1 引言
以變頻調速傳動取代定速傳動已成為一種趨勢，應用越來越廣泛,但在中國變頻傳動的銷售額僅占世界市場的4.5%，遠低于發(fā)達國家。分析原因主要是:(1)由于對200-2000kW中功率傳動沒有按功率大小合理選擇電壓等級，一律采用6kV變頻傳動，致使變頻器售價比其控制對象—電動機的售價高得太多，平均約達9倍，投資回收期高達5~6年，比例嚴重失調;(2)典型的低壓二電平變頻器售價不高，僅為電機售價的3~3.5倍，但應用于中功率性能不能滿足要求，特別是存在著對電網(wǎng)的諧波污染和對被拖動電機的嚴重影響。為此，許多專家學者都開展這方面的研究，也引起一些爭論。本文就此作如下分析和探討。
2 選型的經濟合理性探討和建議
經濟性評價包括靜態(tài)和動態(tài)兩種分析方法，工程上常用的靜態(tài)分析法為“投資回收期法”，常用的動態(tài)分析法為“費用現(xiàn)值法”?？傎M用現(xiàn)值是指將設備總投資和設備在經濟使用期內的運行總費用按資金的時間價值規(guī)律折算到經濟運行期第一年的總費用稱為“總費用現(xiàn)值”，其值最小者為最佳方案。在對輔機傳動節(jié)電改造項目進行經濟性評價時，常將變頻調速方案與目前公認的電廠使用較廣、節(jié)電效果較好的液力調速離合器方案進行對比。遺憾的是在作者參與的改造工程中，往往都是變頻調速方案在節(jié)電效果和技術的先進性方面占明顯優(yōu)勢，但由于初投資過高，其經濟性明顯處于劣勢[7]。
據(jù)分析，初投資過高的原因當然與目前高壓變頻器產品價格居高不下有關，但用戶在選型方面存在的問題也是直接原因之一。
2.1 保留6kV電動機帶來的資金浪費及其建議
按國內以往慣例，凡功率在200kW以上的電動機均選用6kV電壓等級，200kW以下的電動機均選擇380V電壓等級。在節(jié)電改造中大都保留原有6kW電動機，再配置一臺6kV變頻器即可實現(xiàn)變頻調速改造。這種改造方案的優(yōu)點是能節(jié)省1臺電動機的購置費，可直接加裝變頻器旁路系統(tǒng)。然而從以下的分析中，你將看到這種配置并不是明智的選擇。現(xiàn)舉一實例，江蘇徐州某電廠對1臺水源加壓水泵進行節(jié)電改造，該水泵由1臺JSR158-6型、550kW、6kV電動機拖動。擬改造成變頻調速傳動。
由表1不難看出，在保持變頻傳動系統(tǒng)傳動功率不變的前提下，選用6kW高壓方案比選用660V低壓方案多化投資60萬元。說明對550kW這一功率等級的變頻傳動系統(tǒng)而言，選用低壓方案可節(jié)約投資67%，是一種經濟合理的選擇。目前，本實例已被UNDIO(聯(lián)合國工業(yè)發(fā)展組織)主辦的“中國電機系統(tǒng)節(jié)能項目”作為成功實例加以推廣。
根據(jù)現(xiàn)有經驗，由于變頻器優(yōu)越的軟起動功能，可以將異步電動機的起動電流限制在額定電流附近，起動沖擊對電機容量的限制條件已不存在，因而，低壓電動機功率范圍就可以擴大，西門子公司認為低中壓電機分界線以800~1500kW為宜。文獻[2][3][4]的研究表明，目前變頻傳動系統(tǒng)電壓與容量最經濟合理的配置應如表2所示(由目前功率開關器件電壓和電流等級決定)。
注:表2中數(shù)據(jù)以660~1200kW電動傳動系統(tǒng)為計算依據(jù)。
還應指出的是，變頻傳動系統(tǒng)電壓級別的增多，并不意味著廠用電母線供電電壓級別要增多。原因是目前任何一種中大功率變頻器為了隔離，毫無例外地都設有輸入變壓器，利用此變壓器，可以方便地從廠用6kV母線上得到所需的660V、1.15kV、2.3kV和3.0kV電壓。
2.2 電動機功率嚴重過剩帶來的資金流失及國外經驗
如上所述，在電廠輔機傳動系統(tǒng)中電動機功率過剩問題十分嚴重，例如200MW、300MW機組風機傳動系統(tǒng)，當機組帶滿負荷運行時，送引風機電動機額定功率往往高出風機實際所需軸功率的40~50%，而在對其進行變頻調速改造中，變頻器的容量選擇不是按實際所需軸功率,而是按原有電動機額定功率確定，這就使變頻器容量比實際需要容量高出40~50%，也造成資金大量流失。
為了降低變頻器容量和初投資，日本一些火電廠在鍋爐風機上采用變頻器和入口導葉聯(lián)合調節(jié)方式，即在30~80%額定風量范圍內采用變頻調速，在80~100%額定風量范圍內采用入口導葉調節(jié)。采用聯(lián)合調節(jié)方式后，風機電動機的額定功率為1150kW，而變頻器的容量僅為600kVA，使變頻器容量和造價降低了近一半，大大降低了改進成本。
3 變頻傳動選型中的技術性能評價問題及依據(jù)標準
對變頻傳動系統(tǒng)技術性能一般從以下4個方面進行評價:
(1) 實際節(jié)電效果:實際節(jié)電效果與許多因素有關，例如機組年負荷的變化曲線;原有調節(jié)方式的傳動效率等。除這些客觀因素外，主要視變頻器傳動系統(tǒng)(包括變頻器和電動機)自身的傳動效率,看其變頻器和電動是否都運行在高效區(qū)內。
(2) 變頻器產生的諧波電流對供電系統(tǒng)的影響，評價的標準有IEEE 519-1992和國際GB/T14549-93。具體講，對6-9kV以下供電電網(wǎng)而言，電壓畸變的限制條件為:單個電壓諧波畸變率≤3%，電壓總諧波畸變率THD≤5%。電流畸變的限制條件與供電點上電源短路電流Isc與最大基波負載電流IL之比Isc/IL有關如表3所示。
(3) 變頻器輸出電壓諧波對電機的影響，目前，國內尚無標準可循，可供參照的標準為美國標準NEMA MG1-1993《電動機和發(fā)電機》其中第30節(jié)的有關規(guī)定如下:
a) 變頻器輸出電流總諧波畸變率≤1%額定電流;
b) 對變頻器輸出的du/dt限制條件為:輸出相電壓從10%峰值上升到90%峰值的時間不得小于1μs。對2.3kV傳動系統(tǒng)而言，應為du/dt≤1.50kV/us，對6kV傳動系統(tǒng)而言應為du/dt≤3.92kV/us。
c) 對變頻器輸出的共模電壓的限制條件為:基波相電壓峰值和共模電壓峰值之和不超過2.51倍額定相電壓。對2.3kV傳動系統(tǒng)，約為3.34kV;對6kV傳動系統(tǒng)，約為8.7kV。
4 低壓變頻器用于中功率傳動的可行性
如表2所示，380V低壓變頻器用于400kW以下電機的變頻拖動，660V低壓變頻器用于1000kW以下電機的變頻拖動，從經濟上是合理的。但是在技術性能上是否合理，則需討論。
低壓變頻器一般都采用典型的二電平電路，采用這種拓撲結構的變頻器，對200~1000kW的中功率電機傳動系統(tǒng)而言，顯然不能滿足上述四方面要求中的(2)(3)項要求。為此必須進行如下的改進:
(1) 增設輸入隔離變壓器:采用三卷變壓器，其目的之一是利用2個次級繞組300的相位差，向二組串聯(lián)的二極管整流橋供電，從而形成12脈波整流器。另一個目的是提供足夠的阻抗，與變頻器電纜寄生電容組成LC濾波器，將電網(wǎng)側諧波限制在表3允許范圍內(由于傳動功率≤1000kW，一般Isc/IL> 20，允許的電流總諧波畸變率TDD=8%)。
(2) 改變整流器結構:原為1個6脈波二極管整流橋構成，現(xiàn)改為由二組互差30°相角供電的6脈波整流橋串聯(lián),構成12脈波整流器，使5、7次諧波得到消除，使輸入側電流總諧波畸變率≤8%。
(3) 增設直流母排共模電抗器，常規(guī)逆變器就是一個共模電壓源，由輸入變壓器和輸入側電纜分布電容組成的濾波器，通過吸收逆變器開關器件產生的諧波電流來削弱共模電壓，為增強吸收效果，需加大共?；芈冯娍?即零序電抗)，共模電抗器就是為此而設。共模電抗器為帶鐵芯的三卷電抗器，其中兩卷分別串入正負極電路，第3卷經電阻短路。它有效地將一組電阻和電抗并聯(lián)電路串入共模電壓源，可使電壓的瞬態(tài)擾動和尖峰被抑制在安全范圍內。
(4) 增設輸出端LC濾波器:它由三相濾波電感Lf和三相濾波電容Cf組成，其中三相濾波電容為Y接，中點與機殼(地)相連。增設LC濾波器的目的之一是濾除逆變器PWM調制產生的諧波分量，另一目的是對逆變器產生的共模電壓分量也能起到濾除作用，減小加在電機端子上的共模電壓。
由于輸出濾波器安裝位置上的特點，除一般要求外，還要求它滿足如下2個特殊要求:
a) LfCf串聯(lián)諧振頻率必須遠離逆變器PWM調制電壓中的最低次諧波頻率fh(min)。濾波器串聯(lián)諧振頻率:
圖1 低壓變頻器用于中功率傳動主接線圖
5 2.3KV中壓變頻器用于中功率電機變頻傳動的方案比較
中壓變頻器主電路拓撲結構多種多樣，但目前國內外研制和開發(fā)的產品主要集中在以下2種類型:由低壓IGBT構成的單元串聯(lián)多電平PWM電壓源型變頻器(以下簡稱SDM變頻器和由IGCT構成的中性點箝位三電平電壓源型變頻器(以下簡稱THL變頻器)，見圖2。下面將對在2.3kv電壓等級下，2種變頻器的使用性能進行比較。
(1) 逆變器用功率器件規(guī)格與數(shù)量,SDM變頻器每相采用N個具有獨立直流電源的低壓PWM變頻功率單元串聯(lián)而成。功率單元為三相輸入、單相輸出的交一直一交PWM電壓源型變頻器。作為一般規(guī)律，N個功率單元串聯(lián)疊加，則輸入變壓器次級繞組分成N個不同的相位組，互差180/3N電角度，形成6N脈沖二極管整流器，其網(wǎng)側電流僅含有6NK±1次諧波，串聯(lián)疊加后的輸出相電壓共有2N+1種電平，線電壓則有4N+1種電平。
對于2.3KV SDM變頻器而言，N=2，共有6個功率單元，24個耐壓為1.7kV的1GBT器件。而THL變頻器采用4個二極管整流橋串聯(lián),構成輸入側整流器，分別由輸入變壓器4個次級繞組供電，四繞組之間存在120°的相位差。逆變器采用中點箝位三電平電路。需12個耐壓為3.3kV(或4.5kV)IGCT器件，和6個箝位二極管。顯而易見，THL變頻器使用的功率器件較少，結構簡單、體積、成本和可靠性相對要好一些。
(2) 對電網(wǎng)的諧波污染
2.3kV SDM變頻器輸入側整流器為6N=12脈波，其網(wǎng)側電流含有的諧波次數(shù):
h=6Nk±1=12k±1 (5)
各次諧波的幅值 Ih/Il=ζ/h (6)
式中:h—諧波次數(shù);k—自然數(shù)，k=1，2，……
Ih—諧波電流值;Il—基波電流值;
ζ—由輸入變壓器漏抗決定的系數(shù)。
由式(5)式(6)不難看出，2.3kV SDM變頻器的電流諧波主要集中在11次和13次，通過對輸入變壓器漏抗的優(yōu)化設計，其輸入電流總諧波畸變率只能控制在5.7%。而2.3kV THL變頻器輸入側電流諧波主要集中在23次和25次，通過對輸入變壓器漏抗優(yōu)化設計，輸入電流總諧波畸變率可容易地控制在5%以下。可見，從對電網(wǎng)的諧波污染角度考慮，THL變頻器也占明顯優(yōu)勢。
(3) 輸出電壓波形
2.3kV SDM變頻器輸出相電壓為5電平，線電壓為9電平。為實現(xiàn)多電平PWM輸出，每個功率單元的IGBT開關頻率為600Hz，每相2個功率單元串聯(lián)，輸出相電壓的等效開關頻率為600Hz×2N=2.4kHz。2.3kV THL變頻器輸出相電壓為3電平，線電壓為5電平，受IGCT開關頻率的限制，輸出相電壓的等效開關頻率僅為700Hz以下。顯然電平數(shù)和等效開關頻率的增大,有利于改善輸出電壓波形，降低輸出電壓諧波?？梢?，從改善輸出電壓波形考慮,2.3KV SDM變頻器具有明顯優(yōu)勢。但必須指出，根據(jù)分析[8]，SDM變頻器輸出電壓的總諧波畸變率約為12%左右，輸出諧波的頻率主要集中在1.8~3.0kHz范圍內，對一般異步電機而言，工頻時的阻抗約為16%左右，對于2.4kHz諧波而言，其阻抗約為768%，粗略估計，由此產生的諧波電流(12%)÷(768%)=1.56%，此值已超出MG1-1993規(guī)定的小于1%的要求。說明由此產生的諧波電流,已有可能對電機的發(fā)熱、噪聲和轉矩脈動造成不利影響。
為了降低諧波對電機的不利影響，THL變頻器采取如下兩項措施:a)逆變器采用特定消諧脈寬調制技術(SHE-PWM);b)在變頻器輸出端加裝LC濾波器。采用這兩項措施后，使輸出電壓的總諧波畸變率從原來的12.8%下降到0.82%[9]，輸出諧波的頻率主要集中在300~700Hz，對一般異步電機而言，其平均諧波阻抗約為(16%)*500/50=160%，粗略估計,由此產生的諧波電流(0.82%)÷(160%)=0.5%;此值已能滿足MG1-1993規(guī)定的輸出諧波電流小于1%的要求。所以，采取了消諧措施的THL變頻器在輸出電壓波形方面仍然占有優(yōu)勢，且能滿足MG1-1993標準的高要求。
(4) 輸出電壓的du/dt
二電平和三電平變頻器,由于輸出電壓的躍變臺階分別達到直流母線電壓和1/2直流母線電壓。對2.3kV變頻器而言，其直流母線電壓與輸出電壓之間存在如下關系:
Ud=1.478Ul=3.4kV
式中:Ud—直流母線電壓;Ul—交流輸出電壓。
2.3kV THL高頻器躍變臺階Ur=1/2Ud=1.7kV，IGCT開通時電壓上升時間tr=1μS，則du/dt=Ur/tr=1.7kv/μS。
SDM變頻器最大的相電壓躍變臺階等于1個功率單元的直流母線電壓，對2.3kV SDM而言，Ur=1.478 Ul=1.02kv。IGBT開通時，電壓上升時間tr=0.3μS，則2.3kV SDM的du/dt=Ur/tr=1.02/0.3μS=3.4kv/μS。顯然2.3kV THL變頻器在抑制輸出電壓的du/dt方面具有明顯優(yōu)勢。但兩種變頻器都不能滿足MG1-1993標準du/dt≤1.06kV/μS的要求。然而由于THL變頻器設有輸出LC濾波器，電機端電機得到了平滑，du/dt將大大減小，可以滿足MG1-1993標準的要求。
(5) 輸出共模電壓的影響
各類變頻器由于其功率開關器件動作相位存在差異，其輸出的三相電壓瞬時值,總是不對稱的，必然產生零序電壓(又稱共模電壓)。如果零序電壓為工頻電壓，則由于中性點對地的絕緣，而不形成零序電流。但由逆變器PWN調制產生的零序電壓是與功率器件開關頻率有關的高頻電壓，變頻器的輸入和輸出中性點是通過寄生電容(主要是電纜的寄生電容)接地的，因此能產生高頻零序電流。且回路的零序電壓,按容抗的大小分配在輸入變壓器和電機的阻抗上。一般而言，變壓器繞組的分布電容遠小于電機繞組的對地分布電容，因此，零序電壓主要由變壓器承擔，因此應加強變壓器繞組的對地絕緣。只有一小部分零序電壓加在電機上。由于兩種變頻器都設有加強絕緣的輸入變壓器,且變頻器兩端的聯(lián)接電纜進行優(yōu)化選擇，其零序電壓、電流，對電機的絕緣的影響可以避免。但當輸入側的電纜過長時，由于其寄生電容過大,使產生的充放電電流幅值增大，這一電流可分流經過電機軸承，而對其形成電腐蝕，這是應當盡力避免的。為此，THL變頻器采用的措施是:將輸出LC濾波器和三相電容構成的中性點接地，使聚積在中性點上的電荷通過電容對地放電，從而保護電機少受零序電壓的影響。另外，它還設有一個選件共模電抗器，當輸入側電纜過長時(例如上百米)，可在直流母排回路加裝共模電抗器。據(jù)稱在輸入電纜為300m長時，加裝共模電抗器后，可將零序電流峰值降低到原值的1/5。
綜上所述，不難看出，對2.3kV(甚至3.0kv)這樣的電壓等級的中功率變頻傳動，采用THL變頻器比采用SDM變頻器,無論是經濟上還是技術性能上都具有明顯優(yōu)勢，選用THL變頻器是一種合理的選擇。當然，IGCT變頻器也有明顯的缺點，即它不能像IGBT一樣平滑導通di/dt比較大。因此，為了保護二極管在關斷時免受過大di/dt的影響，必須增設di/dt電抗器。
圖2 2.3kV中壓變頻器用于中功率傳動的主接線之一(中點箱位三電平)
6 結論
(1) 根據(jù)對運行經驗和已有研究成果的分析，著重對變頻器選型問題進行了深入討論，給出了對選型方案的技術、經濟評價方法和依據(jù)標準;據(jù)此，指出目前采用的遷就6kV電動機,配置6kV變頻器的選型方法所帶來的經濟損失和價格勢壘。
