低压大功率变频器的选型与实践

1、电动机知识 低压大功率变频器的选型与实践 摘要：变频器的正确选用对于机械设备电控系统的正常运行是 至关重要的。 选择变频器， 首先要根据本企业的实际情况出发， 合理选择变频器电压等级，在一定的功率范围内（ 1000Kw 以 下）尽量选择低压变频器，同时按照机械设备的类型、负载转 矩特性、调速范围、静态速度精度、起动转矩和使用环境的要 求，决定选用何种控制方式和防护等级的变频器。 关键词：变频器精度选型 变频器主要用于交流电动机转速的调节，是理想的调速方案， 随着中国经济的整体快速发展，市场对传动产品的要求逐渐提 高，变频器调速以其自身所具有的调速范围广，调速精度高， 动态响应好等优点，在许多速度控制应用领域中发挥越来越重 要的作用，它除了具有优良的调速性能之外，还具有显著的节 能效果，特别是变频器应用在风机和水泵上，该类负载在国民 经济各部门的应用数量众多，分布极广，耗电量巨大，且调速 范围又有限（一般 50%-100%），是一个很有发展前途的应用领 域。 以电厂为例，大量的锅炉辅机的传动系统容量一般较大，定速 运行时存在严重电能浪费问题。采用大功率变频器，可以对电 厂的锅炉风机和水泵

2、设备，如锅炉鼓风机、锅炉引风机、锅炉 送水泵、冷凝水泵、冲渣水泵、灰浆泵等进行配套或改造，节 电效果非常显著。同时可以实现很高的自动化控制，使锅炉运 行更加安全可靠，如引风机变频调速使炉膛负压更加稳定；一 次风机变频调速送风更加稳定，煤的燃烧更加彻底；灰浆泵变 频调速能够保护灰浆泵电机，防止泵堵塞过载烧毁电机等。一、国内电厂大功率电机现状国内电厂锅炉辅机大部分风机和水泵的功率在200kW-2000kW，按照国内惯例， 200kW 以上的电动机均采用 6kV 电动机，使得 电厂主要辅机都采用 6kV 电动机，电力部门从减小线损的角度 出发，希望提高供电电压，大力推行 10kV ，用户从简化配制的 角度出发，自然希望 200Kw 以上的电动机和变频器采用 6kV 或 10kV，这种配置的优点是能节省一台电动机的购置费用和安装 工作量； 可以直接加装变频器旁路开关， 在变频器发生故障时， 可以直接通过旁路开关切换到 6kV 或 10kV 厂用母线上来，不 必中断运行。然而选用 6kV或10kV “直接”变频，从技术和经 济角度看都不合理。目前所有的“直接”高压变频都不是真正 的直接变频， 在

3、其输入侧都有变压器或者依靠电子器件的串联， 因此电动机和变频器没有必要和电网电压一致。从经济角度看 一台560kW高压变频器售价是低压 660V或690V变频器售价的 一倍多，售价超过 120 万。说明在一定的功率范围内，即使考 虑到更换电动机和添加整流变压器的费用，选择低压方案也比 高压方案要经济的多，后期的设备维护成本，维修的技术要求 都要求的低。二、高低压变频器结构比较 近年来各种高压变频器不断出现，可是到目前为止，高压变频 器还没有像低压变频器那样近乎统一的拓扑结构，一个二极管 整流电路，一个中间直流回路，一个逆变桥组成，逆变桥通常 由 1.2kV （380V 变频器），1.7 kV （690V 变频器），IGBT 组成， 每个桥臂一般只用一个功率器件。 高压变频器结构相对较复杂， 通过多年的不断研究一种以北京利德华福为代表的采用多重化 技术制作的高压变频器，也就是用小功率器件实现大功率变换 的一种手段。所谓多重化技术就是每相由几个低压 PWM 功率 单元在其输出端通过某种方式（如变压器）串联或并联组成， 各功率单元由一个多绕组的隔离变压器供电，由低压单元串联 叠加达到高压输出

4、或并联达到大容量输出的目的。另一种是以 成都佳灵为代表的多管直接串联的两电平变换电路高压变频 器，主要是将功率器件串、并联使用，来满足系统高压变频的 要求，串、并联在一起的各种器件，被当作单个器件使用，利 用较为成熟的低压变频器的电路拓扑控制策略和控制方法，实 现高压变频器产品。这样做的难点是串联开关管需要动态均压 和静态均压， 对驱动控制电路整体要求较高， 还需要解决 du/dt ， 抗共模电压，正弦波滤波等诸多技术问题。再一种是以清华大 学电机系为代表的二极管箝位型三电平变换电路高压变频器， 目的是克服功率器件直接串联时所需的均压问题，在多管直接 串联的基础上引入了箝位二极管概念，避免器件直接串联引起 的动态均压问题。除了上述三种主流拓扑结构形式的高压变频 器外，近年来又出现飞跨电容箝位型三电平变换电路，电容自 举多电平变换电路等多种形式的高压变频器，无论何种形式都 伴随着自身的相适应的控制方法和理论，任何一种控制方法都 较低压普通二电平变频器复杂，伴随着一系列要解决的难题， 像功率器件选型、 杂散参数处理、 绝缘、 电磁干扰、 散热冷却、 器件的场域分析、能量控制、 du/dt

5、和 di/dt 的影响、暂态过程 控制等问题的解决，这些都是低压变频器不曾出现或出现极少 的问题，或是低压变频器容易解决的问题，因此使用低压变频 器对系统来说更为可靠、简单。三、变频器选型 变频器的正确选用对于机械设备电控系统的正常运行是至关重 要的。选择变频器，首先要根据本企业的实际情况出发，合理 选择变频器电压等级，在一定的功率范围内（ 1000Kw 以下） 尽量选择低压变频器，同时按照机械设备的类型、负载转矩特 性、调速范围、静态速度精度、起动转矩和使用环境的要求， 决定选用何种控制方式和防护等级的变频器。3.1合理选用变频器电压等级 目前，变频器合理的电压登级是由功率器件承受电压水平决定 的，而某一电压等级下变频器可能的功率范围则由功率器件的 承载电流能力决定；受电力电子器件电压及电机允许的 du/dt 限制， 10kV 变频器必须多电平，多器件串联。造成线路复杂， 价格昂贵，可靠性差，维护成本高。对于 10kV 变频器若使用 1700VIGBT 器件，需 10串，三相供 120 支器件；若使用 3300V 器件，也需 5串供 60 支器件，数量巨大，可靠性必将受到影响。 另一

6、方面高压变频器使用器件一般电流小，器件的电流能力得 不到充分利用，以 710kW 为例， 10kV 电动机电流仅有 50A 左 右，目前耐压 1700V 的 IGBT 电流已做到 2400A， 3300V 器件 电流达1600A，有大电流器件不用，偏要用大量小电流器件串 联，其结构极不合理。即使电动机功率达到 2000kW,电流也只 有 150A 左右，仍显很小。实际应用中为了电平隔离，改善输 入电流波形及减小谐波，大部分高压变频器输入侧都加有输入 变压器，既然有变压器，变频器和电动机的电压就没有必要和 电网电压一样，非用 6kV 或 10kV 不可。因此就有了变频器和 电动机的合理电压等级问题。过去电动机中低压 200kW分界主要考虑电动机直接起动，起动电流 5-7 倍额定电流，若使用 10kV/380V电力变压器，其容量2000kVA，短路阻抗6%左右考 虑，开关的瞬时脱扣值就很大了，如要提高电力系统稳定性和 供电质量的话， 变压器阻抗还希望进一步降低； 但是阻抗越小， 则带来系统短路电流就会增大，更不利于电器设备选择，线路 中的开关的分断容量还要进一步提高，势必造成选型成本的提

7、高，造价提升。电动机起动时 380V 母线压降限制在 50%左右的话，就要再加大变压器容量，短路电流会太大，低压开关将 难以承受。采用变频器调速后，起动电流被限制在额定电流值 内，低压变频器容量目前可做的很大， ABB 等公司掌握了逆变 单元的并联输出技术， 低压变频器容量可以做到2900kW,为我们大量选用低压大功率变频器提供了可能。在实践中我们可以 把原来仅起到隔离作用的进线变压器 10Kv/6kV 或 6Kv/6kV ， 改为 6Kv/690V 、6Kv/380V 的进线变压器，则可获得 690V 和 380V 电源电压， 为大量采用低压大功率变频器提供了可能。 目 前国内660V或690V低压电动机容量已做到 1000-1200KW，使 选型更为便捷。3.2 机械设备的负载转矩特性 人们在实践中常将生产机械根据负载转矩特性的不同，分为三 大类型：恒转矩负载、恒功率负载和风机、水泵类负载。 在这类负载中， 负载转矩 TL 与转速 n 无关， 任何转速下 TL 总 保持恒定或基本恒定，负载功率则随着负载速度的增高而线形 增加。传送带、搅拌机、挤压机和机械设备的进给机构等摩擦 类负载

8、以及起重机、提升机、电梯等重力负载，都属于恒转矩 负载。变频器拖动恒转矩性质的负载时， 低速时的输出转矩要足够大， 并且要有足够的过载能力。 如果需要在低速下长时间稳速运行， 应该考虑标准笼型异步电动机的散热能力，避免电动机温升过 高。这类负载的特点是需似保持不变。 金属切削机床的主轴和轧机、 造纸机、薄膜生产线中的卷取机、开卷机等，都属于恒功率负 载。负载的恒功率性质应该是就一定的速度变化范围而言的。当速 度很低时， 受机械强度的限制， TL 不可能无限增大， 在低速下 转变为恒转矩性质。负载的恒功率区和恒转矩区对传动方案的 选择有很大的影响。电动机在恒磁通调速时，最大允许输出转 矩不变，属于恒转矩调速；而超过弱磁点后，进入弱磁调速区， 变频器输出电压不在增加，速度增加，转矩下降，最大允许输 出转矩与速度成反比，属于恒功率调速。323风机、水泵类负载这类负载的转矩与转速的二次方成正比，功率与转速的三次方 成正比。各种风机、水泵和油泵，都属于典型的流体类负载。流体类负载通过变频器调速来调节风量、流量，可以大幅度节 约电能。由于流体类负载在高速时的需求功率增长过快，与负 载转速的三次方成

9、正比，所以不应使这类负载超工频运行。电 厂中该类负载设备占很大比例。了解了设备的负载类型，在选 择变频器还不够，还需要选择正确的电压等级。知道电动机拖动的负载类型，选择了正确供电电压，在实际选 择变频器还要依据电机额定电流值作为变频器选择的主要依据 电机的额定功率只能作为参考。另外，应充分考虑变频器的输出含有丰富的高次谐波，会使电动机的功率因数和效率变坏因此用变频器给电动机供电与用工频网供电相比较电动机的电流会 增加10%，而温升会增加 20%左右。所以在选择变频器时，应 考虑到这种情况，适当留有余量，以防止温升过高，影响变频器的 使用寿命。Domain: dnf 辅助 More:d2gs2f 另外，变频器与电动机安装距离较长时，应该采取措施抑制长电缆对地耦合电容的影响，避免变频器出力不够。所以在选择变 频器时应放大一档或在变频器的输出端安装输出电抗器。只有 正确地选择了变频器，才能保证改造和生产的顺利进行。下面 用一个具体的事例，说明低压大功率在电厂新上项目的成功应 用。四、低压大功率变频器的实践 经济发展，热电优先，在这一背景之下， 2004 年秦皇岛同和热 电有限公司进行二期扩建项目，工程主要由 1 x 24MW双抽凝 汽式汽轮发电机组配 1 台 170t/h 循环流化床锅炉、 主厂房的建 设及基础工程施工，锅炉的辅机四台大功率电动机，其中引风 机电机额定功率：1120KW ； 一次送风机电机额定功率：710KW ； 二次送风机电机额定功率：450KW ;循环泵电机额定功率：680KW。若都采用高压6kV变频器势必增加扩建项目一次投资 费用，通过我们大力推荐使用低压大功率变频器，加之厂家的 实际考察，最终采用了 ABB 低压变频器。 具体的变频器型号与应用如下：ACS800-07-0580-7 具体电流值 488A。用于拖动 450KW/690V 二次风机变频电机；电机电流：441A。用于拖动循环泵 680KW/690V 循环泵变频电机； 电机电流： 705A ACS800-07-1060-7 具体电流值 885A。用于拖动 710KW/690V 一次风机变频电机；电机电流： 736A ACS800-07-1500-7 具体电流值 12

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