1 引言 按國際慣例和我國國家標(biāo)準(zhǔn)對電壓等級的劃分，對供電電壓≥10kV時稱高壓，1kV～10kV時稱中壓。我們習(xí)慣上也把額定電壓為6kV或3kV的電機稱為“高壓電機”。高壓電動機在工礦企業(yè)中應(yīng)用極為廣泛，在冶金、鋼鐵、化工、水處理等行業(yè)中，用于拖動風(fēng)機、泵類、壓縮機及各種大型機械，其消耗的能源占電機總能耗的70%以上。由于相應(yīng)額定電壓1～10kV的變頻器有著共同的特征，因此，我們把驅(qū)動1～10kV交流電動機的變頻器稱之為高壓變頻器。但目前我國的調(diào)速和起動方法仍很落后，浪費了大量的能源且造成機械壽命低。因此，推廣應(yīng)用高壓變頻調(diào)速及起動裝置的效益和潛力是非常巨大的。 2 幾種高壓大功率變頻器概述 2.1 單元串聯(lián)多重化電壓源型高壓變頻器 該系列高壓變頻器是利用低壓單相變頻器串聯(lián)，解決功率器件IGBT的耐壓能力的不足。所謂多重化，就是每相由幾個低壓功率單元串聯(lián)組成，各功率單元由一個多繞組的移相隔離變壓器供電，用高速微處理器實現(xiàn)控制和以光導(dǎo)纖維隔離驅(qū)動。 其缺點是: （1） 使用的功率單元及功率器件數(shù)量太多，6kV系統(tǒng)要使用150只功率器件（90只二極管，60只IGBT），裝置的體積太大，重量大，安裝位置和基建投資成問題; （2） 所需高壓電纜太多，系統(tǒng)的內(nèi)阻無形中增大，接線太多，故障點相應(yīng)的增多; （3） 一個單元損壞時，單元可旁路，但此時輸出電壓不平衡中心點的電壓是浮動的，造成電壓、電流不平衡，從而諧波也相應(yīng)地增大，勉強運行時終究會導(dǎo)致電動機的損壞; （4） 輸出電壓波形在額定負載時尚好，低于25Hz以下畸變突出; （5） 由于系統(tǒng)中存在著變壓器，系統(tǒng)效率再提高不容易實現(xiàn);變壓器鐵芯的固有損耗，也影響了整個高壓變頻器的效率。這種情況在越低于額定負荷運行時，越是顯著。 2.2 箝位三電平PWM變頻器 該系列變頻器采用傳統(tǒng)的電壓型變頻器結(jié)構(gòu)。其逆變部分采用傳統(tǒng)的三電平方式，輸出波形中會產(chǎn)生較大的諧波分量，這是三電平逆變方式所固有的。因此在變頻器的輸出側(cè)須配置輸出LC濾波器才能用于普通的鼠籠型電機。同樣由于諧波的原因，電動機的功率因數(shù)、效率以至壽命都會受到一定的影響，在額定工況點能達到最佳的工作狀態(tài)，但隨著轉(zhuǎn)速的下降，功率因數(shù)和效率都會相應(yīng)降低。 2.3 多電平+多重化高壓變頻器 多電平+多重化高壓變頻器的本意是想解決高壓IGBT的耐壓有限的問題，但此種方式，不僅增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，而且降低了多重化冗余性能好和三電平結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點。因此此類變頻器實際上并不可取。 2.4 電流源型高壓變頻器 功率器件直接串聯(lián)的電流源型高壓變頻器是在線路中串聯(lián)大電感，再將SCR（或GTO、SGCT等）開關(guān)速度較慢的功率器件直接串聯(lián)而構(gòu)成的。 這種方式雖然使用功率器件少、易于控制電流，但沒有真正解決高壓功率器件的串聯(lián)問題。因為即使功率器件出現(xiàn)故障，由于大電感的限流作用，di/dt受到限制，功率器件雖不易損壞，但帶來的問題是對電網(wǎng)污染嚴(yán)重、功率因數(shù)低。電流源型高壓變頻器是最早的產(chǎn)品，但凡是電壓型變頻器到達的地方，它都被迫退出，因為在經(jīng)濟上、技術(shù)上，它都明顯處于劣勢。 3 功率器件IGBT直接串聯(lián)的真正直接高壓變頻器 3.1 主電路簡介 圖1中看出系統(tǒng)由電網(wǎng)高壓直接經(jīng)高壓斷路器進入變頻器，經(jīng)過高壓二極管全橋整流、直流平波電抗器和電容濾波，再通過逆變器進行逆變，加上正弦波濾波器，簡單易行地實現(xiàn)高壓變頻輸出，直接供給高壓電動機。 功率器件IGBT直接串聯(lián)的二電平電壓型高壓變頻器是采用變頻器已有的成熟技術(shù)，應(yīng)用獨特而簡單的控制技術(shù)成功設(shè)計出的一種無輸入輸出變壓器、IGBT直接串聯(lián)逆變、輸出效率達98%的高壓調(diào)速系統(tǒng)。 對于需要快速制動的場合，采用直流放電制動裝置，如圖2所示。 如果需要四象限運行，以及需要能量回饋的場合，或輸入電源側(cè)短路容量較小時，也可采用如圖3所示的PWM整流電路，使輸入電流也真正實現(xiàn)完美正弦波。附表為IGBT直接串聯(lián)高壓變頻器與以往幾種高壓變頻器的主要性能比較。 附表 IGBT直接串聯(lián)高壓變頻器與以往幾種高壓變頻器的主要性能比較 3.2 IGBT直接串聯(lián)高壓變頻器技術(shù)介紹 （1） 高速功率可關(guān)斷器件的串聯(lián)技術(shù) 佳靈獨有的世界首創(chuàng)高速功率可關(guān)斷器件，特別是IGBT直接串聯(lián)，使真正無輸出、輸入變壓器的高壓變頻器成為現(xiàn)實。這對于提高性能、效率、減小體積、重量等各項主要技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)，是以往任何一種變頻器都無法比擬的。 （2） 抗共模電壓技術(shù) 采用抗共模電壓技術(shù)，使高壓變頻器徹底去掉變壓器得以最終實現(xiàn)，并對電機無特殊的絕緣要求，使佳靈公司高壓變頻器真正成為世界最小體積的變頻器。 （3） 正弦波技術(shù) 輸入電流正弦波技術(shù)，提高了功率因素，降低了對電網(wǎng)的干擾，特別是根據(jù)電源及負載的情況，輸入端可用多種不同的配置，以符合IEEE519-92的要求。更可滿足四象限快速加減速等場合的應(yīng)用要求。 4 IGBT直接串聯(lián)高壓變頻器的性能特點 4.1 無與倫比的電動機速度和轉(zhuǎn)矩控制 IGBT直接串聯(lián)高壓變頻器的開環(huán)動態(tài)速度控制精度與采用閉環(huán)磁通矢量控制的變頻器相對應(yīng)。其靜態(tài)速度控制精度通常為正常轉(zhuǎn)速的0.1%至0.5%，能滿足大多數(shù)工業(yè)領(lǐng)域的要求。在速度調(diào)節(jié)精度要求更高的場合，可采用脈沖編碼器。IGBT直接串聯(lián)高壓變頻器具有快速轉(zhuǎn)矩階躍響應(yīng)，對電網(wǎng)側(cè)和負載側(cè)的變化具有極快的反應(yīng)，對失電、負載突變和過電壓狀態(tài)易于控制。因此，IGBT直接串聯(lián)高壓變頻器的優(yōu)勢特別明顯。 4.2 模塊化的構(gòu)造與設(shè)計保證了系統(tǒng)的高利用率 每個功率單元都是相同的，并裝在一個可抽出的機架上，模塊化的結(jié)構(gòu)使得調(diào)換單元只需15分鐘，換一個功率單元只需斷開5個接口和一個光纖插口。模塊化設(shè)計不僅使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)十分緊湊，而且也增強了系統(tǒng)的維修便利性，因而提高了系統(tǒng)的可利用率。 4.3 高效率及完善的磁通優(yōu)化 IGBT直接串聯(lián)高壓變頻器系統(tǒng)效率在98%以上。這一效率大大超過其它變頻系統(tǒng)的效率，其它變頻系統(tǒng)的效率計算，需包括變壓器，功率因數(shù)補償裝置，諧波濾波器等的損失。 在優(yōu)化模式狀態(tài)，電動機的磁通能自動地與負載對應(yīng)，保證了高效率，并降低了電動機噪音。由于磁通的優(yōu)化，根據(jù)不同的負載點，電動機和傳動系統(tǒng)的總體效率提高1%到10%。 4.4 變頻輸出質(zhì)量適用于普通電機，電機無須降容 IGBT直接串聯(lián)高壓變頻器輸出波形，在整個速度和負載范圍內(nèi)具有正弦波特性。適用于普通的標(biāo)準(zhǔn)感應(yīng)電機和同步電機，電機無須降容，也不必使用專用變頻電機。 在低工作頻率段時，IGBT直接串聯(lián)高壓的PWM開關(guān)模式消弱了所有流向電動機的諧波。在高工作頻率段，PWM與內(nèi)置于變頻中的微型電容器配合將諧波含量作進一步消除。與恒速運行相比，沒有額外的電機溫升及瞬變電壓對電動機絕緣破壞現(xiàn)象。 4.5 安靜平穩(wěn)的電機運行，降低了噪聲 低噪聲運行的直接原因是高質(zhì)量的電壓電流輸出波形。由于開關(guān)狀態(tài)是分別確定的，沒有固定的開關(guān)頻率，因此沒有使用普通PWM技術(shù)的交流傳動裝置中常見的共振所引起的刺耳的噪音。 5 IGBT直接串聯(lián)高壓變頻器的應(yīng)用 5.1 項目應(yīng)用背景 IGBT直接串聯(lián)高壓變頻器應(yīng)用于在廣東韶鋼煉鐵廠4#高爐沖渣泵的變頻調(diào)速系統(tǒng)。高爐冶煉鐵水過程中產(chǎn)生大量的熔渣，通常是用大流量的水將其降溫并沖散，同時輸送到水渣池回收。高爐生產(chǎn)是不間斷的，一般情況下每天出鐵15次，在高爐出鐵前、后各放一次渣，兩次出渣時間約30min時間內(nèi)要求水沖渣系統(tǒng)的水泵滿負荷工作，其余時間水泵只需保持約30%水流量防止管道堵塞即可。原系統(tǒng)運行時，起動前管道進出水閥門關(guān)閉，起動后閥門開度約90%，機組全速運行，電網(wǎng)電壓6300V，電機運行電流33A，功率因數(shù)81.6%，耗電功率294kW。不需沖渣水時通過調(diào)節(jié)閥門在30%來調(diào)節(jié)水流量（此時電機電流25A），耗電功率214kW。一方面導(dǎo)致大量的節(jié)能損失，另一方面頻繁操作閥門，致使其使用壽命大大降低，增加了停產(chǎn)更換閥門的時間。變頻器于2001年11月28日開始正式運行，經(jīng)過反復(fù)多種測試各運行參數(shù)一直正常，變頻器質(zhì)量性能良好，安全可靠，各項指標(biāo)均達到了設(shè)計要求。 5.2 項目的改造效益分析 （1）節(jié)能經(jīng)濟效益 機組在49.5Hz運行和無變頻器運行相比可節(jié)省功率ΔP1=P50—P49.5=80kW; 機組在25Hz運行和無變頻器運行相比可節(jié)省功率ΔP2=214kW—P25=132kW; 年節(jié)電量:ΔW=（H1ΔP1+H2ΔP2）=365（7.5×80+132×16.5）=1013970kW.h。 注:按365天/年計，H1:沖渣時間=15×30/60= 7.5h; H2:不沖渣時間=24-7.5=16.5h 經(jīng)濟效益:ΔW電價=1013970×0.56=567823（元）（注:韶鋼廠工業(yè)電價0.56元/kW.h） （2） 節(jié)約維修費用 因沖渣水含有大量的爐渣，原系統(tǒng)管道和閥門在含渣水的高速沖刷下，很短時間 內(nèi)管壁就會變薄、閥門密封損壞須重新更換，一般情況下每年需維修費用約15萬元。經(jīng)變頻調(diào)速改造后，有一半時間內(nèi)管道的水流速度降低，磨擦減少，管道和閥門的使用壽命大大延長，每年可降低維修費用約1/3，即5萬元。 （3） 社會效益 提高了自動化水平，節(jié)約了大量工業(yè)用水，實現(xiàn)電機軟起動功能，延長了電機壽命，大大減少了沖渣泵故障發(fā)生率。綜合經(jīng)濟效益每年可達60多萬元，一年即可全部收回成本。 通過技術(shù)改造和運行，采用國產(chǎn)高壓變頻器是可行的，這不僅降低了生產(chǎn)成本，還為高壓變頻調(diào)速技術(shù)在其它工序的技術(shù)改造提供了一條可行的途徑和寶貴經(jīng)驗。 6 結(jié)束語 IGBT直接串聯(lián)高壓變頻調(diào)速裝置，2004年9月已經(jīng)通過了四川省科技廳鑒定。來自清華大學(xué)、西安交通大學(xué)等高校的專家組成的鑒定委員會認(rèn)為，該項目具有創(chuàng)新性的自主知識產(chǎn)權(quán)，是一種高效節(jié)能、技術(shù)獨特新穎的成果。佳靈高壓變頻技術(shù)在IGBT（絕緣柵極晶體管）元件直接串聯(lián)技術(shù)、共模電壓抑制技術(shù)、輸出電壓正弦波控制技術(shù)等高壓變頻器的關(guān)鍵技術(shù)已達到國際領(lǐng)先水平，其標(biāo)志著我國高壓變頻關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)了重大突破。佳靈高壓變頻器已經(jīng)在電廠、冶金、礦山、供水等各個行業(yè)得到成功的應(yīng)用和廣泛的認(rèn)同。