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1、变频调速速器在电电厂高压压设备中中的应用用1 引言言交流变变频调速速技术及及装置在在我国有有着突飞飞猛进的的发展,由于变变频调速速在频率率范围、动动态响应应、低频频转矩、转转差补偿偿、功率率因数、工工作效率率等方面面是以往往的交流流调速方方式无法法比拟的的,因此此在众多多行业有有了广泛泛的应用用,并且且在节约约能源、改改善工艺艺、提高高生产效效率等方方面发挥挥了巨大大作用,取得了了巨大经经济效益益。当前前,变频频调速技技术在高高压大容容量传动动中应用用的主要要难题有有两个：一是我我国火力力发电厂厂中大功功率电动动机供电电电压高高,而变变频器开开关器件件的耐压压水平较较低,造造成电压压匹配上上的
2、难题题；二是是高压大大容量变变频调速速技术含含量高、难难度大、成成本也高高,但一一般风机机水泵等等节能用用调速装装置都要要求低投投入高回回报,从从而造成成经济效效益上的的难题。这这两个方方面阻碍碍了高压压大容量量变频调调速技术术的推广广应用,因此如如何解决决高压供供电和用用高技术术生产出出低成本本的变频频器是当当前相关关行业的的竞争热热点。2 高压压变频器器的发展展概况高高压变频频器产品品采用不不同措施施解决了了高耐压压、大容容量这一一难题。虽虽然采用用的技术术不尽相相同,但但归纳起起来主要要有两种种：一是是采用多多重化技技术,再再就是采采用新开开发的高高耐压功功率器件件。2.1 多多重化技技
3、术的应应用所谓谓多重化化技术就就是每相相由几个个低压ppwm功功率单元元串接组组成,各各功率单单元由一一个多绕绕组的隔隔离变压压器供电电,以高高速微处处理机和和光导纤纤维实现现控制和和通信。该该技术从从根本上上解决了了一般66脉冲和和12脉脉冲变频频器产生生的谐波波问题,可实现现完美无无谐波变变频。其其基本原原理如下下:图1 多多重化变变频器拓拓扑图图1为66kv高高压大容容量变频频器的拓拓扑图,它是由由多个低低压功率率单元串串联而成成,由低低压pwwm变频频单元叠叠加达到到高压输输出的目目的。图图2为变变频器的的结构原原理图,各个功功率单元元由输入入隔离变变压器的的二次隔隔离线圈圈分别供供电
4、,每每个功率率单元额额定电压压为6990v,每相55个单元元串联,因此相相电压为为3.445kvv,所对对应的线线电压为为6kvv。给功功率单元元供电的的二次线线圈在绕绕制时互互相存在在一个112的的相位差差,实现现输入多多重化,因此可可形成相相当于330脉冲冲的整流流。由于于多重化化可消除除各单元元产生的的大多数数谐波,对电网网的污染染可降到到很低,并且谐谐波无功功造成的的功率因因数降低低减到最最小,在在整个负负荷范围围内网侧侧功率因因数均可可保持在在0.995以上上,不需需要配备备改善功功率因数数的电容容器。图2 多多重化变变频器结结构图图3为低低压功率率单元的的结构原原理图,它是由由低压
5、iigbtt构成的的三相输输入单相相输出的的脉宽调调制型(pwmm)变频频器,电电压输出出06690vv可调和和频率001220hzz可调。其其输出电电压为三三电平即即1,00,-11,每相相5个单单元叠加加就可产产生111种不同同的电压压等级(5,4,3,2,1,0)。因因此线电电压即可可形成223脉冲冲的电压压波形,谐波极极大减少少。变频频器输出出电压非非常接近近正弦波波形,大大大降低低了duu/dtt脉动对对电动机机绕组的的冲击,减少了了电动机机的谐波波损耗,电机可可不降低低额定容容量使用用,同时时对电缆缆的绝缘缘也无特特殊要求求。采用用多重化化技术的的变频器器19次次以下的的谐波几几乎
6、完全全消除,所以不不需任何何输出滤滤波器,从本质质上就能能提供正正弦波电电压输出出,而且且即使在在低速时时也能保保持很好好的输出出正弦波波形,不不需配置置输出滤滤波器,因此消消除了因因谐波造造成的电电机振动动、噪音音和温升升等问题题。由于于谐波大大为减少少,由谐谐波引起起的电动动机功率率因数和和效率的的损失也也大为减减少,所所以变频频部分效效率高达达98%以上,包括输输入隔离离变压器器在内的的整个变变频系统统的效率率也高达达96%以上。该该类型变变频器适适合于高高高方方式,由由于采用用低压功功率器件件,所以以工作可可靠,并并且谐波波含量极极低,对对电网影影响小,适合于于功率在在1mww以上的的
7、电厂辅辅机应用用。图3 功功率单元元结构原原理图2.2 高耐压压开关器器件的应应用变频频器中常常用的开开关器件件多为iigbtt、gttr、ggto等等,由于于制造水水平及原原材料的的原因,使这些些器件的的耐压很很难达到到直接应应用于66kv的的电压,因此多多采用高高耐压器器件。iigctt(etto)、hhv-iigbtt等耐压压可达44.5kkv。目目前较多多采用专专门研制制的高耐耐压开关关器件并并以传统统的交流流变频器器结构的的高压变变频器。以以有代表表性的西西门子公公司产品品simmoveert mv系系列为例例进行简简要介绍绍。siimovvertt mvv系列变变频器采采用传统统的
8、交直交交变频器器结构,整流部部分采用用12脉脉冲或224脉冲冲二极管管整流器器,逆变变部分采采用三电电平pwwm逆变变器。图图4为ssimooverrtmvv系列变变频器的的原理结结构图。由由图4可可以看出出,该系系列变频频器采用用传统的的电压型型变频器器结构,通过采采用耐压压较高的的hv-igbbt模块块,使得得串联器器件数减减少为112个,随着元元件数量量的减少少,成本本降低,方案变变得简洁洁,从而而使柜体体尺寸更更小,可可靠性更更高。由由于变频频器的整整流部分分是非线线性的,会产生生高次谐谐波,此此高次谐谐波将使使电网的的电压和和电流波波形发生生畸变,对电网网造成污污染。图图4所示示的s
9、iimovverttmv系系列变频频器的112脉冲冲整流原原理接线线图中,三相桥桥式整流流相当于于六相整整流,现现将两组组三相桥桥式整流流电路用用流变压压器联系系起来,其初级级绕组结结成三角角形,次次级绕组组一组结结成三角角形,一一组结成成星形 ,整流流变压器器次级22个绕组组的线电电压相同同,但22个绕组组的线电电压相位位相差330,这样55次、77次谐波波在变压压器的初初级将会会有1880的的相移,因而能能够相互互抵消,同样117、119次也也相互抵抵消。这这样经过过2个整整流桥的的串联叠叠加后,即可得得到122波头的的整流输输出波形形,比66个波头头更平滑滑,并且且每桥的的整流二二极管耐
10、耐压降低低一半。采采用122相整流流电路减减少了特特征谐波波含量,由于nn=kpp1（pp为整流流相数,k为自自然数,n为特特征谐波波的次数数）,所所以网侧侧特征谐谐波只有有11、113、223、225等。同同理采用用24脉脉冲整流流电路网网侧谐波波被更进进一步抑抑制。两两种选择择方案均均可使输输入功率率因数在在整个功功率范围围内保证证在0.95以以上,不不需功率率因数补补偿电容容器。图4 ssimooverrt mmv系列列变频器器的原理理结构图图simooverrt mmv系列列变频器器的逆变变部分采采用传统统的三电电平方式式,所以以不可避避免地会会产生比比较大的的谐波分分量,这这是三电电
11、平逆变变方式所所固有的的。因此此simmoveertmmv系列列变频器器的输出出侧需要要配置输输出滤波波器才能能用于通通用的电电动机,否则必必须配用用西门子子的专用用电动机机。同样样由于谐谐波的影影响,电电动机的的功率因因数和工工作效率率都会受受到一定定的影响响,只有有在额定定运行点点处才能能达到最最佳的工工作状态态,随着着转速的的降低,工作效效率和功功率因数数都会相相应降低低。这是是该类型型高压变变频器的的缺点所所在,因因而限制制了其应应用。另另外,ssimooverrtmvv系列变变频器的的一个特特色是可可以提供供有源前前端(aafe),affe也采采用三电电平技术术,因而而可以实实现电动
12、动机的44象限传传动方案案,即可可以进行行双向电电动和能能量反馈馈制动运运行。如如图5所所示为有有源前端端的整流流器,由由于affe反并并联了112个反反馈二极极管,因因此可提提供直流流环节富富余能量量回馈电电网的通通路。有有源前端端的引入入为该系系列变频频器在交交流传动动的应用用提供了了较大的的空间。图5 有有源前端端(affe)原原理图两种类型型的高压压变频器器各有优优缺点,多重化化变频器器能够提提供无谐谐波的变变频,在在对谐波波要求比比较严格格的电力力系统有有着比较较大的应应用前景景,但其其缺点目目前来说说是比较较明显的的,即变变频器体体积大,安装不不便,造造价高。采采用高耐耐压开关关器
13、件的的变频器器体积小小,可靠靠性相对对较高,但不可可否认的的是其比比较严重重的谐波波污染及及对电动动机的特特殊要求求,若考考虑输出出滤波器器的因素素,其造造价也不不低。所所以在应应用过程程中应根根据实际际需求选选用性价价比较高高的变频频器。3 变频频器在66kv供供电系统统中的使使用方式式由于整整套系统统的要求求各不相相同,各各地所用用电动机机的额定定电压、额额定功率率也就不不同,所所以选用用的变频频器和整整个系统统的组成成方式也也各不相相同。为为了很好好地满足足系统的的需求,应该根根据实际际情况选选用性能能价格比比较好的的变频器器和系统统组成方方式。对对于6kkv供电电系统,变频器器的应用用
14、有如下下几种方方式。22.1 高高高方式用用额定电电压为66kv的的高压ppwm电电压型变变频器直直接驱动动电机,实现变变频调速速。此种种方式整整体效率率高,当当电厂辅辅机电机机容量在在1mww时应用用较合适适。当电电机容量量较小时时（小于于7000kw）,采用66kv高高压变频频器,价价格就显显得比较较高了。2.2 高低高方式用输入变压器将6kv高压降为600v（或460v）,用低压电流源型变频器实现变频调速,再用输出变压器升压至6kv,以控制电机调速。此种方式较适合中等或中等偏下功率电机的应用(1001500kw),所以价格比较合理,调速平稳、使用可靠,缺点是增加输出升压变压器,系统效率略
15、微降低,且占地面积大。适合的变频器选择范围比较宽。2.3 高中中方式如果将6kv的高压电机改装成3kv电机,就可使用3kv的变频器,提高系统效率,降低投资费用,而性能与直接控制方式相同。采用多重化技术的变频器或高耐压开关器件的变频器均可,选择面相对较宽。2.4 高低低方式当电机的功率在500kw以下时,最好的方法是选用低压电机取代原有高压电机。经输入降压变压器降压后,用低压变频器直接控制调速。此方案性能良好,变频器即使加上新电机的成套费用,比其他方式还要低,而且不含高压器件,维修使用方便,变频器选择范围很大。4 变频频调速技技术在火火力发电电厂中的的应用44.1 火电厂厂中的节节能应用用火力发
16、发电厂中中的各种种动力设设备中,风机水水泵类负负载占绝绝大部分分。由于于各电厂厂调峰力力度的加加大,这这些设备备的负荷荷变化范范围很大大,所以以必须实实时调节节风机水水泵的流流量。目目前调节节流量的的方法多多为节流流阀调节节,由于于这种调调节方法法仅仅是是改变了了通道的的通流阻阻抗,而而驱动源源的输出出功率并并没有改改变,所所以浪费费了大量量能源。尤尤其现在在电力行行业改革革不断深深化,厂厂网分开开、竞价价上网政政策的开开展实施施,降低低厂用电电率、降降低发电电成本提提高出厂厂电价的的竞争力力,就成成为各个个电厂的的当务之之急。采采用变频频调速技技术对这这些辅机机设备进进行改造造是非常常适合的
17、的,而且且节能非非常明显显。4.2 火火电厂中中的软起起动应用用直接起起动的交交流电机机因起动动电流大大（通常常为57倍的的额定电电流）,在很短短的起动动过程中中,笼型型绕组或或阻尼绕绕组将承承受很高高的热应应力和机机械应力力,致使使笼条（或或导条）和和端环在在很高的的应力作作用下疲疲劳断裂裂。直接接起动时时的大电电流还会会在绕组组端部产产生很大大电磁力力,使绕绕组端部部变形和和振动,造成定定子绕组组绝缘的的机械损损伤和磨磨损,而而导致定定子绕组组绝缘击击穿。起起动时的的大电流流还会造造成铁心心振动,使铁心心松弛,引起电电动机的的发热。在在火力发发电厂中中,高压压大容量量交流异异步电动动机应用
18、用非常广广泛,由由于直接接起动所所造成的的电动机机烧毁和和转子断断条事故故,屡屡屡发生,给主机机设备的的安全经经济运行行带来很很大的威威胁,因因此大容容量异步步电动机机采用软软起动方方式,对对于延长长电动机机使用寿寿命,减减少对电电网的冲冲击,保保证正常常生产是是非常必必要的。由由于电动动机在变变频起动动过程中中可实现现高起动动转矩并并且平滑滑无冲击击,所以以采用变变频器作作为软起起动装置置是非常常合适的的。4.3 变变频器在在电厂控控制中的的应用交交流变频频调速矢矢量控制制技术的的应用,使得交交流电力力拖动逐逐步具备备了宽的的调速范范围、高高的调速速精度、快快的动态态响应以以及在四四象限做做可逆运运行等良良好的技技术性能能,在调调速性能能方面已已可与直直流拖动动相媲美美。因此此在电厂厂中,不不仅在节节能和软软起动方方面采用用变频器器,许多多需要精精确控制制流量、压压力及液液位的场场所都可可以采用用变频器器。