高压变频器原理及应用

高压变频器原理及应用

摘 要 本文主要介绍高压变频器的原理和应用特点，介绍了其在应用中存在的一些问题以及解决的方法。并介绍了其在电厂和煤矿中的应用。

关键词 变频器，谐波干扰，变频调速

一、概述

在能源日益紧张的今天，交流调速技术作为节约能源的一种重要手段，受到世界各国的重视。变压变频控制可以平滑变速，调速范围广，效率高，功率因数高，还能降低启动冲击电流，获得较高的起动转矩，负载减速时可实现能量回馈的再生制动，使电动机快速逆转，并具有软启动、软停止，简单可编程，易构成自控系统。交流变频调速技术是集电力电子、自动控制、微电子、电机学等技术之大成的一项高技术。它以其优异的调速性能、显著的节电效果和在国民经济各领域的广泛的适用性而被国内外公认为是世界上应用最广、效率最高、最理想的电气传动方案，是电气传动的发展方向。它为提高产品质量和产量，节约能源、降低消耗，提高企业经济效益提供了重要的新手段。变频器是将通用电源转换成电压可变，频率可变的适合交流异步电机调速需求的变换装置。变频器是变频调速系统最为重要的设备。

对变频原理进行分析，异步电动机旋转磁场的转速为：n．=60fi/p，式中n1为同步转速r/min，fi为电源频率Hz，p为磁极对。异步电动机输出轴的转速为：

n=n1(l-s)=60f1(l-s )/p，式中s为异步电动机的转差率，s=（n1-2）/n1。由此公式可看出：在保证转差率s和磁极对数p不变时，转速n与电源频率成正比，通过改变异步电动机的供电频率，就能改变电机的转速，从而实现调速。

二、分类

对于3KV、6KV、10KV电压等级的电机称为高压电机，用于这类电机调速的变频器称为高压变频器。国外对此电压等级的变频器称为中压变频器。

在高压变频器推出前，大功率高压交流异步电动机如需采用变频调速传动，有两种方法，一是靠低压器件功率单元串联组成高压，如罗宾康公司的高压变频器，由于控制复杂，功率

器件太多而使得其可靠性下降，同时每个功率单元均为双电平结构，必须至少采用多重化技术才能满足谐波标准要求。另一种就是“高一低一高”变频器，通过变压器将高压变低压（一般为690V），在低压侧变压变频，再由升压变压器升至和高压电动机相匹配的电压，组成高压交流调速传动装置。随着耐高压大功率晶体管( HV-IGBT，IGCT)的推出，近年来很多公司纷纷推出了高压变频器，其特点足变频器输出可直接接入高压电动机，无需专用变频电动机，也称高一高变频器，现最大可用于7500kW异步电动机的速度和转矩控制。

高压变频器的种类繁多，其分类方法也多种多样。按着中间环节有无直流部分，可分为交交变频器和交直交变频器，变频器常用的为交一直一交变频器。交一直一交变频器是把电源电压经过两次变换：先将电源的交流经过整流器变为直流，然后把直流经过逆变器成交流电压（或电流）；按着直流部分的性质，可分为电流型和电压型变频器；按着有无中间低压回路，可分为高高变频器和高低高变频器；按着输出电平数，可分为两电平、三电平、五电平及多电平变频器；按变频电源的性质，可分为电压源型变频器和电流源型变频器，主要区别在于中间直流环节采用哪种滤波器，电压源型变频器采用大容量电容滤波，直流电压波形比较平直，电流源型变频器采用大电感滤波，直流电流波形比较平直；按着电压等级和用途，可分为通用变频器和高压变频器；按着嵌位方式，可分为二极管嵌位型和电容嵌位型变频器等等。

三、应用

交流变频传动装置现已在我国各行业得到广泛应用，特别在石化、冶金、汽车、造纸、热电、食品、纺织、包装等领域。它主要应用是节能调速和特大容量和极高转速的交流调速。节能调速目前普遍使用在控制精确度不高、动态性能要求低的平方率负载上，如风机和水泵。目前城市供水、供热系统的离心泵、循环泵、风机已普遍使用变频器调速，在煤矿、化工、食品、冶金、有色、建材行业中的泵类和风机也开始大量使用变频器，并取得了较好的节能效果。由于控制要求不高，只要选型正确，各类变频器都可用于泵类和风机中。特大容量的传动如钢板轧机、矿井主皮带机、卷扬机，以采用交流变频调速为宜。采用变频方法调速时，可以提高低速时的效率和功率因数，达到节能目的。

1．在电厂中的应用。采用高压变频器对电厂高能耗用电设备如送风机、引风机、给水泵、循环水泵等进行技术改造，不仅能收到直接的降低厂用电、降低供电煤耗、增大上网电量带来的直接经济效益，而且设备至机组的安全可靠性也有了提高，高压变频器技术在发电厂有值得推广应用的广阔空间。在发电厂中，风机和水泵是主要的耗能设备，通常情况下其输入能量的15%—20%被电机和风机或水泵本身所消耗，约35%—50%的输入能量被档板或阀门节流所消耗，因此对发电厂的风机和水泵进行节能改造具有很大的潜力，采用变频调速是最好的选择。

变频系统首先将电网中的交流电整流成直流电，再通过逆变器逆变为频率可调的交流电，供给交流电动机，从而改变电机的转速。这种方法具有高效率、宽范围和高精度的调速性能规格系列齐全可以满足各种不同需求，因而被广泛采用，是最具发展前途的理想调速方法。特别是电流源型高压变频器在动态精度要求高的地方具有明优势。

电力的生产对于高压变频系统有很多要求。主要包含以下方面：

首先，对电网电压波动的适应能力，即能够在较大的电网电压波动范围内正常工作。这个范围一般是-20%—10%；电网重合闸后继续运行的能力，即在电网瞬时失电，恢复供电后变频器不能停止运行，要能够记忆并快速恢复至失电前的运行状态；具备冗余设计，即允许变频装置局部故障，不影响其他部分的运行，能够在局部故障的状态下继续运行；能够在线维护，即在变频装置连续运行的情况下排除局部故障；谐波小，这包括变频器对电网的影响即输入电流谐波和变频器对电动机的影响即输出的电压、电流谐波；要有合适的共模电压和dv/dt，变频器的共模电压和dv/dt会使电机的绝缘受到“疲劳”损害，影响到使用寿命，如处理不好，还会损坏变频器本身。另外，高压变频器选用的功率元器件都是半导体器件，使用时的温度限制很严格，过温的情况下很容易损坏元器件，因此使用环境要求充分考虑通风和降温措施。

2在煤矿中的应用。本文主要介绍变频器在矿井提升机和风机中的应用。

交流调速系统转子串电阻凋速方式是以前较多采用的方式，由于此种方式存在很多问题，现已逐渐被变压变频调速方案淘汰。

高压变频调速在矿井提升机中以期达到的目标有：提高主井提升机的效率，实现节电的目的；提高系统的运用可靠性、安全性；提升系统改造后单次提升循环时间小于现有单次提升循环时间。

变频调速提升系统的优点：(1)提升机系统安全得以提高，操纵更加容易。系统能自动高精度地按设计的提升速度图控制提升速度，极大地降低了提升机的操纵难度；减速时电力制动自动减速，提升机司机无需再用施闸手段控制提升机减速，避免了超速、过卷的发生，杜绝了人工操作失误。(2)提升系统电能消耗明显下降。每年可节约电能消耗约20%—50%。变频调速时转子电阻被短接，加、减速阶段消耗在电阻上的大量电能被节约。(3)功率因数显著增加。功率因数将从转子串电阻调速的018左右提高到0195以上，大大提高了设备对电网容量资源的利用率，减少了因无功电流引起的线路损耗。(4)生产效率进一步提高。能可靠的按系统设计的最短时间加、减速，显著缩短了一次提升时间，提高了生产效率。彻底解决了传统系统中用制动闸施闸或电机断电自然减速来操控低速运行时速度波动大、难于控制又不安全的难题。(5)电机发热大幅减轻。与转子串电阻调速相比电机定子温度平均下降了lOoC左右，转子温度平均下降了20℃左右，使电机运行的故障率大幅度减少。(6)系统维修量大幅度减少。由于实现了提升全过程的电力牵引与电力制动，机械闸只有在停车和安全回路保护动作时才起作用，因此闸瓦的磨耗大幅度减少，可减少设备的维修量和维修费用。

变频器在风机的应用中的优点：(1)变频器对电网的冲击达到了国家有关标准的规定。由于采用变频器后启动风机时可以实现变频软启动，避免了启动电流对电网及控制设备的冲击，可以有效地延长电气设备的使用周期。(2)按需调节风量，避免浪费。进行变频改造后，风机的风量不再需要通过改变叶片角度来调节，而是由变频器通过变频调节电机的转速来实现，因而可以根据生产需要随意调节风量，减少了浪费。(3)变频器实现了节能运行，节约了大量能源。经过测算节能率高达36%以上。(4)降低了风机的工作强度，延长了使用寿命。进行变频改造后，风机的大部分时间工作在低速状态下，因而大大降低了风机的机械强度和电气冲击，大大延长了风机寿命。(5)传动效率高，采用30脉冲整流方式可以大大改善网侧

的电流波形，使其负载下的网侧功率因数接近1。(6)减少了工作人员，杜绝了工作人员的误操作现象，提高了风机的安全运行系数和运行周期。

四、谐波分析

评价高压变频调速技术的指标主要有：成本、可靠性、对电网的谐波污染、输入功率因数、输出谐波、dv/dt、共模电压、系统效率、能否四象限运行等。

随着电力电子装置的投入，谐波的问题越来越引起人们的关注，高压变频器的容量一般较大，占整个电网的比重较为显著，所以高压变频器对电网污染的谐波问题已不容忽视，变频器对电网的影响主要取决于整流电路的结构和特性。

对于变频器输出端频率很高而幅值却比较小的高次谐波，其在电缆传输中幅值将会大大地提高，且谐波次数越高，谐波电压、电流放大倍数越大。电缆的传输线越长，谐波分量也越大，且谐波分量随电缆长度增量呈指数增大。

抑制谐波干扰的方法也有多种，其中讨论最多的是要选择合适的拓扑结构，如二极管钳位式、飞跨电容式等。变流回路的多重化，可减小低次谐波电流，起到很好的谐波抑制作用。多重化结构作为变频器整流侧普遍采用的拓扑结构，能够满足不同场合、不同电压等级的需要。但当重数增加时，装置的结构会变复杂，变压器损耗也会增加。

除此之外，安装合适的电抗器、采用无源功率滤波器或有源功率滤波器、增加变频器供电电源内阻抗、调节输出电压调制比，载波频率和逆变电路开关滞时等参数都可以在一定程度上抑制谐波干扰。

五、结束语

高压变频器正向着高可靠、低成本、高输入功率因数、高效率、低输入输出谐波、低共模电压、低dv/dt等方向发展。但由于器件的均压问题，输入谐波对电网的影响和输出谐波对电机的影响问题，使其应用受到极大的限制。总体来说，高压变频技术以其良好的特性正被广泛地应用。变频调节技术是比较先进、理想的调节技术，虽然初期投资较大，但由于其节电效果明显，投资回收周期较短，因而其综合经济效益还是较高的。

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