高可靠性的MAXF系列高压变频调速装置及其应用

1 引言 
     我国的各类电动机的装机容量在4亿KW以上，而高压电动机的总装机容量在1.5亿KW以上，其中一半以上是拖动风机、泵类负载的电动机，装机容量在0.8亿KW左右。这些电动机大都为6KV或10KV电压等级，它们的用电量约占全国用电量的30%，而这类电动机往往能耗大、效率低，多数运行在电低负荷区，加上部分风机、泵需要调节流量，如采用通常的风门、挡板、阀门调节，将使效率将得更低，造成大量的能源浪费。
    低压变频器通过多年的发展，技术成熟，可靠性高，得到了广大用户的普遍认可，因此在低压电动机的驱动方面得到了广泛应用，也取得了很好的调节与节能效果。随着电力电子技术和微处理器技术的发展，到上世纪90年代，6KV、10KV等级的高压变频调速装置的研制生产成为可能，经过近10年的发展，高压变频技术进展非常快，产品稳定性和可靠性达到使用程度，市场趋于成熟。尤其是单元串联多电平方式的高压变频调速装置，因其采用低压变频成熟技术，单元串联易于实现冗余，输出波形，适用普通电动机、性价比高等特点而得到用户的认可。
    目前，电气传动技术正面临着一场历史性的革命，即交流调速取代其它调速及计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。电机交流调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的调速、起动和制动性能、率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外*为是zui有发展前途的调速方式。
    2 变频调速节能原理
    电动机的变频调速运行除了能够满足生产工艺要求进行调速之外，还有很好的节能效果。这部分节能并不是因为电动机在调速运行时能够有节能效果，主要是因为电动机拖动的负载在调速运行时所需的功率根据运行的转速有大的变化，变频调速因其在大部分调速范围内效率都很高所以节能效果明显。
    例如对于风机负载，为了满足风量的要求，采用节流调节时，风机不能在率点运行，自身消耗功率增加，同时节流装置损失了一部分风机输出的功率，所以虽然风机输出的实用功率有所降低，甚至是大幅度降低，但是风机的输入功率变化不大，导致整个系统的效率因此大幅度降低；采用变频调节后，不存在节流装置的功率损失，可以使风机能始终运行在率点附近，同时变频调节自身效率比较高，所以能使整个系统的效率维持在较高的水平，电动机消耗的功率基本上只随着输出实用功率的变化而线形变化。
    对于风机和泵类负载，由流体力学知识可知，其输出的功率与其转速的三次方成正比，所以当其转速减小时，其能耗也随着转速以三次方的速率下降，因此节能效果非常明显。
    3 高、低压变频器的可靠性比较
    人们的传统概念中，总是认为低压变频器无论是在功率器件还是在控制方面技术成熟，安全可靠；高压变频器是个新事物，高压功率器件耐压不够，串并联技术不成熟，控制电路复杂，没有经过市场的应用检验，可靠性不高，有时为了实现调节目的，宁愿通过降压变压器降压并采用低压电动机驱动，增加了费用，降低了效率。这是人们的误解，以下就几个方面做一下低压变频器和单元串联多电平方式的高压变频器的可靠性比较。
    1.功率元器件
    单元串联多电平方式的高压变频器采用的功率元器件一般是1700V等级的IGBT，这个耐压等级的IGBT是低压变频器中常用且被证明是成熟可靠的元器件。
    2.控制技术
    单元串联多电平方式的高压变频器中的每个功率单元都是一个三相输入、单相输出的低压变频器，驱动和控制技术同样成熟可靠。
    3.元器件数量
    从理论上讲，原器件数量越多，可靠性越低。在这个意义上讲，单元串联多电平方式的高压变频器元器件数量大大高于低压变频器。
    4.电路冗余
    有冗余设计的系统可靠性大大高于无冗余设计的系统；低压变频器一般只有一个逆变桥，很难实现冗余设计，单元串联多电平方式的高压变频器的每一相均有多个单元的输出串联构成，每个单元均可自身旁路，因此相互之间可以实现冗余设计，可靠性大为提高。在这个意义上讲，单元串联多电平方式的高压变频器的可靠性远远高于低压变频器，尤其是实现了单元在线可更换功能的MAXF系列高压变频器可靠性更加突出。
    5.对电源波动的适应性
    低压变频器的控制电源一般取自功率电源，对电网电压的适应性差，因电网电压短时过低或电网出现闪变而引起变频器跳机的事件时有发生。单元串联多电平方式的高压变频器的功率电源和控制电源是各自独立的，一般控制电源为交直流输入，同时还有UPS或蓄电池备用输入，可靠性*，控制部分不会停止工作，当功率电源电压短时过低或电网出现闪变时，高压变频器停止输出，在功率电源恢复至正常范围内后，高压变频器可以迅速将电机转速恢复至原有水平，避免跳机事件的发生。
    综上所述可以看出，如果说单元串联多电平方式的高压变频器的可靠性没有低压变频器高的话，至少不必低压变频器可靠性低。
    4 MAXF系列高压变频调速装置简介
    上海科达机电控制有限公司研制生产的MAXF系列高压变频调速装置为6KV、10KV等级的电压源型高压变频器，调频范围5-60Hz，采用功率单元串联实现多电平输出（无谐波），每个功率单元都是由IGBT构成的三相输入、单相输出的脉宽调制型变频器，多个功率单元的单相输出移相叠加形成近似正弦的输出电压波形，容量范围从200KVA至9600KVA，无输出变压器，不需要滤波装置，对电机无特殊要求；具有运行稳定、调速范围宽、输出波形好、输入电流谐波含量低及效率高等特点。
    MAXF系列高压变频调速装置主要由移相整流变压器、逆变功率单元和主控制器三部分组成。功率单元的个数根据不同的电压等级有所不同，6KV系统每相为5个单元串联，10KV系统每相为8个单元串联。    
    5 MAXF高压变频调速装置的性能特点
    MAXF高压变频调速装置具有如下性能特点：
    1.单元可在线更换，MAXF系列高压变频调速装置采用了单元插拔结构，允许在装置运行过程中在线更换故障单元（*），大大提高了装置的可靠性和连续运行能力。
    2.采用无极性电力电容，MAXF系列高压变频调速装置采用了无极性电力电容代替传统的电解电容。
    无极性电力电容与电解电容相比具有不需串联、电压过载能力强、发热低、使用寿命长（无极性电容典型寿命超过20年，电解电容典型寿命5年）、不需要均压措施等显著优点。此外，更换电容的成本和工程费用也较高，采用无极性电力电容降低了装置的运行维护费用。
    3.变频装置的自动重合闸功能，MAXF系列高压变频调速装置能在电网切换或自动重合闸后，自动快速回到切换或重合闸之前的运行状态，保持不间断运行。装置具有旋转投入能力，在高压消失期间，连续检测电动机的转速、残压大小及残压相位，高压恢复后，装置能在电动机任何转速下自动将变频装置投入继续运行。
    4.单元快速电子旁路功能，MAXF系列高压变频调速装置的功率单元采用快速电子旁路线路，而不是机械式的接触器线路，这使得单元旁路的动作完成时间小于20uS，消除了因为单元旁路造成的电压波动，保证可靠旁路。
    5.dv/dt抑制线路，MAXF系列高压变频调速装置的每个功率单元都配置了dv/dt抑制线路以降低输出dv/dt，有效保护电动机绝缘，降低对电网和其它设备的干扰，同时也是抑制高次谐波的措施，减小电动机损耗。
    6.户外循环通风，MAXF系列高压变频调速装置采用户外循环通风，装置安装室内不需加装空调设备，装置采用离心式风机，风机系统1：1备用并能够自动切换，安全可靠。
    7.单元升降机构，每套变频装置均配备一套安装在装置柜体上的单元电动升降机构，以方便单元的维护和更换。
    8.输出电缆长度不受限制，高压变频调速装置与电动机之间的连接电缆长度没有限制。
    6MAXF系列高压变频调速装置和国内外同类产品的性能比较
    MAXF系列高压变频调速装置同国内外同类产品的性能比较见下表：
    项目MAXF系列高压变频调速装置国外同类产品国内同类产品
    变频器效率>98.5%>98.5%>98.5%
    装置效率（包括变压器）>96%>96%>96%
    功率因数>0.95>0.95>0.95
    谐波含量<5%<5%<5%
    输入电压范围+15%/-30%+15%/-15%+15%/-30%
    输出dv/dt<600V/uS1200～1800V/uS—
    过载能力1.20倍1.10倍1.20倍
    稳频精度0.1%0.2%—
    环境温度要求-5～45℃0～40℃0～40℃
    单元自动旁路有有有
    单元在线更换有无无
    电力电容无极性电力电容电解电容电解电容
    电容寿命>20年5年5年
    占地面积小较小较大
    由以上比较可以看出，单元的在线可更换与无极性电力电容的应用是MAXF系列高压变频调速装置有别于国内外同类产品的主要特征，这些特征大大提高了产品的可靠性，减少了产品的后期使用维护费用。
    7 MAXF系列高压变频调速装置的应用实例
    1.MAXF高压变频调速装置在十里泉电厂补水泵上的应用
    十里泉发电厂目前由三十公里外的水源地供水，水源地共装有五台水泵，均由560KW/6KV的高压电动机拖动，多数情况下开1-2台泵运行就可以满足发电要求，采用手动节流调节方法控制水量。如果节流阀开度不大、并且水量足够，则停一台水泵；如果节流阀全开仍不能满足水流量要求，则再开启一台水泵。由于管道长达三十公里、且节流阀始终处于调节状态，如选择一台水泵进行变频调速改造，节流阀全开，实现恒水压控制，则不但具有良好的节能效果，泵站的控制特性也大为改善，同时可以避免启停泵时管道压力的大幅度波动。
    2003年11月，MAXF700-6000/750高压变频调速装置在泵站#3泵上顺利投运，高压变频投入运行后，节流阀全开，采用远方自动恒水压控制方式，多数情况下，变频器运行在40Hz左右，功率约270KW，高压侧输入电流30A不到，而50Hz定速运行时功率约为530KW，高压输入电流为60A左右。经长时间运行，变频器运行在42Hz上下，平均功率约为320KW，与50Hz定速运行530KW比较，平均节电率39.6%，年节电约151万度。由于泵站使用网电，电价较贵，故一年左右即收回投资。2004年，该厂又进行该厂南水源的一台水泵的高压变频改造。
    2.MAXF高压变频调速装置在乌石化炼油厂常减压装置油泵上的应用
    2004年，乌石化炼油厂对该厂常减压装置上的三台油泵进行了高压变频改造，该厂三台电动机分别为200KW/6KV、315KW/6KV和500KW/6KV，分别选用了MAXF300-6000/360、MAXF450-6000/550和MAXF700-6000/750高压变频调速装置，均顺利投运。经过长时间的运行考核，比较改造前后的电功率，节电率为22.4%。投资回收期不到两年。
    3.MAXF高压变频调速装置在恒华热电有限公司风机上的应用
    恒华热电有限公司的机组是热电联供机组，在项目设计中考虑到负荷的不确定性，在锅炉引风机630KW/10KV电动机和二次风机355KW/10KV电动机分别采用了MAXF800-10000/920和MAXF475-10000/600高压变频调速装置，两台装置均顺利投运。在并网发电初期，由于热用户较少，锅炉出力仅为额定的约30%，因此风量需求很小，两台变频装置均运行在低负荷区，输出频率均不到20Hz，从高压侧检测到的电流仅为1A左右。同期运行的送风机系统，驱动电动机为710KW/10KV，没有采用高压变频调速驱动，调节方式为节流调节，风门开度很小，运行电流约为30A。由此可见，采用变频调节在新建机组中使用，尤其是在机组运行初期，节能效果尤为明显。即使在机组正常运行期间，变频调节节能一般达到20-30%，投资回收期约为2年。
    8 采用高压变频调节的间接经济效益
    采用高压变频调节除了能够产生良好的直接经济效益外，同时还有以下优点：
    1.可以实现空载软启动，启动峰值电流和启动时间大为减少，避免因大启动电流造成的绝缘老化及由于大电动力矩造成的机械冲击对电机寿命的影响，减少电机的维护工作量，节约检修维护费用。
    2.对于容量大的电动机，可以节省启动装置的费用，通过变频驱动直接起动。
    3.功率因数得以提高，电流减小，可以省去功率因数补偿装置，充分利用变压器系统的容量。
    4.节流调节装置全开，减小管道系统内流体压力波动，系统运行稳定性得到改善。
    5.变频调节的调节控制性能远远好于节流调节，有利于实现系统的集散控制。
    6.变频调节使电动机的转速降低，环境噪音可以得到大大改善。
    9 结束语
    单元串联多电平高压变频调速装置的可靠性已经达到可以广泛应用的程度，尤其是实现的单元在线更换功能和采用了无极性电力电容的MAXF系列高压变频调速装置可靠性又有了很大的提高，性价比高，具有广泛推广使用的市场前景。