摘 要 ：本文較詳細(xì)地分析了自來水廠應(yīng)用高、低壓變頻器的幾個(gè)問題，包括概況介紹、選用國產(chǎn)佳凌變頻器原因。高壓變頻器特點(diǎn)、主電路介紹、高速功率器件的串聯(lián)技術(shù)、正弦波技術(shù)、抗共模電壓技術(shù)、變頻器選型、各種高壓變頻器性能比較、基本規(guī)格和主要參數(shù)等內(nèi)容。 1 引言 啟東自來水廠是啟東市唯一的一家水廠, 擔(dān)負(fù)全市近30萬人民的生活用水及生產(chǎn)用水, 責(zé)任十分重大, 因此供水系統(tǒng)的質(zhì)量、高效、節(jié)能是該廠十分關(guān)注的一件大事。該廠領(lǐng)導(dǎo)及業(yè)務(wù)主管早有采用當(dāng)今先進(jìn)科技成果，使用變頻調(diào)速的打算和安排，分別對(duì)一次進(jìn)水泵及二次清水泵實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速的意向。經(jīng)近年的了解、訪問、調(diào)研，最后決定選用成都佳靈變頻器。從技術(shù)交流、方案選定、草簽合同、設(shè)備制造、安裝調(diào)試、試運(yùn)行等過程，歷經(jīng)半年, 直至2005年元月中旬, 已驗(yàn)收合格，正式投入運(yùn)行，交付廠方使用。經(jīng)啟東市電力測(cè)試所的檢測(cè)結(jié)果，節(jié)電率在20～30％之間, 合乎對(duì)方的要求。故一次性通過驗(yàn)收，是啟東市政工程一項(xiàng)較大的節(jié)能項(xiàng)目, 帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益和一定的社會(huì)效益，尤其在目前電力緊張狀況下, 是實(shí)現(xiàn)“開源節(jié)流”的“根本技術(shù)措施”。 2 系統(tǒng)介紹 2.1 二次清水泵 二次清水泵即可供應(yīng)合格的自來水，經(jīng)水泵加壓后，直接送管內(nèi)供給用戶。該廠有3臺(tái)壓10kV，其中2臺(tái)400kW，一臺(tái)280kW。平常開400kW一臺(tái)，晚上開280kW一臺(tái)。在夏天高峰流量時(shí)要開400kW一臺(tái)，再加280kW一臺(tái)，供水壓力約3.2kg，過去是采用人工方式調(diào)節(jié)出口閥門來調(diào)節(jié)流量（或壓力），顯然這是不經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行方式，亦不及時(shí)。而采用變頻調(diào)速后，能自動(dòng)調(diào)速，既能做到壓力穩(wěn)定，節(jié)能降耗，又能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)閉環(huán)PID調(diào)節(jié)。 設(shè)備組成及要求: （1） 電動(dòng)機(jī) Y500-8，400kW，744r/min，10kV，31.1A，cosφ為0.85; 水泵 揚(yáng)程39m，2700m3/h，730r/min; （2） 電動(dòng)機(jī) Y500-8，280kW，744r/min，10kV，21.5A，cosφ為0.85; 水泵 揚(yáng)程35m，2146m3/h，730r/min; （3） 具有工頻—變頻自動(dòng)切換功能。 2.2 一次抽水泵 一次抽水泵即將河中的水，經(jīng)泵打入蓄水池，并經(jīng)處理合格后將水送出。一般水廠布局是一次抽水泵與二次清水泵相距不遠(yuǎn)，但啟東自來水廠較特別，二者相距約3km，這樣又如何按出水量需要，來自動(dòng)控制抽水量，做到經(jīng)濟(jì)合理的運(yùn)行，不使過大的進(jìn)水量形成蓄水池的溢出，而浪費(fèi)電能。過去是靠人工調(diào)節(jié)閥門控制，以電話聯(lián)系方式進(jìn)行操作，采用變頻器后可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制調(diào)速的方式，能實(shí)現(xiàn)節(jié)電功效，同時(shí)具有及時(shí)、有效、省力的好處。但因遠(yuǎn)距離通訊信號(hào)傳輸既有一定技術(shù)難度，又需要初投資關(guān)系，所以分兩步走，先解決變頻調(diào)速，以電話聯(lián)系方式操作，以后再改為遙控方式。目前已預(yù)留4～20mA接口供變頻器使用。 設(shè)備的組成及要求: （1） 185kW抽水泵1臺(tái), 電動(dòng)機(jī)380V, 337A, 980r/min; 抽水泵: 揚(yáng)程22m，2020m3/h，夜間低谷流量1300m3/h; 閥門開度約48%，出口壓力0.26MPa，白天高峰1900 m3/h; 閥門開度98％，出口壓力0.18MPa。 根據(jù)以上分析，夜間流量較小，節(jié)電潛力大，白天相對(duì)小，經(jīng)實(shí)測(cè)結(jié)果平均節(jié)電率約10％，全年運(yùn)行，選用目的以調(diào)速為主。 （2） 280kW抽水泵1臺(tái)，只有在夏季高峰時(shí)使用，時(shí)間僅用10天左右，同時(shí)亦作185kW的備用泵。 根據(jù)上述工況要求，給予配置280kW 380V變頻器一套，其輸出可以切換，即“一拖二”方式，既節(jié)省投資，又方便使用。 （3） 具有工頻—變頻自動(dòng)切換功能。 3 選用國產(chǎn)佳靈變頻器原因 眾所周知，目前國內(nèi)低壓變頻器在市場上流通的品牌，國外約40種之多，國內(nèi)約60種之多，可說是琳瑯滿目，目不暇接，難以抉擇。而佳靈牌變頻器是國內(nèi)首家，從1986年就開始生產(chǎn)，至今近20年歷史了，在國內(nèi)有一定聲望和市場占有率，具有性價(jià)比較高和售后服務(wù)周到的優(yōu)勢(shì)，故深受用戶青睞和歡迎。所以啟東自來水廠以慧眼識(shí)貨的遠(yuǎn)見和膽略，具有前瞻性的眼光和賞識(shí)，采用了佳靈變頻器。至于高壓變頻器，國外的太貴，國內(nèi)的都是采用國外的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，唯獨(dú)成都佳靈牌高壓變頻器是國內(nèi)獨(dú)創(chuàng)，國外無先例，獨(dú)辟創(chuàng)新的先進(jìn)電路，具有電路最簡單、價(jià)格最低、體積最小、重量最輕、調(diào)試最容易、效率高、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的特點(diǎn)，深受用戶的歡迎。它于2000年投產(chǎn)以來，已有幾十家單位在運(yùn)行，都取得良好的功效。故首選成都佳凌牌高壓變頻器。 4 高壓變頻器特性介紹 4.1 GY-JCS-10kV/400kW高壓變頻器特點(diǎn) 目前，在世界上交流電動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)領(lǐng)域，低壓變頻調(diào)速技術(shù)的運(yùn)用已經(jīng)比較成熟，但高壓變頻調(diào)速技術(shù)由于組成變頻器的功率器件耐壓能力所限，也就造成了現(xiàn)在的高壓變頻器不像低壓變頻器那樣具有成熟的、一致性的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 而現(xiàn)今國內(nèi)的高壓大功率的交流傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)已經(jīng)成為各大企業(yè)的重要生產(chǎn)設(shè)備，也是主要的耗電設(shè)備。應(yīng)用高壓變頻調(diào)速也就成為各大企業(yè)勢(shì)在必行的重要措施。 組成高壓變頻器的功率器件的耐壓能力在相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)還不可能滿足高壓變頻調(diào)速的需要。這就導(dǎo)致高壓變頻調(diào)速發(fā)展緩慢，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如低壓變頻那樣成熟和完善。因此，如何解決高壓變頻器中的功率器件耐壓能力問題，就成了世界性的難題。 成都佳靈電氣制造有限公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的GY系列高壓變頻器是采用該公司變頻器的成熟技術(shù)，貫以最新的控制理論成功設(shè)計(jì)制造出來的，世界上獨(dú)一無二的一種無輸入輸出變壓器，IGBT直接串聯(lián)逆變的高壓變頻調(diào)速裝置。其特點(diǎn)如下: （1） 電壓等級(jí)為3kV～10kV; （2） 功率器件選用西門子公司九十年代末推出的高壓IGBT功率模塊直接串聯(lián); （3） 系統(tǒng)自帶專門設(shè)計(jì)的高壓開關(guān)柜，與本身高壓變頻器高效安全配套，并含電子式真空斷路器; （4） 高檔的GY系列中含有全中文操作界面，基于Windows操作平臺(tái)，彩色液晶觸摸屏，便于就地監(jiān)控、設(shè)定參數(shù)、選擇功能和調(diào)試; （5） 變/工頻切換裝置可按用戶選用配備; （6） 高壓主電路與低壓控制電路采用光纖傳輸、安全隔離，系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng); （7） 控制電路通訊方式采用全數(shù)字化通訊, 簡單、可靠; （8） 系統(tǒng)的整流單元、逆變單元的設(shè)計(jì), 選用組合模塊化積木結(jié)構(gòu), 整機(jī)占地面積小、重量輕，便于安裝、維護(hù); （9） 高檔的系統(tǒng)控制采用專用的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，結(jié)合PLC可編程控制技術(shù)，使電動(dòng)機(jī)在變頻運(yùn)行時(shí)變流量調(diào)節(jié)更平滑、穩(wěn)定，實(shí)時(shí)過程控制自動(dòng)化程度高; （10） 裝置可在本機(jī)上操作，也可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離外控，具備完善、方便的操作功能選擇; （11） 系統(tǒng)具有標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)通訊接口RS-232或RS-422、RS-485，可方便地與用戶DCS系統(tǒng)或工控系統(tǒng)組態(tài)建立整個(gè)系統(tǒng)的工作站，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的自動(dòng)化控制水平，實(shí)現(xiàn)整個(gè)工控系統(tǒng)的全閉環(huán)監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)更加完善、可靠的自動(dòng)化運(yùn)行; （12） 具備全面的故障監(jiān)測(cè)、可靠的故障報(bào)警保護(hù)功能; （13） 輸入功率因數(shù)高，輸出電壓諧波含量小，無需功率因數(shù)補(bǔ)償和諧波抑制器; （14） 輸出電壓為標(biāo)準(zhǔn)正弦波形，對(duì)電纜和電動(dòng)機(jī)的絕緣無損害，減輕電動(dòng)機(jī)的軸承和葉片等機(jī)械部分震動(dòng)和磨損，延長電動(dòng)機(jī)的使用壽命，變頻器輸出至電動(dòng)機(jī)的線纜長度可達(dá)20km; （15） 采用獨(dú)特的抗共模電壓技術(shù), 使系統(tǒng)中共模電壓≤1000V, 無需再提高電動(dòng)機(jī)的絕緣等級(jí), 也無需專用電機(jī); （16） 易于實(shí)現(xiàn)能量回饋和四象限運(yùn)行，并可直接引出直流進(jìn)行直流輸電; （17） 適用于石油、化工、給排水、電力、冶金、建材、軍事、礦山等行業(yè)的高壓電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速節(jié)能運(yùn)行; （18） 對(duì)用戶的高壓異步電動(dòng)機(jī)無任何特殊要求。不但適用于新舊異步電動(dòng)機(jī)，也適用于同步電動(dòng)機(jī)。 4.2 主電路簡介 由圖1可見，系統(tǒng)由電網(wǎng)高壓直接經(jīng)高壓斷路器進(jìn)入變頻器，經(jīng)過高壓二極管全橋整流、直流平波電抗器和電容濾波，再經(jīng)逆變器變頻變壓，加上正弦波濾波器，簡單易行地實(shí)現(xiàn)高壓變頻輸出，直接供給高壓電動(dòng)機(jī)。 IGBT功率器件直接串聯(lián)的二電平電壓型高壓變頻器是采用低壓變頻器已有的成熟技術(shù)，應(yīng)用獨(dú)特而簡單的控制技術(shù)成功設(shè)計(jì)出的一種無輸入輸出變壓器、IGBT直接串聯(lián)逆變、效率達(dá)98％的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)。 4.3 關(guān)鍵的核心技術(shù) （1） 高速功率器件的串聯(lián)技術(shù) 根據(jù)查新，世界各國均未生產(chǎn)出IGBT直接串聯(lián)的高壓變頻器。佳靈公司運(yùn)用數(shù)十年積累的功底，和為中華民族爭光的決心、勇氣，認(rèn)為在重大裝備的原創(chuàng)技術(shù)上一定要有中國人自己的成果。永遠(yuǎn)跟在別人后面學(xué)，是不可能成為世界大國的。佳靈人用自己的心血和智慧，利用絕對(duì)、相對(duì)原理，終于解決了高速功率器件的串聯(lián)問題。這不僅用于高壓電機(jī)變頻調(diào)速，而且可用于柔性輸電系統(tǒng)、城市無功補(bǔ)償、有源濾波、城市電網(wǎng)穩(wěn)壓、直流輸電等領(lǐng)域。 （2） 正弦波技術(shù) 高壓電機(jī)對(duì)變頻器的輸出電壓波形有嚴(yán)格的要求，佳靈公司為解決變頻器輸出電壓波形，從兩方面著手: 一是優(yōu)化PWM波形; 二是研制出特種濾波器。輸出波形如圖2和圖3所示。 （3） 抗共模電壓技術(shù) 僅解決IGBT的串聯(lián)，并不能甩掉輸入變壓器。原因在于共模電壓的存在。在低壓變頻器領(lǐng)域，近年來發(fā)現(xiàn)的電機(jī)軸承損壞，共模電壓就是影響的原因之一，在高壓變頻器的領(lǐng)域中，共模電壓更是必須解決的關(guān)鍵問題之一。 共模電壓（也叫零序電壓），是指電動(dòng)機(jī)定子繞組的中心點(diǎn)和地之間的電壓。以典型的電流源型變頻器（不帶輸入變壓器）為例，如圖4所示。 由于上下直流母線的濾波電抗器大小相同，而且流過相同的電流，所以每個(gè)電抗器上的壓降也相同，因此以接地點(diǎn)G為參考電平，各點(diǎn)電壓符合以下關(guān)系:所以有:兩邊都除以2，可得 由于整流電路在同一時(shí)刻只有兩相同時(shí)導(dǎo)通，導(dǎo)致整流電路輸出的直流中點(diǎn)電壓不等于供電電源的中心點(diǎn)電壓，即UmG=0。圖5是在晶閘管觸發(fā)延遲角為20°時(shí)的各點(diǎn)電壓波形。中點(diǎn)電壓UmG按照電網(wǎng)電壓三倍的頻率進(jìn)行變化，在晶閘管觸發(fā)延遲角為90°時(shí)幅值達(dá)到最大。 電流源型變頻器逆變器的工作原理與整流器大致相同，因此逆變器輸入直流中點(diǎn)對(duì)電動(dòng)機(jī)中心點(diǎn)的電壓EmN波形與UmG波形大致相同, 只是EmN的變化頻率為變頻器輸出頻率的三倍, 會(huì)隨著變頻器輸出頻率的變化而變化。由于所以，共模電壓。由于輸出頻率一般不等于電網(wǎng)頻率，且不斷變化，因此其組合可以導(dǎo)致共模電壓在某一時(shí)刻達(dá)到最大值。由于UmG和EmN的最大值都可以達(dá)到額定相電壓峰值的50％，所以共模電壓最大可接近相電壓的峰值，如果電源的中心點(diǎn)接地，電動(dòng)機(jī)的機(jī)殼也接地，這樣共模電壓就施加到電動(dòng)機(jī)定子繞組的中心點(diǎn)和機(jī)殼之間。這樣高的共模電壓使電動(dòng)機(jī)繞組承受的絕緣應(yīng)力為電網(wǎng)直接運(yùn)行情況下的2倍，嚴(yán)重影響電動(dòng)機(jī)絕緣。圖6顯示了一輸出電壓為4160V的GTO電流源型變頻器的共模電壓波形。 當(dāng)沒有輸入變壓器時(shí)，共模電壓會(huì)直接施加到電動(dòng)機(jī)上，增加繞組對(duì)地的電應(yīng)力，引起絕緣擊穿，影響電動(dòng)機(jī)的使用壽命。如果設(shè)置輸入變壓器（變壓器二次側(cè)中點(diǎn)不能接地），則共模電壓由輸入變壓器和電動(dòng)機(jī)共同來承擔(dān)，按照輸入變壓器一次、二次繞組間的分布電容和電動(dòng)機(jī)繞組對(duì)機(jī)殼間的分布電容（兩個(gè)容抗串聯(lián)）進(jìn)行分配。由于一般輸入變壓器的分布電容大大小于電動(dòng)機(jī)繞組對(duì)機(jī)殼的分布電容（比如前者為后者的1/10），這樣約90％的共模電壓由輸入變壓器來承擔(dān)，只要考慮加強(qiáng)輸入變壓器的絕緣，以承受共模電壓即可。比如4160V額定電壓的電動(dòng)機(jī)要求采用10kV的絕緣設(shè)計(jì)，不能使用標(biāo)準(zhǔn)的異步電動(dòng)機(jī)。要求6kV電動(dòng)機(jī)可以承受的共模電壓范圍為基波相電壓峰值和共模電壓峰值之和不超過8.7kV。 PWM變頻器的共模電壓含有與開關(guān)頻率相對(duì)應(yīng)的高頻分量，高頻的電壓分量會(huì)通過輸出電纜和電動(dòng)機(jī)的分布電容產(chǎn)生對(duì)地高頻漏電流，影響逆變器功率電路的安全。電動(dòng)機(jī)通過地產(chǎn)生的高頻漏電流，一部分通過定子繞組經(jīng)定子繞組和轉(zhuǎn)子間的分布電容，經(jīng)過軸承再到機(jī)殼，然后到地。后者即為軸電流，會(huì)引起電動(dòng)機(jī)軸承的“電蝕”，影響軸承的壽命。 由于共模電壓含有高頻高壓成份，在電機(jī)線圈與鐵芯之間形成交變電場，而其中的絕緣材料被極化，產(chǎn)生電暈放電，并產(chǎn)生出臭氧，而臭氧是強(qiáng)氧化劑，也是腐蝕劑。加速電機(jī)絕緣的擊穿。這也就是為什么有的變頻器只能采用專用電動(dòng)機(jī)。是因?yàn)楣材ｋ妷何刺幚砗?，只能以?qiáng)化電機(jī)絕緣性能來解決。 共模電壓也是對(duì)外產(chǎn)生干擾的原因，特別是長線傳輸設(shè)備。許多用戶的設(shè)備應(yīng)用變頻器后出現(xiàn)了嚴(yán)重干擾，總是找不到原因，可考慮共模電壓的問題。無論是電流源還是電壓源變頻器產(chǎn)生共模電壓是必然的。佳靈公司根據(jù)共模電壓產(chǎn)生的機(jī)理，采取了“堵和疏”的辦法將共模電壓消滅在變頻器內(nèi)部。 由于采用了上述三項(xiàng)核心關(guān)鍵技術(shù)，使“佳靈”IGBT直接高壓變頻器的效率達(dá)到98％以上。輸出電壓正弦化。共模電壓最小化。適用于任何異步電機(jī)。同步電機(jī)，無需降容使用，幾km的長線傳輸也無問題。（只是傳輸距離太長時(shí)應(yīng)考慮線路電壓補(bǔ)償。如提高電壓或增大導(dǎo)線截面等）。 5 GY系列高壓變頻器類型 GY-JCS型:為風(fēng)機(jī)、水泵類負(fù)載，完全工作在平方減轉(zhuǎn)矩特性條件下，可直接轉(zhuǎn)矩控制，適用于變流量和恒壓力節(jié)能調(diào)速; GY-JCP型:一般機(jī)械傳動(dòng)調(diào)速，具有加、減速度，正、反轉(zhuǎn)變化等控制，能耗制動(dòng)功能等要求，也適合風(fēng)機(jī)、水泵類; GY-JCC型:要求較高的機(jī)械傳動(dòng)控制，應(yīng)具有低速或零速大轉(zhuǎn)矩，準(zhǔn)確的移動(dòng)定位的工況，如起重、軋機(jī)、電力機(jī)車等重型機(jī)械，常常都需用“S”形加、減速曲線特性，保證死區(qū)補(bǔ)償?shù)退俅筠D(zhuǎn)矩，矢量或直接轉(zhuǎn)矩的準(zhǔn)確控制。 6 各種高壓變頻器性能比較 各種高壓變頻器性能比較如附表所示。 7 結(jié)束語 IGBT直接串聯(lián)高壓變頻器擁有安全的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，具有許多獨(dú)特的特點(diǎn)，其應(yīng)用范圍十分廣闊，它必將在國民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮重要作用。