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1、青州益能热电有限公司青州益能热电有限公司变频调速可行性分析报告变频调速可行性分析报告哈尔滨九洲电气股份有限公司哈尔滨九洲电气股份有限公司二二 0000 八年九月二日八年九月二日- 1 -一、前一、前 言言高压电机交流变频调速技术是 90 年代迅速发展起来的一种新型电力传动调速技术，主要用于交流电动机的变频调速，其技术和性能胜过其它任何一种调速方式（如：降压调速、变极调速、滑差调速、内反馈串级调速和液力耦合调速） 。变频调速以其显著的节能效益，高精确的调速精度，宽范围的调速范围，完善的电力电子保护功能，以及易于实现的自动通信功能，得到了广大用户的认可和市场的确认，在运行的安全可靠、安装使用、维修
2、维护等方面，也给使用者带来了极大的便利和快捷的服务，使之成为企业采用电机节能方式的首选。众所周知，高压电动机的应用极为广泛，它是工矿企业中的主要动力。在电力、冶金、钢铁、石油、化工、水处理等各行业的大、中型厂矿中，用于拖动风机、泵类、压缩机及各种大型机械。其消耗的能源占电机总能耗的 70%以上，而且绝大部分都有调速的要求，但目前我国的调速和起动方法仍很落后，浪费了大量的能源且造成机械寿命的降低。因此，推广应用高压变频调速及起动装置的效益和潜力非常巨大的。由于电压高、功率大、技术复杂等因素，高压变频器的产业化在 80 年代中期才开始形成，但随着大功率电力电子器件制造技术迅速发展和巨大的市场推动力
3、，高压变频器近十多年的发展非常迅速，使用器件已经从 SCR、GTO、GTR 发展到 IGBT 和 IGCT 等，功率范围从几百千瓦到几十兆瓦，技术上已经成熟，可靠性得到保障，使用面越来越广。二、高压变频器的适用场合二、高压变频器的适用场合高压变频器可与标准的中、大功率交流异步电动机或同步电动机配套，组成交流变频调速系统，用来驱动风机、水泵、压缩机、鼓风机和各种机械传动装置。达到节能、高效、提高产品质量的目的。根据高压变频器的特点，它在下列场合下应用最能发挥其效能。1驱动风机或水泵可调节风量或水流量，取代老式的依靠挡板或阀门改变流量的方式，达到节能的效果，一般说来，使用交流变频调速，由于消除了阀
4、门（或档板）的能量损失并使风机、水泵的工作点接近其峰值效率线，总效率可提高 25-50%；2变频调速之后的优势当交流变频调速装置与压缩机、鼓风机、轧机或其它工作机械连用时，具有如下显著的优点：21 可精确地调节速度和流量，保证工艺质量；22 可直接与工作机械耦合，省去减速器等中间机械环节，减少设备投资费用；- 2 -23 可接受计算机或 PLC 的模拟或数字信号，进行实时控制，控制性能优越。其于上述特点，高压变频器特别适用于根据工艺要求，需要对速度或流量进行控制的场合。24 大型交流同步电动机或异步电动机以往多用直接起动或降压起动。起动电流大，造成电网电压降低，影响其它电气设备的正常工作，而且
5、电机主轴的机械冲击大，易造成疲劳断裂，影响机械寿命。当电网容量不够时，甚至有可能起动失败。如果使用高压变频器，就可以实现“软”起动，电机速度从零开始起动，起动电流限制在额定值以下（一般在额定电流的 1.5-2 倍以内） ，主轴以选定的加速度平衡升速，直到指定的速度。变频装置的特性保证了起动和加速时足够的力矩，消除了起动对电机的冲击，保证电网稳定，提高了电机和机械的使用寿命。三、变频调速理论简介三、变频调速理论简介1调速原理由电机理论可知:式中:n 为电动机转速；f 为电源频率；s 为转差率；p 为极对数。从式(1)可知，电动机调速的方法大致分为变极对数、变频率和改变转差率三种。变极调速设备简单
6、，机械特性较硬，缺点是转速只能成倍变化，而不是连续可调，属于有级调速，应用场合受限。调节转差率的电磁离合器，即滑差离合器调速方法，能平滑调速，闭环时调速范围较宽，但调速效率低，存在不可控区。液力耦合器调速虽然也有节能效果，但属机械耗能型变速方法，在变速过程中有很大的滑差功率损耗，系统运行成本较高，不经济。由于是机械联接，变速系统故障时，无法快速转换到全速运行状态，系统必须停机检修，无法保证系统安全可靠运行的要求。综上所述，调速方法比较好的应该是定子端变频调速和转子端改变转差率的串级调速。其中定子端的变频调速是性能最好、最有发展前途的一种交流调速方式。然而对于那些调速性能要求不是很高的大容量高压
7、风机、水泵，如果直接在定子端采用高压变频器来调速，其调速性能最好。- 3 -2交流电动机变频调速传动的发展及变频器的主要类型交流电动机变频调速传动系统的发展经历了一个不长的历史阶段。自从 20 世纪 60 年代推出的麦克雷(MCMURRY)电压型变频器开始，发展到电流型，脉宽调制型可谓变频器的种类繁多，琳琅满目。随着新型的电力电子器件的不断问世及成熟，变频器的结构形式也不断的更新、完善。从调制方式看大致可以分为循环变流器(交交变频器);交直交变频器以及矩阵式变频器(还处于非商业化的试验阶段);从变频系统的控制方式看大致可分为:V/f 控制，矢量控制，直接转矩控制等。从应用功率器件方面看可分为:
8、电流控制型器件(如 SCR、功率晶体管、GTR、GTO)和电压控制型器件(如 IGBT、IECT 等)。21 SCR 电流型变频器电流型变频器用晶闸管三相桥式整流电路将交流变为直流，然后再在逆变部分（也采用晶闸管三相桥）将直流变为频率可调的交流输出。在其直流母线上串联电抗器，因此具有电流源特性。根据晶闸管换流方式的不同，有多种电流型变频器，目前用得最成功的，当属“负载换相式”电流型变频器。它通过负载所供给的超前电流，使晶闸管关断，以实现自然换相。由于同步电动机可以通过励磁电流的调整达到功率因数超前，因此，负载换相式电流型变频器（LCI）特别适合于同步电动机的变频调速和起动。当电流型变频器用于异
9、步电动机调速时，必须在变频器的输出端加 LC 滤波器，使滤波器和电动机合成的负载功率因数超前，以达到自然换相的目的，这称为“输出滤波器换相式”变频器或“自换相式（SSI） ”变频器，以区别于用于同步电机调速的“负载换相式（LCI） ”变频器。22 GTO 电流型变频器该类变频器使用 GTO 作为功率输出器件。由于 GTO 本身可以通过门极控制关断，从而可引入 PWM 控制技术，简化控制线路。整流部分采用 SCR 器件，逆变部分采用了可关断晶闸管 GTO，开关频率为 180Hz。线路可以说是电流源和 PWM 技术的结合（简称“CSIPWM 技术” ） 。由于采用脉宽调制方式，输出谐波降低，滤波器
10、可大大减小（但不能省去，常加一电容滤波器） 。为防止电容与电动机的电感在换向过程中产生谐振，其数值需仔细选择。23 IGBT 电压型 PWM 级联式变频器采用 IGBT 器件的 PWM 电压型变频器，有其它变频器所不可比拟的优点，故 IGBT 在低压变频器中已处于统治地位。在不断提高 IGBT 器件耐压和容量的同时，人们也在寻求将其应用于高压大功率变频器的方法。其中比较成功的例子是“并联多重化 PWM 电压型”变频- 4 -器和“单元串联多电平 PWM 电压型”变频器。IGBT（Integrated Gate Bipolor Thyristor）器件的特点是：（1）高的开关频率（达 1020k
11、Hz） 。而在一般的高压变频器中，12kHz 的开关频率最为适宜；（2）通态压降低（约 12V） ，损耗小，易于冷却；（3）由于隔离栅的结构，门驱动功率低，控制线路简单，便于与微处理器接口。功率单元串联的方法解决了用低电平的 IGBT 实现高压变频的困难，它既保留了 IGBT和 PWM 技术相结合所具有的各项优点，且在减小谐波分量等方面有更大的改进，使变频器功率得以提高。该方案原理是迄今为止较为合理的高压变频器方案。单元串联 PWM 高压变频器，每相由 69 个相同的功率单元串联而成。每个单元分别由输入隔离变压器的一个二次绕组供电。隔离变压器共有 1827 个二次绕组。各功率单元及其绕组相互绝
12、缘，且对地有足够的耐压。功率单元中的 IGBT 采用低压器件（1700V） ，二次绕组电压为 580690V。每个功率单元都是一个三相输入、单相输出的 PWM 变频器，输出 0580V 可调电压和 0120Hz 的可调频率，具有统一的结构。每个单元承受全部的输出电流，但仅承受 1/6 的输出相电压和1/18 的输出功率。因为是六重连接，相当于 36 脉波，所以理论上 35 次以下的谐波都可以抵消。总的谐波电流失真可低于 2%。功率因数可达 96%以上，不必采用输入滤波器和功率因数补偿器。逆变器采用多电平移相式 PWM 技术。同一相的功率单元输出相同的基波电压，但串联各单元的载波依次错开一定的相
13、位，叠加出来的是 13 阶梯的正弦调制波。由于 IGBT 的导通压降很小，而且较低的开关频率降低了功率损耗，系统总效率（包手输入变压器在内）可达 97%以上。多电平叠加的 PWM 技术使系统的谐波、dv/dt、噪声等都得到改善。该变频器可适用于各种普通的交流电动机，不需降额使用。而且功率单元中足够的滤波电容使系统可承受30%的电源电压的下降和 5 个周期的电源失电。模块化的功率单元可以互换，维修方便。哈尔滨九洲电气股份有限公司与天津电气传动研究所合作开发的PowerSmarter600010000 系列变频器，亦属这一类多电平 PWM 电压型变频。由切分单元（输入隔离变压器的各个二次绕组）分别
14、供电。每个功率单元输出电压为 600V，69 个功率单元串联，相电压可达 34806235kV。输出线电压 610kV。系统成功地应用于工矿企业的大型异步电动机调速。- 5 -3对变频调速系统的主要要求（1）要求变频器要有高可靠性，长期运行无故障；（2）要求变频器有旁路功能，一旦出现故障，可使电机切换到工频运行；（3）调速范围要大，效率要高；（4）具有闭环逻辑控制能力，可以自动按照吹氧周期升降速；（5）有共振点跳转设置，能使电机避开共振点运行，让风机不喘震。3 1 高压风机水泵调速系统我国钢铁行业高压电动机多为 6kV 和 10kV，高压电机调速大多为直接启动和液力偶合器调速；高压风机采用液力
15、耦合器调速方式。直接起动或降压起动不但起动电流大，造成电网电压降低，影响其它电气设备的正常工作；而且主轴的机械冲击大，易造成疲劳断裂，影响机械寿命。当电网容量不够大时，甚至有可能起动失败。液力耦合器在电机轴和负载轴之间加入叶轮，调节叶轮之间液体（一般为油）的压力，达到调节负载转速的目的。这种调速方法实质上是转差功率消耗型的做法，节能效果并不是很好，而且随着转速下降效率越来越低、需要断开电机与负载进行安装、维护工作量大，过一段时间就需要对轴封、轴承等部件进行更换，现场一般较脏，显得设备档次低。一般说来，使用中、高压变频调速系统对于风机、水泵类负载有两个重要特点：第一，由于消除了阀门（或挡板）的能
16、量损失并使风机、水泵的工作点接近其峰值效率线，其总的效率比液力耦合器提高 2550；第二，中、高压变频调速起动性能好，使用高压变频器，就可实现“软”起动。变频装置的特性保证了起动和加速时具有足够转矩，且消除了起动对电机的冲击，保证电网稳定，提高了电机和机械的使用寿命。四、高压变频调速在风机中的应用四、高压变频调速在风机中的应用大型风机是工矿企业的关键设备，其耗电常达到企业电力消耗的 13 以上。这些风机经常在 5070，甚至更低的流量下运行；或者是周期运行。这是因为，一方面，设备在设计时，通常留有一定的余量;另一方面，由于工艺和工况的变化要求，需要风机输出不同的风量。采用变频调速装置，可以在效率基本不变的情况下，通过改变风机的转速来调节输出风量，这不但方便有效，还可节省大量的电能。因此，在大型风机上推广应用高压变频调速技术，对满足工艺要求，提高产品质量、降低成本和节能都具有重要意义。五、五、 企业简介：企业简介：- 6 -哈尔滨九洲电气股份有限公司成立于 1997 年，是国家科技部认定的国
