率单元电路见图电压型逆变器。功率单元电路见图 3 3。每个功率单元输出电压为。每个功率单元输出电压为1 1、0 0、-1-1 三种状态电平，每相三种状态电平，每相 5 5 个单元叠加，就
15、可产生个单元叠加，就可产生 1111 种不同的电平等级，分别种不同的电平等级，分别为为55、44、33、22、11 和和 0 0。图。图 4 4 为一相合成的正波输出电压波形。用这种多为一相合成的正波输出电压波形。用这种多重化技术构成的高压变频器，也称为单元串联多电平重化技术构成的高压变频器，也称为单元串联多电平 PWMPWM 电压型变频器。采用功率单电压型变频器。采用功率单元串联，而不是用传统的器件串联来实现高压输出，所以不存在器件均压的问题。每元串联，而不是用传统的器件串联来实现高压输出，所以不存在器件均压的问题。每个功率单元承受全部的输出电流，但仅承受个功率单元承受全部的输出电流，但仅承
16、受 1/51/5 的输出相电压和的输出相电压和 1/151/15 的输出功率。的输出功率。变频器由于采用多重化变频器由于采用多重化 PWMPWM 技术，由技术，由 5 5 对依次相移对依次相移 1212的三角载波对基波电压进行调的三角载波对基波电压进行调制。对制。对 A A 相基波调制所得的相基波调制所得的 5 5 个信号，分别控制个信号，分别控制 A1A5A1A5 5 5 个功率单元，经叠加可得图个功率单元，经叠加可得图1.151.15 所示的具有所示的具有 1111 级阶梯电平的相电压波形，它相当于级阶梯电平的相电压波形，它相当于 3030 脉波变频，理论上脉波变频，理论上 1919 次次以下的谐波都可以抵消，总的电压和电流失真率可分别低于以下的谐波都可以抵消，总的电压和电流失真率可分别低于 1.2%1.2%和和
