隨著(zhù)電力、電子技術(shù)、計算機技術(shù)的不斷發(fā)展,交流電機變頻技術(shù)得到了日益完善并迅猛的發(fā)展,中小容量的低壓變頻(690V以下)已被廣泛的應用。除節能降耗外,在機械、造紙、冶金、石化、礦山、建材、電力等領(lǐng)域其已成為必不可少的關(guān)鍵設備。然而,對于中大容量、高壓交流電機的變頻調速,除了價(jià)格因素之外,合理的改造方案或者設計方案,以及綜合投資和性?xún)r(jià)比,也成為了制約其被廣泛推廣應用的因素。
1、高壓電機變頻調速方案現狀
高壓大容量的變頻調速器是一種難度大、技術(shù)含量高的高新技術(shù),其開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)的難度有:因為高壓變頻器的供電電壓高,但是世界上電力電子元器件的耐壓水平較低;高壓大功率變頻器的技術(shù)難度大,制造技術(shù)也要求高。然而它主要被應用于風(fēng)機、水泵等的節能運行,需要低投入,由節電費用來(lái)償還投資。
2、高壓變頻方案的分類(lèi)及特點(diǎn)
2.1 高―低―高方案
此方案以通用的低壓變頻器為核心,即:在低壓變頻器的輸入側加入一臺降壓變頻器,把6KV/3KV降至低壓變頻器適配的輸入電壓;在變頻器的輸入側加入一臺升壓變壓器,從而使得輸出電壓和電動(dòng)機的額定電壓相匹配。高―低―高的變頻調速方案,在國內市場(chǎng)較為普遍,也是目前應用最多的一種,在市場(chǎng)上主要是以西門(mén)子產(chǎn)品為主。在此方案中,按照直流供電整流單元的形式可分為6脈動(dòng)整流單元與12脈動(dòng)整流單元。6脈動(dòng)整流單元的系統結構簡(jiǎn)單,硬件構成的用費較低;12脈動(dòng)整流單元卻是由一臺次邊相差30度的三繞組變壓器與兩臺完全相同的整流單元所構成的,且在變壓器的二次側必須接入進(jìn)線(xiàn)電抗器,因此其相對成本較高,但是,從諧波分量上看,12脈動(dòng)整流的效果要比6脈動(dòng)好,6脈動(dòng)的諧波分量為5、7、11、13、17、19、23、25次,12脈動(dòng)的諧波分量為11、13、23、25次。
此方案最適宜用于改造項目,優(yōu)點(diǎn):(1)方案成熟。僅以西門(mén)子的產(chǎn)品為例,目前已在國內應用的套數已出具規模。(2)原有的電機電纜無(wú)須進(jìn)行改動(dòng)。(3)便于實(shí)現切換的功能。(4)相比于高―高方案的投資較低。其缺點(diǎn):系統構成環(huán)節相對高―低或者高―高方案較多,因為濾波器以及升壓、降壓變壓器的損耗,長(cháng)期的運行費用也就相對較高。
2.2 高―低―低方案
高―低―低方案的核心仍然是以低壓變頻器為主,在變頻器的輸入側加裝一臺雙繞組的降壓變壓器,把高壓電機變成可用的低壓變頻驅動(dòng)的電壓等級。此方案目前在國內的用戶(hù)較多。西門(mén)子產(chǎn)品的應用較多,系統主要由雙繞組降壓變頻器、變壓器組成,此系統方案構成較簡(jiǎn)單,特別適用于新建項目,對于改造的項目,更換電機就會(huì )增加項目的開(kāi)支。其諧波分量主要為5、7、11、13、17、19、19、23、25次。
此方案的優(yōu)點(diǎn)在于:(1)方案成熟。低壓IGBT或者IGCT功率器件已經(jīng)很成熟,應用范圍也很廣。(2)構成簡(jiǎn)單,維護的環(huán)節少。(3)投資少,見(jiàn)效快。低壓變頻器的價(jià)格低廉,市場(chǎng)價(jià)格相當透明。(4)升壓變壓器的損耗、長(cháng)期運行的費用低。此方案的缺點(diǎn):當用于改造項目時(shí),需要更換電機,增加改造的工作量,從而也使得項目投資增加,延長(cháng)施工周期。
2.3 高―高方案
高―高變頻器是高壓電源經(jīng)過(guò)高壓開(kāi)關(guān)柜后,直接送至高壓變頻器,經(jīng)高壓變頻后,直接將電壓供給給高壓電動(dòng)機的定子。
此中高壓變頻調速系統主要有4種形式:(1)功率元件(GTO、SCR、SGCT)串聯(lián)式;(2)中點(diǎn)箝為位式,也就是三點(diǎn)平式(GTO、IGBT);(3)多電平式,其中常用的有四電平、五電平等(IGBT);(4)單相逆變器串聯(lián)式。這些高壓變頻器都是近年推出的,并且技術(shù)先進(jìn),效率高,占地面積也小,為高壓變頻器的主要發(fā)展方向。
高―高方案采用單元串聯(lián)的方式(IGBT),利用移相疊加的原理（移相變壓器）,有效的抑制諧波干擾,使得輸出的波形近乎成正弦波形。其具備以下優(yōu)點(diǎn):無(wú)需增加任何的輸出濾波或者功率補償裝置;使用效率可高達97％,功率因數較高,在無(wú)需任何補償裝置的情況下,當負載>20％時(shí),功率因數大于95％負載>20％;無(wú)諧波所引起的脈動(dòng)轉矩產(chǎn)生,可以避免負載共振,延長(cháng)電機與機械設備的使用壽命;可以使主電機、電纜絕緣避免受到dv/dt應力的損傷;電機不受共模電壓的影響;在壓降允許范圍內電機電纜無(wú)任何長(cháng)度的限制;對電網(wǎng)不產(chǎn)生污染;主器件由于采用冗余設計可靠性高,可適應極端的工況;功率單元具有自動(dòng)旁路功能,能夠提升供電的可靠性;具有瞬時(shí)停電不停機的功能,當電源電壓發(fā)生瞬時(shí)降壓或者停電(5s以?xún)?,變頻器不會(huì )停機。在電源電壓恢復后,就會(huì )立即重新加速,并恢復到原狀。當電源瞬停時(shí),在300ms以?xún)?變頻器不會(huì )停止運轉。
3、高壓變頻器的選擇原則
在選擇高壓變頻器時(shí),應將各廠(chǎng)家的高壓變頻器進(jìn)行綜合的比較,不要被某些宣傳廣告與不實(shí)事求是的文章所誤導,更不能夠受習慣因素的影響。在選擇高壓大容量變頻器時(shí),應當注意一下原則:首先,可靠性及售后服務(wù);其次,價(jià)格;再次,主要的技術(shù)指標;最后,供貨期及廠(chǎng)家的信譽(yù)。
4、結語(yǔ)
變頻調速裝置是機電一體化的高技術(shù)產(chǎn)品,從變頻器裝置的發(fā)展過(guò)程與發(fā)展趨勢來(lái)看,仍是以功率器件為主要代表。變頻調速具有較高的效率、較寬范圍與較高的精度,且規格齊全,能滿(mǎn)足各種不同的需求,適用范圍較廣,是最具發(fā)展前途的理想的調速方法。
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