开发高压大容量交流变频器的可行性研究

    我国现有风机、水泵4000万余台，用电量占总发电量的30％、55％的风机、水泵可改为调速运行，按节电率20％计算，年节电可达200亿kW.h。风机、水泵采用交流变频器调速运行后，节能效果显著。有关方面的统计见表1。

表1 风机、水泵设备调速节能情况

    近年来，通过国家政策的引导和支持，部分企业对风机、水泵投资进行了节能改造，取得一定的成效，同时也使企业充分认识到采用交流变频调速技术进行技术改造是降低成术，提高效益的有效途径，符合企业长远发展的根本利益。但目前主要在低压中小容量（380V，315 kW以下）设备上应用，而我国大容晕的风机、水泵电压等级为6 kV或10 kV。数量多，分布广泛。如自来水行业的水泵，冶金行业的风机、水泵，石油行业的输油泵、注水泵，化工行业的风机、压缩机，电力行业的锅炉风机、泵，矿山的风机等。对这些高压大容量的风机水泵设备进行交流变频调遮技术改造，节能效益将十分显著。同时，节电的投资成本比发电要低得多（见表2），节电投资只是发电投资的1/10～1/100。在能源曰趋紧张、倡导循环经济的今天，可见对风机、水泵这类“耗电大户”进行节能改造是潜力巨大，意义重大，而且见效快，效益好。

    国内已有企业对应用交-直-交高压大容量变器进行了尝试，并取得了很好的效果，节能在50％以上。因此，开发高压大容量交流变频器。是十分必要和非常紧迫的。

表2 节电与发电投资成本比较

    2、国外高压大容量交流变频技术发展情况

    目前，国外能生产高压大容量交流变频器的厂家主要有：西门子、CEGELEC、艾伦-布拉德、罗宾康、ROSS HILL等少数几个公司，主要有以下几种方案。

    （1）高-低-高方式
    
    这是目前应用最多的一种方式，所谓高-低-高方式，就是在通用变频器（低压）输入侧前加一个降压变压器，在变频器输出侧后加。个升压变压器而构成高址变频驱动系统，如西门子公司曾采用SCR电流型的SIMOVERTA系列交流变频器，现在又采用新一代的IGBT电压型S1MOVERT Master Drives系列交流变频器，加上降压/升压变压器组成高压交流变频系统。

    此种方式的特点是：
    1）易于实现，因变频系统的主体采用现成的低压通用变频器，电压据情况可选380～1000VAC，通过降压/升压变压器，即可用于3000～10000VAC电动机的变频调速驱动。
    2）输入变压器一般采用一绕组变压器，两个副边绕组相差30°电角度，以实现12脉冲工作方式，减少主回路谐波。
    3）由于变频器输出含有高次谐波及直流分量，输出（升压）变压器须特殊设计。

    （2）直接高压方式
    
    此方式即直接对高压电源进行整流后逆变输出，无需降压/升压变压器。
    其性能特点：
    1）适用于400～1000OHP，2300～7200VAC交流电动机，输出频率：2～75Hz，准正弦波输出。
    2）PWM-CSI脉宽调制电流型逆变器设计，全数字矢量控制。
    3）最新的GTO逆变器技术。
    4）无降压，升压变压器，因而结构紧凑，损耗也小。
    5）因谐波问题，可能需装谐波滤波器。

    （3）多重化方式
    
    此种方式是由多个低压功率单元串联叠加而达到高压输出。每个功率单元额定输出电压为865 V，每相4个功率单元，则相电压为3460V，所对应的线电压为6000V。各个功率单元由一体化的输入隔离变压器的副边线圈分别供电，副边线圈采用多种接法，互相存在一个相位差以实现输入多重化，由此可消除各功率单元产生的谐波。另外，每个功率单元都是一个三相输入，单相输出的变频器，通过采用多重化的脉宽调制技术，而合成近乎完美的正弦波输出电压。因此，ROBICON称之为完美无谐波高压变频器。
    
    这种方式的特点是：

    1）对电网的谐波污染很小，见表3。

表3 多重化变频器与电流型变频器谐波比较

    2）效率高，由于多重化变频器无输出变压器，也无需功率因数补偿装置、谐波滤波器等。同时由于谐波分量小，电源变压器及电动机的损耗小，日而系统效率高，见表4。

表4 多重化变频器与CSI变频器效率比较（％）

    3）油于采用了多重化的脉宽调制技术，提供正弦输出波形，不再有因谐波引起的转矩脉动及电动机发热、噪音问题。而且无论变频器到电动机的电缆有多长都可以保护电动机不受共模电压和dv/dt的损害。
    4）技术较复杂，所用功率元件多。

    3、国产化方案与途径

    根据我国工业的实际情况，并着眼于未来，多重化高压变频器性能好，效率高，无谐波污染，是我们开发高压变频器的理想方案。
    
    1）多重化高压变频器系统由高压进线柜、输入隔离变压器柜、功率单元柜、输出和控制柜组成。目前除控制部分外，大部分可国内生产、配套，因而可显著降低柜体的生产安装成本。
    2）其输入隔离变压器采用国产千式变压器，完全可以满足要求，且价格便宜。
    3）功率元件可立足于国内，以降低、控制整机成本。国内SCR、GTO生产技术己较为成熟，工艺稳定，价格合理。随着GTR、IGBT、IPM等电力电子器件的迅速发展，将为整机的开发生产创造更加良好的条件。
    4）功率单元为抽屉式，各功率单兀使用的是常见的低压器件，便于生产、测试及维护。

    总之，通过技术引进，选择合理方案，逐步实现国产化，是完全可能的，并可大大降低成本，节约外汇，同时推动我国电力电子技术和电气节能技术的发展。