随着电力、电子技术、计算机技术的不断发展,交流电机变频技术得到了日益完善并迅猛的发展,中小容量的低压变频(690V以下)已被广泛的应用。除节能降耗外,在机械、造纸、冶金、石化、矿山、建材、电力等领域其已成为必不可少的关键设备。然而,对于中大容量、高压交流电机的变频调速,除了价格因素之外,合理的改造方案或者设计方案,以及综合投资和性价比,也成为了制约其被广泛推广应用的因素。
1、高压电机变频调速方案现状
高压大容量的变频调速器是一种难度大、技术含量高的高新技术,其开发与生产的难度有:因为高压变频器的供电电压高,但是世界上电力电子元器件的耐压水平较低;高压大功率变频器的技术难度大,制造技术也要求高。然而它主要被应用于风机、水泵等的节能运行,需要低投入,由节电费用来偿还投资。
2、高压电机变频方案的分类及特点
2.1 高―低―高方案
此方案以通用的低压变频器为核心,即:在低压变频器的输入侧加入一台降压变频器,把6KV/3KV降至低压变频器适配的输入电压;在变频器的输入侧加入一台升压变压器,从而使得输出电压和电动机的额定电压相匹配。高―低―高的变频调速方案,在国内市场较为普遍,也是目前应用最多的一种,在市场上主要是以西门子产品为主。在此方案中,按照直流供电整流单元的形式可分为6脉动整流单元与12脉动整流单元。6脉动整流单元的系统结构简单,硬件构成的用费较低;12脉动整流单元却是由一台次边相差30度的三绕组变压器与两台完全相同的整流单元所构成的,且在变压器的二次侧必须接入进线电抗器,因此其相对成本较高,但是,从谐波分量上看,12脉动整流的效果要比6脉动好,6脉动的谐波分量为5、7、11、13、17、19、23、25次,12脉动的谐波分量为11、13、23、25次。
此方案最适宜用于改造项目,优点:(1)方案成熟。仅以西门子的产品为例,目前已在国内应用的套数已出具规模。(2)原有的电机电缆无须进行改动。(3)便于实现切换的功能。(4)相比于高―高方案的投资较低。其缺点:系统构成环节相对高―低或者高―高方案较多,因为滤波器以及升压、降压变压器的损耗,长期的运行费用也就相对较高。
2.2 高―低―低方案
高―低―低方案的核心仍然是以低压变频器为主,在变频器的输入侧加装一台双绕组的降压变压器,把高压电机变成可用的低压变频驱动的电压等级。此方案目前在国内的用户较多。西门子产品的应用较多,系统主要由双绕组降压变频器、变压器组成,此系统方案构成较简单,特别适用于新建项目,对于改造的项目,更换电机就会增加项目的开支。其谐波分量主要为5、7、11、13、17、19、19、23、25次。
此方案的优点在于:(1)方案成熟。低压IGBT或者IGCT功率器件已经很成熟,应用范围也很广。(2)构成简单,维护的环节少。(3)投资少,见效快。低压变频器的价格低廉,市场价格相当透明。(4)升压变压器的损耗、长期运行的费用低。此方案的缺点:当用于改造项目时,需要更换电机,增加改造的工作量,从而也使得项目投资增加,延长施工周期。
2.3 高―高方案
高―高变频器是高压电机电源经过高压开关柜后,直接送至高压变频器,经高压变频后,直接将电压供给给高压电动机的定子。
此中高压电机变频调速系统主要有4种形式:(1)功率元件(GTO、SCR、SGCT)串联式;(2)中点箝为位式,也就是三点平式(GTO、IGBT);(3)多电平式,其中常用的有四电平、五电平等(IGBT);(4)单相逆变器串联式。这些高压变频器都是近年推出的,并且技术先进,效率高,占地面积也小,为高压变频器的主要发展方向。
高―高方案采用单元串联的方式(IGBT),利用移相叠加的原理（移相变压器）,有效的抑制谐波干扰,使得输出的波形近乎成正弦波形。其具备以下优点:无需增加任何的输出滤波或者功率补偿装置;使用效率可高达97％,功率因数较高,在无需任何补偿装置的情况下,当负载>20％时,功率因数大于95％负载>20％;无谐波所引起的脉动转矩产生,可以避免负载共振,延长电机与机械设备的使用寿命;可以使主电机、电缆绝缘避免受到dv/dt应力的损伤;电机不受共模电压的影响;在压降允许范围内电机电缆无任何长度的限制;对电网不产生污染;主器件由于采用冗余设计可靠性高,可适应极端的工况;功率单元具有自动旁路功能,能够提升供电的可靠性;具有瞬时停电不停机的功能,当电源电压发生瞬时降压或者停电(5s以内),变频器不会停机。在电源电压恢复后,就会立即重新加速,并恢复到原状。当电源瞬停时,在300ms以内,变频器不会停止运转。
3、高压变频器的选择原则
在选择高压电机变频器时,应将各厂家的高压变频器进行综合的比较,不要被某些宣传广告与不实事求是的文章所误导,更不能够受习惯因素的影响。在选择高压大容量变频器时,应当注意一下原则:首先,可靠性及售后服务;其次,价格;再次,主要的技术指标;最后,供货期及厂家的信誉。
4、结语
高压电机变频调速装置是机电一体化的高技术产品,从变频器装置的发展过程与发展趋势来看,仍是以功率器件为主要代表。变频调速具有较高的效率、较宽范围与较高的精度,且规格齐全,能满足各种不同的需求,适用范围较广,是最具发展前途的理想的调速方法。
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