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1、中功率风机拖动电机电压等级的合理选择中功率风机拖动电机电压等级的合理选择摘摘 要：本文着重探讨了中功率段（要：本文着重探讨了中功率段（220KW-1500KW）风机合理选择其拖动电机电）风机合理选择其拖动电机电压等级的技术经济意义。提出了中功率段压等级的技术经济意义。提出了中功率段风机节能调速在目前阶段比较适用的风机节能调速在目前阶段比较适用的“独立供电变压器独立供电变压器+低压变频器低压变频器+低压中功率电机低压中功率电机”方案（高方案（高-低压方案），并针对方案应用低压方案），并针对方案应用低压中功率变频器需要注意的周边相关技术问题作了简要说明。低压中功率变频器需要注意的周边相关技术问题作
2、了简要说明。关键词：关键词： 中功率中功率 风机风机 变频调速变频调速 高高-低压变频方案低压变频方案 低压变频器低压变频器 电压等级电压等级 一、问题的提出一、问题的提出中功率等级的风机（220KW-1500KW）在火力发电、冶矿、化工、建材等工矿企业有着大量的应用。其中占很大部分的风机需要变工况运行。以往由于电机调速手段的落后，风机的变工况（流量、压力）调节，主要采用出、入口导叶挡板调节、液力偶合机械调速、电磁滑差调速、串级调速和转子回路串电阻等作为变工况运行的调节措施，这些调节方式不是耗能严重、就是存在调节性能差、运行可靠性低等缺点，这已为业内从业人员为所广泛认同。近年来，交流变频调速技
3、术日趋成熟，并已成为大多数风机装置设计、运行人员的首选节能调速运行方案。作为一种高效调速节能技术手段，变频调速方案在低功率段（220KW 以下）风机装置中得到了日益广泛的应用，其主要得益于近阶段交流低压变频技术的日益成熟和其性价不断提高，也由此给广大用户带来的良好的节能收益回报。相比较而言，中功率段风机由于我国电网配电电压等级单一性，加之用电端功率 220KW 以上电机电压等级一般只有 6KV 或 10KV 可供选择（3KV 已逐步淘汰），这就导致这个功率段的如果希望采用变频调速，只能采用对应电压等级的高压变频装置。而国内市场上目前中功率段 6KV 和 10KV 的高压变频器的单位功率价格一般
4、要达到（1500 2500元/KW）左右，高出同等级功率的低压变频器的单位价格（300500 元/KW）数倍之多；使中功率段的风机采用变频调速的成本甚高，一次投入过高而回报期相对较长，成为了阻碍变频调速这一优势技术推广应用的价格势垒。从技术层面来考察，高压变频器产品目前存在的技术程度复杂，技术成熟度不足特别是运行可靠性方面有待成熟完善，用户对产品技术认识不足等原因，又使高压变频器的应用存在着一定的技术势垒。这些均成为目前阶段高压变频技术在风机调速节能领域推广应用的主要制约因素。本文的主要目的是探讨如何通过合理的选择中功率段风机拖动电机系统的电压等级，从而设计组合技术成熟、投资经济性性良好的中功
5、率段风机变频调速。二、中功率交流变频的电压等级的合理选择的技术经济意义二、中功率交流变频的电压等级的合理选择的技术经济意义1交流低压变频是目前阶段成熟的技术交流低压变频是目前阶段成熟的技术 对于变频器而言，其工作电压的高低主要取决于变频器内 PWM 主回路逆变器件的耐压水平。目前 690V 以下低压变频器主流型逆变器件一般采用的耐压水平1200/1700V 的 IGBT 模块。这个电压等级的 IGBT 技术目前已相当成熟稳定，并已被普遍作为低压逆变的主导器件大量应用。由于几乎所有低压变频器的逆变主回路为同一设计类型，其输出功率等级由 IGBT 耐压和工作电流等级所决定。目前阶段，国内对 630
6、KW 以下低压变频器的制造和供货不存在任何问题；国外品牌的低压变频器普遍已达 8001500KW 的功率等级，个别品牌最大可达 2800KW。低压变频器属于技术比较成熟的产品，国外应用低压变频器在风机调速运行的历史已有将近 30 余年；国内在这方面的应用也有 20 年以上。根据某国外主流品牌低压变频器厂商介绍，其目前主导产品的平均无故障工作时间已达 50，000 小时以上，产品可靠性达到了相当高的程度。对于国内变频器厂商而言，大部分生产商目前也已度过了技术有欠成熟、产品质量不甚稳定的初创时期，产品质量和运行可靠性也达到了一定的水平。在中功率段风机调速节能应用方面，国内外各大品牌的低压变频器均有
7、着大量成熟的应用案例。 表 1 所列为目前国内市场可提供中功率段低压变频器品牌及相关型号。表表 1 国内市场中功率等级低压变频器主要品牌国内市场中功率等级低压变频器主要品牌/型号型号厂商品牌厂商品牌型型 号号主主 要要 技技 术术 参参 数数VACONNXP / NX DRIVE380690V，3-PHASE，1601500KWTIGER POWERTP3000400690V ，3-PHASE，75800KWABBACS800380690V，3-PHASE， 2002800KWSIEMENSG150380690V，3-PHASE， 751200KWSCHNEIDERATV38 / ATV684
8、00500V，3-PHASE， 75630KW说明：说明：630KW 以下功率等级变频器，国内能够定制的变频器生产商较多，本表不予列举以下功率等级变频器，国内能够定制的变频器生产商较多，本表不予列举。2交流低压变频系统应用于中功率风机调速的具有良好的经济性交流低压变频系统应用于中功率风机调速的具有良好的经济性目前国内除了一些特殊的电力终端用户（如煤矿、油田）外，用户设备终端电压等级，不外乎低压 380V 和高压 6KV、10KV 三种。我国现行的低压等级的通用电机的最大机座号为是 H355，中功率段风机拖动一般选用 610 电机，对应这个机座号的极限电机功率也就是 220KW 左右。超过这个机
9、座号一般只能选用 6KV 或 10KV电机；而风机设计和运行单位，一般也意图通过提供终端用电设备的电压等级，降低电机系统运行线路损耗提高系统效率。这几方面的原因，使目前 H355 机座（对应功率等级220KW）以上的风机拖动电机几乎全采用 6KV 或是 10KV 的电压等级。而对于很多需要变工况调速运行的风机而言，正是这种不恰当地选择结果，成为了应用变频调速这一高效节能调节手段的技术经济障碍。由于高压变频器结构复杂，制造技术难度高，同一功率等级的高压变频器与低压变频器价格相差悬殊。这也意味着如果作为一种节能投资，采用高压变频方案要比采用低压变频方案的一次投入要大数倍，投资回报周期相应也要长得多
10、。这也使一些有着应用低压变频节能经验并产生实际经济收益的用户，难以确立采用高压变频器应用于风机水泵节能调速的信心。同时技术程度的相对复杂，部分厂家产品实际运行中所反映性能不甚完善，甚至影响系统安全可靠运行等因素，也成为高压变频器推广应用的主要障碍。因为受到逆变功率器件制造水平限制，高压交流变频的核心部分的高压逆变的实现要比低压变频逆变困难和复杂的多。目前比较成熟的高压逆变实现方案不外乎多重化单元串联、三电平箝位和功率元件串联等几种。而无论通过那一种方式实现高压逆变，其构成与低压逆变相比要远远复杂的多。由此也就可以理解为什么相同功率等级的高压变频器与低压变频器，市场价格要相差 35 倍甚至更多！
11、同时由于系统结构的复杂性，从系统工程角度来讲，要使高压变频器产品达到一定可靠性，要比低压变频器实现困难得多。大量实际的运行实践的总结也印证了这一点。另外对于类似于不允许计划外停机的某些高可靠性要求场合，低压变频器也可以比高压变频器更方便、更容易和经济的实现系统备用冗余（如工频应急旁路）。表 2 是一个 500KW 风机拖动电机采用 3 种常用典型的调速方案的技术经济性的简单比较。从中我们不难得出，“独立供电变压器+低压变频器+低压电机”方案（所谓“高-低方案”）是最佳选择的结论。如果考虑高压变频和液力偶合器调速方案相比，低压变频调速方案较低的动态维护费用的支出，低压变频器方案的优势将更为突出。
12、表 3 所列，是国内几位从事电气传动行业知名专家，比较一致提出的对中功率交流变频调速系统的推荐采用的电压等级，从技术经济性角度考察是相当合理的。综上所述，对于 220KW1500KW 的中功率段风机调速，采用“独立供电变压器+低压变频器+低压电机” （高-低方案）的技术方案，其在技术方面是成熟可行的；如果从投入产出等方面综合考察方案的经济性，也较其他方案具有明显的成本和经济优势。三、低压中功率变频器应用的需要注意的相关问题三、低压中功率变频器应用的需要注意的相关问题中功率段风机采用低压变频器调速方案实际应用中，必须充分照顾中功率段低压变频器的技术特点及其应用现场条件和用户对诸如电磁兼容性方面的
13、要求，采取适当必要的周边技术保障措施，以使方案达到可靠和完美的实施。1 谐波和干扰问题谐波和干扰问题谐波和干扰是变频器应用必须最关注的问题。每个变频器是工作时是一个谐波源，如果不采取相应的技术措施，变频器运行时会对电源系统和周边设备设备产生不良影响。，由于谐波发生量和产生的电磁干扰强度与变频器的功率密切相关, 对于功率在 220KW 以上的中功率段变频器，抑制其对电网系统谐波注入和对周边设备的电磁干扰显得尤其重要。否则将很可能引起接于变频器同一供电电源下的其他设备和周边的电磁敏感设备（典型如弱电控制设备）的工作不正常！以下技术措施可根据现场条件和要求独立或组合使用，对于中功率段低压变频器的谐波
14、和干扰抑制相当有效。表表 2 典型典型 500KW 风机拖动电机调速方案经济技术性能比较风机拖动电机调速方案经济技术性能比较10KV 高压变频高压变频调速方案调速方案高高-低压变频器方案低压变频器方案液力偶合器调速方案液力偶合器调速方案附附 注注系统组成系统组成10KV 高压保护柜高压保护柜+ 10KV 多重化多重化高压变频器高压变频器+ 10KV 高压电动机高压电动机10KV 高压保护柜高压保护柜+ 10/0.66KV干式变压器干式变压器+ 0.66KV 低压变频器低压变频器+ 0.66KV 低压电动机低压电动机10KV 高压保护柜高压保护柜+ 10KV 高压电动机高压电动机+ 液力偶合调速
15、器液力偶合调速器系统投资系统投资成本估算成本估算高压保护柜：高压保护柜：4.5 万万高压变频器：高压变频器：90 万万高压电动机：高压电动机：16.8 万万系统估算价：系统估算价：107 万万高压保护柜：高压保护柜：4.5 万万干式变压器：干式变压器：12.8 万万低压电动机：低压电动机：12.5 万万低压变频器：低压变频器：22.4 万万系统估算价：系统估算价：52.2 万万高压保护柜：高压保护柜：4.5 万万高压电动机：高压电动机：16.8 万万液力偶合器：液力偶合器：10 万万系统估算价：系统估算价：31.3 万万说明：说明：1)未计入配套土建和连接电缆等相关费用。2)按市场平均价估算运
16、行后每年运行后每年70 万元万元70 万元万元45 万元万元估算条件：估算条件：节约电费额节约电费额投资回收期投资回收期 18 个月个月10 个月个月8 个月个月在役在役 10 年静态年静态节约电费总额节约电费总额700 万元万元700 万元万元450 万元万元在役在役 10 年静态年静态投入产出比投入产出比：6.51：13.41：10在役在役 10 年年静态计算收益静态计算收益600 万元万元650 万元万元400 万元万元1） 节约电费以入口挡板调节方案为参考估算依据；2） 风机平均工况运行按额定风量的80%估算；3） 年运行时间以7000h 估算；3）电价以 0.60 元/KWh 估算。系统可靠性系统可靠性稍差稍差好好差差可维护性可维护性不良不良最好最好差差系统冗余成本系统冗余成本高高低低不能实现不能实现说明：不计入各方案的在役动态维护性支出费用说明：不计入各方案的在役动态维护性支出费用表表 3 ：中、大功率段风机拖动交流变频调速系统推荐工作电压等级：中、大功率段
