引言
*，風(fēng)機(jī)、水泵采用變頻調(diào)速后可節(jié)約電能，380v以下的低壓電動機(jī)已廣泛應(yīng)用。電廠運(yùn)行的特點(diǎn)是風(fēng)機(jī)、水泵的電壓高、功率大，如推廣采用變頻調(diào)速則不僅大幅度降低能耗和發(fā)電成本，而且變頻調(diào)速具有調(diào)速精度高、啟動電流小、減少機(jī)械振動和摩擦、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)。是其他調(diào)速方式，如滑差調(diào)速、液力耦合調(diào)速、變極調(diào)速、串極調(diào)速等*的，是當(dāng)前交流傳動系統(tǒng)中*的的調(diào)速方案[1]。
1高壓變頻調(diào)速的技術(shù)特點(diǎn)
近幾年來，世界各國都非常重視中高壓功率變換技術(shù)的研究，是當(dāng)前電力電子技術(shù)發(fā)展動向之一。目前實際的高壓變頻系統(tǒng)主要有以下方式：
a．高—低—低方式：先將高電壓用變壓器降壓，然后用低壓變頻器拖動低壓大功率電動機(jī)，這種方式不是真正的高壓變頻。
b．高—低—高方式：先將高電壓經(jīng)變壓器降壓后輸入低壓變頻器，低壓變頻器輸出再經(jīng)變壓器升壓后拖動高壓電動機(jī)。這種方式占地多，有諧波，需配備濾波器。
c．高—高方式：直接高—高功率變換方式的逆變器采用多個功率開關(guān)器件串聯(lián)方式，當(dāng)系統(tǒng)電壓較高且功率開關(guān)器件耐壓較低時，需要串聯(lián)的功率開關(guān)器件個數(shù)較多，逆變器損耗增大，系統(tǒng)可靠性和效率降低，另外，該方式運(yùn)行中產(chǎn)生的du／dt較高，諧波成分較大，必須配備濾波器使用，維護(hù)復(fù)雜。
d．多電平方式：多電平功率變換是目前較理想的高壓變頻方式，該方式與前幾種方式的重要區(qū)別是功率器件的開關(guān)頻率大大降低。其工作原理是先將高電壓切分成多個低壓電乎，然后再利用多電平功率逆變器疊加合成正弦電壓波形，隨著電平數(shù)的增加，合成階梯波形分級越多，合成的電壓畸變越小，國外文獻(xiàn)稱之為“無諧波的交流功率變換器”。其優(yōu)點(diǎn)是可使用常規(guī)低壓功率開關(guān)器件實現(xiàn)高壓變頻調(diào)速技術(shù)，并從根本上解決諧波及emi問題，還可避免較高的du／dt導(dǎo)致電動機(jī)損壞。其缺點(diǎn)是使用的功率開關(guān)器件數(shù)量較多，功率變換、變頻控制系統(tǒng)較復(fù)雜。國產(chǎn)先行公司的高壓變頻器和美國羅賓康公司的高壓變頻器均采用多電平方式[2、3]。
除了上述幾種高壓變頻方式外，還有無刷雙饋電機(jī)調(diào)速方式，也是一種很好的高壓變頻調(diào)速方式，但需要采用無刷雙饋電機(jī)且調(diào)速范圍較小[4]。
2多電平變頻調(diào)速方式的工作原理
針對發(fā)電廠現(xiàn)有風(fēng)機(jī)、水泵的運(yùn)行特點(diǎn)，在技術(shù)更新時采用多電平變頻調(diào)速方式較為理想。以5電平為例說明多電平變頻調(diào)速系統(tǒng)的工作原理。5電平功率變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。
先用多繞組隔離變壓器將高電壓分割成多組低壓，然后利用常規(guī)低壓功率器件構(gòu)成整流、逆變器進(jìn)行多電平疊加，合成正弦高電壓波形。這種方法的zui大優(yōu)點(diǎn)是可以從根本上解決高壓變頻器的可靠性問題。該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：
a．高壓分割隔離變壓器的設(shè)計采用y／△多點(diǎn)形式，即使得多個副邊繞組產(chǎn)生的電壓初相角不同，其目的在于提高電壓利用率，消除低次諧波。
b.級聯(lián)多重疊加式5電平高壓功率變換器就其一相而言，可輸出+2u，+u，o，-u，-2u等5個電平（u指單元直流側(cè)電壓），再利用局部spwm優(yōu)化技術(shù)，可得到非常的正弦波輸出電流波形（見圖2），仿真結(jié)果表明，高次諧波成分很小，實際系統(tǒng)不需要濾波器。
c．由于變頻器相當(dāng)于在電機(jī)與電網(wǎng)之間加了一級容性隔離，使整個系統(tǒng)的功率因數(shù)大為提高，可達(dá)95％以上。
3高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的實際應(yīng)用
北京燕山集團(tuán)動力部于1997年將國產(chǎn)第1臺6kv／290kva，17電子高壓變頻器安裝在供水系統(tǒng)，投資約為32萬元。水泵電動機(jī)的額定功率為200kw，額定電壓6kv，額定轉(zhuǎn)速14705r／min。其供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。17電平高壓變頻器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，它主要由輸入隔離變壓器和功率變換器構(gòu)成。輸入隔離變壓器二次側(cè)將三相電源電壓轉(zhuǎn)換為24個獨(dú)立的切分電壓，分別為24個獨(dú)立功率單元供電。每相功率變換器由8個低壓功率單元串聯(lián)而成，按星形連接成三相輸出，輸出相電壓為17電平，線電壓為33電平。功率單元原理如圖5所示，每個功率單元是由4只100a／1200v的igbt模塊構(gòu)成的三相輸入、單相輸出的脈寬調(diào)制型變頻器，各功率單元可獨(dú)立產(chǎn)生0v～540v輸出電壓，通過“波形連接變換方法”將所有功率單元輸出電壓疊加在一起，得到頻率和大小均可連續(xù)調(diào)節(jié)的高壓輸出，相電壓為0v～4320v，對應(yīng)的線電壓為0v—7500v調(diào)頻范圍。
該系統(tǒng)運(yùn)行在滿足供水要求的工況下，白天實際平均管壓調(diào)整為0．55mpa，轉(zhuǎn)速自動調(diào)整在1250r／min，節(jié)電可達(dá)38．6％；夜間實際平均管壓為0．5mpa，轉(zhuǎn)速自動調(diào)整在1150r／min，節(jié)電可達(dá)51．6％，日平均節(jié)電達(dá)40％，功率因數(shù)提高了0．13~0．19，變頻器輸出主要諧波分量為：5次諧波小于2．24％，7次諧波小于0．78％，電機(jī)啟停電流變化平緩，綜合指標(biāo)優(yōu)良。據(jù)前兩年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明：年平均節(jié)電503mw·h，按0．5元／（kw·h）計算，年平均節(jié)約電費(fèi)25．2萬元。當(dāng)電動機(jī)直接運(yùn)行時，水泵日出水量約為11000m3，采用變頻調(diào)速運(yùn)行時，水泵日出水量約為9000m3，一年可節(jié)水達(dá)73萬m3，按0．204元／m3計算，年平均節(jié)約水費(fèi)14．9萬元。以上兩項合計，年節(jié)約費(fèi)用約40．1萬元，大約1年就可收回全部設(shè)備投資，綜合經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)可觀。
以往電廠高壓電機(jī)多采用液力耦合調(diào)速；液力耦合裝置體積大、噪聲大、調(diào)速范圍窄、效率低，給系統(tǒng)帶來許多不便。大慶新華電廠將高壓變頻裝置用于大型機(jī)組的鍋爐引風(fēng)機(jī)上，200mw發(fā)電機(jī)組的鍋爐用2臺6kv／1250kw引風(fēng)機(jī)。引風(fēng)機(jī)電動機(jī)銘牌參數(shù)如下：型號為ykk6304-8；額定功率為1250kw；頻率為50hz；額定電壓為6kv；額定電流為156a；功率因數(shù)為0．85；y接線；額定轉(zhuǎn)速為744r／min。
該項目采用美國羅賓康公司生產(chǎn)的2臺1250kw、11電平變頻裝置，11電平變頻器的結(jié)構(gòu)原理如圖6所示。該裝置每相由5個額定電壓為690v的功率單元串聯(lián)而成，輸出相電壓為11電平，線電壓為21電平，zui高相電壓可達(dá)3450v，zui高線電壓可達(dá)6kv。每個功率單元只提供1／5的相電壓和1／5的輸出功率，改變每相功率單元的串聯(lián)個數(shù)或改變每個功率單元的輸出電壓，就可實現(xiàn)不同等級的輸出電壓，輸入變壓器的15個二次繞組采用延邊三角形接法，互相相差12°電角度，形成30個脈沖整流電路結(jié)構(gòu)，輸出電流非常接近正弦波，總諧波失真率僅在1％左右。輸入側(cè)綜合功率因數(shù)可達(dá)95％以上。11電平高壓變頻器主電路結(jié)構(gòu)如圖7所示。該鍋爐引風(fēng)機(jī)變頻器技術(shù)改造于1999年完成并投入使用，經(jīng)2年的運(yùn)行表明，該裝置安全、可靠。經(jīng)黑龍江省電力科學(xué)研究院測試表明，發(fā)電機(jī)組在額定工況下（有功功率200mw），采用變頻裝置后，由原來的1790kw下降到1288kw，下降約28％；有功負(fù)荷在80mw～180mw間運(yùn)行時，下降為31％～56％。統(tǒng)計采用變頻裝置前后的1個月的耗電量進(jìn)行對比，由1327mw·h下降到877mw·h，月節(jié)電450mw·h，節(jié)能效果非常顯著。按照1年節(jié)電5gw·h，0.5元／（kw·h）計算，1年可節(jié)約電費(fèi)約250萬元?；厥掌诩s為2年。
其他系統(tǒng)應(yīng)用高壓變頻器后，系統(tǒng)工況也得到不同程度的改善[2、5~7]。
4結(jié)語
大力研究和推廣應(yīng)用中高壓變頻調(diào)速技術(shù)，對提高產(chǎn)量、降低維護(hù)費(fèi)用、節(jié)約能源及提高國民經(jīng)濟(jì)綜合效益、推動和促進(jìn)我國相關(guān)高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，具有非常重要意義。