大功率變頻器及變頻調速方案

　　我國標准定義：高壓是指電壓等級為66kV以上的供電電壓，變頻器低壓東元變頻器是指電壓等級為1kV以下的配電電壓，中壓是指電壓等級為135kV的配電電壓，中壓變頻器是指輸入/輸出電壓為110kV的變頻器。

　　目前較為推崇的多重、多級串聯式中壓變頻器，是利用移相變壓器得到多級低壓工頻電壓，分別整流、濾波、逆變、串聯後，再將各相中性點相連，以三相變頻電源向電動機供電。各功率單元參數相同，耐壓均為690 V，采用摸塊化結構，易於更換。各功率單元通過采用多級低壓IGBT的PWM式脈寬調制技術，使總輸出的正弦波近乎基波。

　　目前的變頻調速方案有以下幾種：

　　( 1)低低方案。電動機功率200kW，采用低伺服馬達壓變頻器直接向380V電動機供電，這也是目前最為普遍且應用最廣泛的調速方案。

　　( 2)高低低方案。200kW電動機功率800kW，電動機電壓選定為380 660 V，通過降壓變壓器低壓變頻器，向電動機提供變頻電源。

　　此方案性能優越，低壓變頻器技術成熟，變頻器選擇余地大，相對投資少，但若采用工頻電源直接起動電動機，需受供電系統容量和配電變壓器容量的限制。

　　( 3)高低高方案。800 kW電動機功率1500kW，電動機電壓選定為6kV或10kV，利用降壓變壓器將系統電壓降為600 V或460 V，通過低壓電流源型變頻器變頻後，再用升壓變壓器將電壓升為6 kV或10 kV，向電動機提供變頻電源。

　　此方案價格適中，調速平穩，但增加了降/可程式控制器升壓變壓器後，使整個回路效率降低，且升壓變壓器由於有諧波電流通過，溫升會大幅度提高。

　　( 4)高中中方案。1000kW電動機功率2500 kW，電動機電壓選定為17kV、22kV、33kV或416kV，利用降壓變壓器將系統電壓降為17kV、22kV、33kV或416kV，通過降壓變壓器中壓變頻器，直接向電動機提供變頻電源，此方案成本低，可靠性高，整個回路效率有所改善。

　　(5)高高方案。電動機功率3000kW，電動機電壓選定為6kV或10kV，一般首推低耐壓、多功率單元串聯的多重化變頻調速技術，但此方案對電動機的絕緣水平有較高的要求，且僅限於風機、水泵類無需四像限運行的負載，若考慮驅動卷楊機等負載，則應選用四像限運行的變頻器。

　　存在問題用電設備出力下降目前大功率變頻器的問題是供電電壓高和電安川變頻器力電子器件耐壓低的矛盾，同時PWM工作模式和系統寄生電感共同作用，形成過大的du/ dt，造成電機絕緣受損。由變頻器產生的電網諧波，使用電設備損耗增加，使電動機附加了制動安川伺服馬達轉矩，用電設備出力下降。這些都是影響大功率變頻器大面積推廣使用的主要因素之一。

　　大功率變頻器價格高大功率變頻器價格過高也是影響大面積推廣使用的主要因素之一。隨著電機電壓水平的提升，電機的絕緣水平必然提高，導致電機重量增加、價格上漲。電壓水平的提升，也會使大功率變頻器功率單元的串聯數量增加，成本會大幅度提高。

變頻器過電壓故障處理對策

　　對於變頻器過電壓故障的處理，關變頻器鍵一是中間直流回路多余能量如何及時處理；二是如何避免或減少多余能量向中間直流回路饋送，使其過電壓的程度限定在允許的限值之內。下面是主要的對策:

　　(1)在電源輸入側增加吸收裝置，減少過電壓因素 對於電源輸入側有衝擊過電壓、雷電引起的過電壓、補償電容在合閘或斷開時形成的過電壓可能發生的情況下，可以采用在輸入側並聯浪湧吸收裝置或串聯電抗器等方法加以解決。

　　(2)從變頻器已設定的參數中尋找解決辦法 在變頻器可設定的參數中主要有兩點: 減速時間參數和變頻器減速過電壓自處理功能。在工藝流程中如不限定負載減速時間時，變頻器減速時間參數的設定不要太短，而使得負載動能釋放的太快，該參數的設定要以不引起中間回路過電壓為限，特別要注意負載慣性較大時該參數的設定。如果工藝流程對負載減速時間有限制，而在限定時間內變頻器出現過電壓跳閘現像，就要設定變頻器失速自整定功能或先設定變頻器不過壓情況下可減至的頻率值，暫緩後減速至零，減緩頻率減少的速度。 是中間直流回路過電壓倍數。

　　(3)分析工藝流程，在工藝流程中尋找解決辦法 如我廠氫氧化鋁撈取浮游物項目袋濾機系統，有8台50kW進料泵、4台30kW回流泵采用變頻器調速，在袋濾機工作流程中每隔20～30min需要將吸附在濾布上的濾餅除去，除去濾餅的方法是使濾布的出料側壓力高於進料側壓力，形成較高的壓差使料漿倒流來實現的。在蓄能階段，進料泵閉環於流量參數，為了保持恆定流量，變頻器的頻率一直在提升，伺服馬達到了回流階段，進料閥門突然關閉，進料泵變頻器負載突降，電機進入再生發電狀態，引發過電壓故障。我們分析在蓄能階段後期只要在袋濾機內形成滿足去除濾餅所要求的壓力即可，沒有必要形成過高的壓力，而使變頻器運行於過高的頻率段，對於此故障可以在蓄能階段引入袋濾機內部壓力值，達到所需壓力即停止頻率的上升。或可以在蓄能的整個階段停止頻率的上升，這樣就可以大幅減少回流階段負載側能量向中間直流回路的回饋。這一點在DCS集散控制系統中是可以辦到的。 如袋濾機系統中回流泵因2～3台袋濾機對濾布反衝洗時，循環卸料，時間短，流量大，料漿中混有空氣，引可程式控制器起回流泵打空轉，負載突減，使電動機處於再生制動工況，導致變頻器中間直流回路過電壓，變頻器保護跳閘，對於這一故障，可以從工藝方面入手，在每台袋濾機的回流出口至回流槽處加緩衝槽，改變回流流量突變狀況，減小流量變化對變頻器的影響，解決過電壓問題。

　　(4)采用增加泄放電阻的方法 一般小於7。5kW的變頻器在出廠時內部中間直流回路均裝有控制單元和泄放電阻，大於7。5kW的變頻器需根據實際情況外加控制單元和泄放電阻，為中間直流回路多余能量釋放提供通道，是一種常用的泄放能量的方法。其不足之處是能耗高，可能出現頻繁投切或長時間投運，致使電阻溫度升高、設備損壞。

　　(5)在輸入側增加逆變電路的方法 處理變頻器中間直流回路能量最好的方法就是在輸入側增加逆變電路，可以將多余的能量回饋給電網。但逆變橋價格昂貴，技術要求復雜，不是較經濟的方法。這樣在實際中就限制了它的應用，只有在較高級的場合才使用。

　　(6)采用在中間直流回路上增加適當電容的方法 中間直流回路電容對其電壓穩定、提高回路承受過電壓的能力起著非常重要的作用。適當增大回路的電容量或及時更換運行時間過長且容量下降的安川變頻器電容器是解決變頻器過電壓的有效方法。這裡還包括在設計階段選用較大容量的變頻器的方法，是以增大變頻器容量的方法來換取過電壓能力的提高。

　　(7)在條件允許的情況下適當降低工頻電源電壓 目前變頻器電源側一般采用不可控整流橋，電源電壓高，中間直流回路電壓也高，電源電壓為380V、400V、450V時，直流回路電壓分別為537V、5安川伺服馬達65V、636V。有的變頻器距離變壓器很近，變頻器輸入電壓高達400V以上，對變頻器中間直流回路承受過電壓能力影響很大，在這種情況下，如果條件允許可以將變壓器的分接開關放置在低壓檔，通過適當降低電源電壓的方式，達到相對提高變頻器過電壓能力的目的。

　　(8)多台變頻器共用直流母線的方法 至少兩台同時運行的變頻器共用直流母線可以很好的解決變頻器中間直流回路過電壓問題，因為任何一台變頻器從直流母線上取用的電流一般均大於同時間從外部饋入的多余電流，這樣就可以基本上保持共用直流母線的電壓。使用共用直流母線存在的最大的問題應是共用直流母線保護上的問題，在利用共用直流母線解決過電壓的問題時應注意這一點。

　　(9)通過控制系統功能優勢解決變頻器過電壓問題 在很多工藝流程中，變頻器的減速和負載的突降是受控制系統支配的，可以利用控制系統的一些功能，在變頻器的減速和負載的突降前進行控制，減少過多的能量饋入變頻器中間直流回路。如對於規律性減速過電壓故障，可將變頻器輸入側的不可控整流橋換成半可控或全控整流橋，在減速前將中間直流電壓控制在允許的較低值，相對加大中間直流回路承受饋入能量的能力，避免產生過電壓故障。而對於規律性負載突降過電壓故障，可利用控制系統如FOXBORO的DCS集散系統的控制功能，在負載突降前，將變頻器的頻率作適當提升，減少負載側過多的能量饋入中間直流回路，以減少其引起的過電壓故障。