1.前言

　　目前，全世界正在为能源紧缺而困扰，我国的能源形势尤其严峻，随着中国经济的快速发展，能源成为制约经济增长的瓶颈，节能降耗也就成为国家和企业严重关切的问题。在企业电力系统中，电机传动约消耗70%电力，改变电机拖动方式无疑是潜力的节电措施。高压变频调速系统以高可靠性、易操作、高性能为设计目的，通过对拖动风机、水泵、空气压缩机等高压大功率电机变频调速的方式来实现节能，具有效率高、高、调速范围宽、软启动等优点，不仅具有显着的节能效果和调速性能，而且可以改善工厂的工艺和自动化水平，已引起各部门和各企业的高度关注。变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系： n =60 f（1-s）／p，（式中n、f、s、p分别表示转速、输入频率、电机转差率、电机磁极对数）；通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。 随着功率半导体器件的发展，交流电动机的速度控制发生了深刻的变化。以各种功率半导体器件构成的变频器已发展了好几代，并广泛应用于1kV以下低压电动机，而高压变频技术近十年内一直未得到满意的应用。

　　2.高压变频节能原理

　　企业生产过程中，流量（风量）调节一般由风门调节、液力耦合器调节和变频调节三种方式。液力耦合器有5-8%的速度损失，且存在速度控制不稳定、功率因数低、调速差、维护量大、二次成本高等缺陷，而变频调速优势明显。针对风机、泵类等负载，变频调节其流量和功率可用下式表示：

　　Q1和Q2—流量（风量）， p1和p2—所需功率， n1—额定转速，n2—实际转速，E—理论节电量，P—额定转速时电机功率，T—工作时间

　　可见，输出流量Q与转速n成正比，而输出轴功率P与 n3 成正比。当风机风量需要改变时，如调节风门的开度，则会使大量电能白白消耗在阀门及管路系统阻力上，而采用变频调速调节流量，可使轴功率随流量的减少大幅度下降。

　　3.进口高压变频装置的技术特点

　　因3kV、6kV、10kV电压均属中压范围，国际上通称该电压等级的变频器为中压变频器，但在国内该电压等级的电机习惯上称为高压电机，与之相配的变频器也就叫高压变频器。变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。随着现代电力电子技术和微电子技术的迅猛发展，高压大功率变频调速装置不断地成熟起来，原来一直难于解决的高压问题，近年来通过器件串联或单元串联得到了很好的解决。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；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。

　　以ABB公司开发的ACS5000变频器为例，其采用多电平无熔断器电压源型逆变器（VSI-MF）拓扑结构，适用于驱动6.0～6.9KV的电机。一般来说，当今的高压变频器产品基于以下两种基本的逆变器拓扑结构：一种为电压源型逆变器（VSI），其使用直流回路电容器并提供开关电压波形；另一种为电流源型逆变器（CSI），逆变器，必须是一种逆变装置组成的东西才能那么叫，他和变压器有直接区别，也就是说，他可以实现直流输入，然后输出交流，工作原理和开关电源一样，但震荡频率在一定范围内，比如如果这个频率为50HZ，输出则为交流50HZ。逆变器是可以改变其频率的设备。其使用直流回路电抗器并提供开关电流波形。VSI已成为市场上的拓扑结构。其主要优势为：

　　3.1无需外加输入或输出滤波器。滤波器，是一种用来消除干扰杂讯的器件，将输入或输出经过过滤而得到纯净的直流电。对特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除的电路，就是滤波器，其功能就是得到一个特定频率或消除一个特定频率。滤波器是由电感器和电容器构成的网路，可使混合的交直流电流分开。电源整流器中，即借助此网路滤净脉动直流中的涟波，而获得比较纯净的直流输出。基本的滤波器，是由一个电容器和一个电感器构成，称为L型滤波。VSI通过简单的二极管提供了非常可靠、效率很高的整流器拓扑结构，二极管桥具有高功率因数，而CSI拓扑结构使用晶闸管整流器或带有自换流部件的有源整流器单元，晶闸管整流器在电源端的功率因数很差，一般都需求额外的补偿设备。

　　3.2采用IGCT和DTC相结合技术。IGCT导体是一种低损耗的快速功率开关，综合了IGBT/IEGT传统半导体技术优点，与使用IGBT的中压变频器相比，复杂程度降低，元件数量少、变频器更加高效可靠。DTC带来了的转矩与速度控制性能以及的损耗，在中压变频器中首屈一指。IGCT集成门极换流晶闸管（Intergrated Gate Commutated Thyristors）是一种中压变频器开发的用于巨型电力电子成套装置中的新型电力半导体开关器件（集成门极换流晶闸管=门极换流晶闸管+门极单元）。

　　3.3逆变器的采用电子模块（PEBB）。使用单个多功率设备取代复杂的功率电子电路，实现了部件数量降低且紧凑的机械安排。在相同功率等级下，与其它可用的解决方案相比，整个系统的体积减少了50%。PEBB是在IPEM的基础上发展起来的可处理电能集成的器件或模块。PEBB并不是一种特定的半导体器件，它是依照的电路结构和系统结构设计的不同器件和技术的集成。虽然它看起来很像功率半导体模块，但PEBB除了包括功率半导体器件外，还包括门极驱动电路、电平转换、传感器、保护电路、电源和无源器件。 PEBB有能量接口和通讯接口。通过这两种接口，几个PEBB可以组成电力电子系统，这些系统可以像小型的DC-DC转换器一样简单，也可以像大型的分布式电力系统那样复杂。一个系统中PEBB的数量可以从一个到任何多个。多个PEBB模块一起工作可以完成电压转换、能量的储存和转换、阴抗匹配等系统级功能。PEBB重要的特点就是其通用性。

　　4.国产高压变频装置的发展现状和技术特点

　　近年来，国产高压变频器取得了突飞猛进的发展，以利德华福、东方日立、智光电气为代表的企业，生产的高压变频器可靠性高、性能优越、操作简便，受到广大用户的信赖。目前，以矢量控制技术代表高压变频器端技术，大大提高了变频器的控制性能。矢量控制在国外多称为磁场定向控制，其思想是，以电机磁场为坐标轴基准方向，通过坐标变换的方法，实现对电机转矩和磁通的解耦控制。国产高压变频器的电压等级为3KV、6KV和10KV，功率可达7500KW，国外产品也很少有类似大功率的业绩，尤其在2000KW以上国产品牌与跨国公司展开竞争是有优势的。

　　4.1主流高压变频装置的基本原理

　　国产高压变频器采用交-直-交直接高压（高-高）方式，主电路开关元件为IGBT。由于IGBT耐压所限，无法直接逆变输出6kV、10kV，又因开关频率高、均压难度大等技术难题无法完成直接串联。因此，国产高压变频器采用功率单元串联叠波技术、空间矢量控制的正弦波PWM调制方法。如图1所示。

　　图1 高压变频器6KV系列主电路图

　　隔离变压器（主变压器）采用干式结构，强迫风冷。隔离变压器属于安全电源，一般用来机器维修保养用起保护、防雷、滤波作用。 隔离变压器是一种1/1的变压器。初级单相220V，次级也是单相220V。或初级三相380V，次级也是三相380V。首先通常我们用的交流电源电压一根线和大地相连，另一根线与大地之间有220V的电位差。人接触会产生触电。而隔离变压器的次级不与大地相连，它的任意两线与大地之间没有电位差。人接触任意一条线都不会发生触电，这样就比较安全。其次还有隔离变压器的输出端跟输入端是完全“断路”隔离的，这样就有效的对变压器的输入端（电网供给的电源电压）起到了一个良好的过滤的作用。从而给用电设备提供了纯净的电源电压。

　　由于为功率单元提供电源的变压器副边绕组间有一定的相位差，从而消除了大部分由单个功率单元所引起的谐波电流，所以变频器输入电流的总谐波含量（THD）远小于国家标准5%的要求，并且能保持接近1的输入功率因数。

　　变频器输出是将多个三相输入、单相输出的低压功率单元的输出串联叠波得到。如额定输出690VAC功率单元五个串联时产生3450V相电压，三相输出Y接，中性点悬浮，得到驱动电机所需的可变频三相高压电源。如图2所示。

　　图2 6kV电压叠加图

　　国产变频装置一般由旁路柜、变频器由变压器柜、功率逆变及控制柜组成，旁路柜实现变频检修时电机直接投切至工频电网，有自动旁路和手动旁路两种模式。功率单元主要由三相桥式整流桥、滤波电容器、IGBT逆变桥构成，同时还包括由功率器件驱动、保护、信号采集、光纤通讯等功能组成的控制电路。通过控制IGBT的工作状态，输出PWM电压波形。脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。 PWM控制技术以其控制简单，灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。

　　4.2国产高压变频器采用的技术和特点：

　　 主回路一般采用SCP技术，实现抗输出短路；

　　 采用STT技术，STT，就是一套控制发动机启动和停止的节油系统的技术，对雷电干扰造成装置保护停机后，干扰消失装置能够自动重启；高压掉电，故障恢复后能够自动重启；

　　 采用智能化控制，专用双DSP控制技术，摒弃工控机系统数字信号处理（Digital Signal Processing，简称DSP）是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。20世纪60年代以来，随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展。数字信号处理是一种通过使用数学技巧执行转换或提取信息，来处理现实信号的方法，这些信号由数字序列表示。在过去的二十多年时间里，数字信号处理已经在通信等领域得到极为广泛的应用。

　　 安装灵活，形式多样，可户外和户内安装。

　　5.高压变频装置运行不可靠性来源分析

　　5.1内部因素：

　　l 高压输入、输出回路可能发生的故障，如绝缘距离问题，刀闸接触电阻等；

　　l 变压器本体过热以及各种原因导致的损坏；

　　l 功率单元箱内功率元器件失效、单元过热；

　　l 功率单元箱内布线、连接、控制板出现故障；

　　l 装置内二次配线、元器件的可靠性，如电压/电流传感器，电源保险、继电器回路、二次控制回路可靠等；

　　l 装置对偶发性故障（非破坏性故障）的容错能力；

　　l 控制软件的设计水平。

　　5.2外部因素：

　　l 雷电过电压、操作过电压对变压器绕组、功率半导体器件（电压敏感性元件）造成破坏性故障或停机；

　　l 雷电干扰导致装置正常运行过程中跳机；

　　l 电网电压波动、闪变导致装置功率单元直流母线过压或欠压，装置告警或保护停机；

　　l 变频输出高压连接电缆本体、附件、电机定子出现故障导致装置保护停机；

　　l 运行与维护不及时导致的温升过高问题，告警或保护停机；

　　l 接地电阻过大或接地不良，导致干扰停机；

　　为解决上述问题，对变频器生产厂家提出了更高的要求，必须按标准设计，不断提升制造水平，加强产品的出厂试验和现场调试保证工作，同时提升产品的软件设计水平，充分考虑各种可能工况设计应对措施。

　　6、选择高压变频装置时应注意的问题

　　6.1选择高压变频装置时，充分考虑变频装置的散热，同时要求低温时也能正常启动，一般运行环境温度为-15°C～45°C，湿度不超过95%。

　　6.2为保证变频器具有良好的运行环境，需专门为高压变频器配套冷却系统。综合冷却系统的投资和运营成本、设备维护量、无故障运行时间，空-水冷却系统是一种利用高效、环保、节能的冷却系统。

　　6.3选择高压变频装置时要明确负载特性：明确负载属于单象线还是四象线运行；明确电机升降速时间、转矩，确定变频器容量；明确电机、电网电压等级和波动范围，确定变频器进出线电压等级，变频器隔离变压器分接头电压参数等。

　　6.4变频装置具备Modbus、TCP/IP、PROFIBUS、DeviceNet等总线通讯接口，可进行远程监视、控制。

　　6.5在20-100%的带载调速范围内，变频系统的不加任何功率因数补偿的情况下输入端功率因数能达到0.95以上。

　　6.6变频装置输出波形不会引起电机的谐振，转矩脉动小于0.1%，变频器可设置多个共振频率段并自动跳过共振点。

　　6.7能适应频繁升降速调速要求，可以针对现场工艺要求实现分段调节（PID调节+前馈调节），实现分段平滑调速。

　　6.8对通讯抗干扰提出特殊要求，在设计电路时严格实行强弱电不共地原则。变频器柜内强电信号和弱电信号分开布置，以避免干扰。

　　6.9变频装置对电网电压的波动有较强的适应能力，在-35%～+15%电网电压波动时能满载输出。

　　6.10选择高压变频装置时，变压器、风机、IGBT等关键元器件一定要品牌，以保证设备的性能稳定。

　　6.11选择室外型高压变频器时防护等级为IP54以上。

　　6.12综合考虑产品价格、备件供应、售后服务。

　　7.高压变频装置的推广应用

　　高压变频装置能否稳定可靠地运行，攸关用户的节能效果和各种生产过程能否正常高效地运行。通过对高压变频用户的综合考察，近年来国产高压变频的业绩不凡，由于其产品的性价比高、良好的售后服务和灵活的付款方式，受到用户的一致好评。针对工况变化频繁，流量和压力需经常变化的工艺，以及其他需要调速的工况进行技术改造，是相当必要的，克服大马拉小车（阀门开度较小的工况）现象，会起到明显的节电效果。

　　高压变频装置的适用范围非常广泛，在冶金、发电、石化、水泥、造纸、制药、市政供水、污水处理等行业，各种引风机、送风机、吸尘风机、凝结泵、排污泵、锅炉给水泵、循环水泵等需调速大功率的电机，根据工艺要求均可实现高压变频调节。

　　某钢厂转炉除尘风机1600KW/10KV采用高压变频器，由于转炉周期性间断吹氧，为满足节能和环保要求，风机在整个炼钢工作周期内采用高压变频器进行调速变速运行，吹氧时高速运行，不吹氧时低速运行，节能35%以上，大大的降低了吨钢电耗。电机实行了真正的软启动、软停运，变频器提供给电机的无谐波干扰的正弦波电流，降低了电机的故障次数。变频器自身保护功能完善，大大加强了对电机的保护。

　　某水泥厂高温风机2500KW/6KV原采用液力耦合器调速，改造为高压变频调速，改造后电机功率由2221 KW降为1777 KW，基本上一年可收回投资。

　　8.高压变频装置的应用效益

　　由于能源紧张及生产工艺等各方面的要求，高压变频已成为大型生产企业节能工作的必由之路。国产高压变频器由于更适合中国市场及用户特点，已被越来越多的人所认识、所接受、所欢迎。高压变频装置的应用，不仅节能，而且可提高风机、水泵的运行效率、减少挡板、阀门的维护量、减少无功，可实现电机的软启动。

　　据统计，占工业用电70%的各种风机、泵类负载，全国约4700万台，总功率约1.3亿千瓦，此类负载工况变化较大，如采用变频技术实现变速运行节能效果明显。以平均节电20%计算，对全国来说，年节电500亿度，同时，可相应减少2000万吨发电用煤、50万吨SO2 和1200万吨CO2 的排放。

　　9.结束语

　　我国能源剩余开采量不及世界平均水平的1/10,而且能源需求急剧增长，我国单位产值能耗是日本的11.5 倍，是法国和德国的7.7倍，是美国的4倍，可见我国生产效率非常低，环境保护形势严峻。变频调速节能技术被列入国家《十一五十大重点节能工程实施方案》。

　　通过对风机、水泵、压缩机等通用机械系统节能改造，推广应用变频调速节能技术，提高运行效率，是电机系统节能工程的重要工作。