秦强林
成都东方凯奇电气有限责任公司
1高压大功率变频器状况
1.1高压大功率变频器在我国的发展过程
变频技术的发展始终与电力电子元器件的发展密不可分，从大功率二极管到可控硅器件，从功率双极型三极管到功率MOS管，再从IGBT到IGCT，每一次元器件的飞跃都带来了变频器技术的发展。
80年代初期，美国RCA公司和GE公司推出新的IGBT元器件，之后，就在低压变频领域产生了一次变革。从日本三垦公司1988年第1台低压变频器进入中国后，国外著名公司如ABB、TOSHIBA、FUJITSU、SIEMENS等均凭借先进的技术与强大的资金及销售网络相继将其变频器推向中国。20世纪80年代末，中国企业开始认识变频器的作用，尝试技术研发与生产，并在一些需要调速控制的场合使用。经过10余年的推广和使用，低压通用变频器已得到国内较多企业用户的认可，同时也在诸多领域显示出它有效的节能效果。在发展过程中变频器品牌也从单一的国外品牌发展到了后来国产占到40%左右的70余个品牌，市场总额达到2000年的约40亿元人民币。
由于变频器的优异调速节能性能，国外早已将它应用在节能潜力更大的高压大功率异步电机上。目前国内一些企业通过使用高压大功率变频器也尝到了变频调速方式节能增效的好处，但真正在各行业中的大功率风机、水泵上使用远没有普及。为了满足工艺工况和节能的迫切需要，许多企业采取较为落后的调速方式，例如液力藕合调速、调压调速、串极调速等，绝大部分企业仍然使用阀门或档板对风机或水泵进行流量控制，造成了大量的电能浪费。
90年代中期国内一些公司开始了高压大功率变频器的开发和研制，经过几年的努力，技术上逐渐缩短了与国外品牌的距离，已经能够达到国外产品的技术性能，初步形成产业规模，产品进入国内市场。这些公司中有成都东方凯奇电气公司和北京先行公司等。
目前，大功率高压变频器的使用范围几乎覆盖了我国的主要工业行业，如电力工业、市政供水、冶金、石油、化工、采矿、煤炭、造纸、建材等，产品电压等级包括3kV、6kV、10kV及油田专用潜油电泵使用的1?100～2?300V，这些变频器可以正常拖动风机、水泵、压缩机等各类负载。
1.2高压大功率变频器的市场发展前景
国民经济的快速发展和其它行业的技术进步迫切要求交流变频技术快速提升，未来几年里以电力电子技术的相关瓶颈突破为契机，结合了传统的电力技术、传动技术、光机电一体化技术和现代的通信互联网技术、绿色节能环保技术的变频调速装置及变频电源将会显示出巨大的发展前景和市场需求量。
今后国家的基本建设项目如西气东送、南水北调等，将广泛采用变频调速新技术新产品。资料统计，我国发电总量的66%消耗在电动机上。截止到1999年底，我国有各类风机约780万台，水泵4000万台，空压机560万台，这些装置占去了电机耗电的一半以上；3kV以上高压电机的总容量达1.44亿kW，现以每年5000～6000MW的速度增长，如果其中的三分之一电机(35%)需要调速，今后10年的改造量应为2.10亿kW×35%＝0.74亿kW，若按照高压大功率变频器目前平均1500元/kW的价格计算，未来10年的市场总额大致在1500×７４亿kW＝１１００亿元，再考虑一些其他因素，实际的需求总额应在800～900亿元之间，市场成熟期的年平均使用额为80～90亿元。
从目前高压变频器的一般使用情况来看，平均节电率可达30%～45%。因而，无论是在新建项目中，还是在技改项目中，投入和使用高压变频系统都是非常有效的节能手段。从经济发展的角度来看，国家今后每年有计划地改造5?000～6?000MW的低效风机、水泵及其它一些能耗较大的设备是可能的，这样，每年的技术改造费用投入将会有60～70亿元人民币。
2变频调速节能原理分析
2.1交流电机变频调速原理
根据电磁感应原理，交流电动机的转速满足下式
n0＝６０f/P(同步电动机)(1)
n=(1－S)f/P(异步电动机)(2)
式中 n0——电动机同步转速
n——电动机异步转速
P——电动机的定子级对数
F——交流电源的频率
S——电动机的转差率
根据上式，电动机的转速随着电源频率f或电动机极对数P或电动机的转差率S变化。由于电动机的极对数P只能有级调节并且其调整量有效，因此调速范围有限，从而使其应用受到限制。而使用过大的转差率调速显然是不经济，对电动机的功率因数及效率的影响很大，故其应用范围十分有限。变频调速则通过改变电动机的输入频率改变其空间旋转磁场的角速度达到速度调节的目的，电动机的转速随着电源的频率变化而改变，电源频率f增加，电动机的同步转速随之增加，反之则下降。变频调速方式实现了在不影响电动机各项性能的前提下速度无级调节、恒转矩调速或恒功率调速等变频调速方式，因此受到工业界的广泛重视，其应用案例越来越多。
2.2变频调速节能原理分析
变频调速应用于风机、水泵类设备可以大量节能，这类设备均有“负载转矩与转速的平方成正比例”的特性。设备的运行曲线见图1。
风机、水泵等具有“转矩平方特性”的设备运行时遵从以下规律：
(1)流量与转速成正比例
Ｑ＝Ｋn(3)
式中Q——流量
n——电动机的转速
K——比例系数
(2)流体的压力与转速的平方成正比例
式中H——流体压力
n——电动机的转速
Cl——比例系数
(3)泵类的轴功率与转速的三次方成正比例
式中P——轴功率
n——电动机的转速
D——比例系数
当实际流量较小时，通过调低转速，泵类的轴功率将按照三次方规律大幅度降低，折入功率输入也大幅度降低，从而大幅度降低电耗。
根据具有“转矩平方特性”设备流量调节与对应功率的关系，参照图1可得出定速设备调节档板时的轴功率为：
式中Ｐ１——Ｑn等于1时的轴功率
Ｑn——流量标么值
Ｈn——压力标么值
变频调速设备的轴功率为：
Ｐn１＝Ｐ11·Ｑn１·Ｈn１
由于变频调速设备的压力与流量平方成正比例，因此
式中η——拖动系统的效率
η１——变频器的效率
两种调速方式的系统输入功率曲线见图2。可看出，使用变频调速后，随着流量的减小，系统输入功率的减小将按曲线b快速下降，与使用档板调速的输入功率差值为Pa-Pb
变频器调速调节调节流量的Ｐ－Ｑ曲线b
3DFCVERT-MV高压大功率变频器
3.1特点
3.1.1对电网无污染，纯净的功率输入
因使用了目前国际上先进的移相多重化整流逆变技术，输入输出电流、电压均为完全正弦波且符合GB14549—92及美国电气工程协会IEEE519—1992标准对电压、电流谐波失真的严格要求。
3.1.2高功率因数
可产生近乎标准正弦波的输出电流。装置的输出可以保证在较宽的电机转速范围内(20%～100%)功率因数均达到095以上。应用于三相感应电动机，在整个运转范围内可维持高功率因数。在低速应用时，高功率因数优点更加明显。见图3。
3.1.3高效率
具有平均95%～97%的高效率(最高可达97.5%)，远高于可控硅高压大功率调速装置效率(30%～80%)，亦比采用其它类型调速方式的调速装置的效率高。
3.1.4低畸变的正弦波输出电压和全正弦波电流输出
不需要增加外部输入输出滤波器就可提供低畸变的正弦输出电压和标准的正弦电流，不增加电机的运转噪音，不产生附加应力，也无需将电机降额使用。图4为实测出的典型DFCVERTMV系列无电网污染高压大功率变频器的输出电压与输出电流的波形。
3.1.5高进高出供电方案，无需输出变压器
采用0.9～10kV电网电压输入，变频器输出0.9～１０kＶ电压供给感应电动机，避免了高－低－高供电方式的诸多缺点。
3.1.6节能突出，效益明显
高压大功率风机、泵类的拖动电机是企业的主要拖动设备，亦是电力、石化、矿山、钢铁及城市供水等工业的主要耗能设备，电机的使用效率较低，功率因数低。而DFCVERTMV系列无电网污染高压大功率变频器具有高功率因数、高效率和变频调速的特性，可以广泛运用于各类拖动装置进行调速控制，大量节约能源。
3.1.7高可靠性，维修快速
电子元件、部件及整机均通过高温老化和严格的出厂试验具有高可靠性。整机采用模块化结构，相同单元组件具有互换性，若出现故障，可在几分钟内用简单工具进行快速维修。
3.1.8电机软启动，无冲击电流
有多种适用的电机启动曲线供用户选择，启动时间和启动电压可由用户自行设定，确保拖动电机的启动安全可靠，能够有效地延长拖动电机的使用寿命。
3.1.9空气冷却
DFCVERT-MV系列变频器中3?000kW以下的变频器一般采用强制空气冷却，冷却方式简便有效，冷却风机维修方便，体积较小，相应投资较低。
3.2DFCVETR-MV系列变频器原理简介
其简化原理图见图5(3kV变频器)，等效输出见图6。
图5中每一个代表了图6中的一组Ve，每组Ve的输出电压和输出频率均由计算机根据指令控制产生，其输出电压满足下列规则：每个单元都是三相交流输入，由IGBT单相全桥输出脉宽调制(PWM)电压，每相N单元叠加产生多重化脉宽调制波形，共有2N+1种电压等级(±N，±N－1……±2，±1，0)。
3.3DFCVERTMV系列变频器功能
3.3.1启动方式
(1)正常启动方式。按照正常方式启动后，闭环或开环运行于设定值附近，控制精度由系统决定。
(2)软启动方式。对于大功率电动机，使用变频器对电机进行无冲击电流启动方式启动，启动后，经过控制器将被控电机由较低启动频率变频拖动至工频，并切换至工频电源，完成电机的软启动。
3.3.2运行方式
(1)闭环运行模式。在闭环运行模式下，用户可以设定并调节被控制量(比如压力、温度等)的期望值，变频器将根据被控制量的实际值与设定值进行比较，检测出差值，经过自动调节，控制拖动电机的转速，使被控制量的实际值自动逼近期望值。
(2)开环运行模式。选择开环运行模式，变频器的运行频率将由LCD面板给定或由外部模拟信号直接给定。
3.3.3频率设定
可以采用计算机给定，也可以采用电位器、传感器直接进行模拟给定。
(1)计算机给定。通过主界面的↑←↓→健进行参数的给定。
(2)模拟给定。用外部0-10V或4-20mA模拟信号，对变频器运行频率进行给定。
3.3.4控制方式
可以在机旁控制，也可以在异地进行远程控制。
(1)本地控制。直接利用变频器柜体上的控制面板的启动、停止及其它控制按钮进行控制。
(2)利用DCS系统实现远程控制。
(3)远程拨号控制方式进行控制。用户可以利用上位机通过电话网络对变频器进行异地远程监控。
3.3.5参数设定功能
所有参数均有文字提示，可以备份或恢复。
可以进行两段或多段频率设定，以躲开设备可能出现的共振、喘振现象；可以设定不同的转矩提升，适合不同负载的启动要求。
可以合理设置系统或电机的各种保护参数，包括过流、过压、欠压、缺相、过热等，以保护系统及电机。
3.3.6故障查询功能
具有故障报警及故障查询功能， [1] [2] 下一页
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