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關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速；功率調(diào)速；斬波內(nèi)饋；諧波
崔建生（1965-）
男，高級(jí)工程師，注冊(cè)電氣師，黑龍江省林業(yè)設(shè)計(jì)研究院熱電規(guī)劃設(shè)計(jì)院總工程師，主要從事火力發(fā)電廠、熱源廠、熱網(wǎng)換熱站、生物質(zhì)發(fā)電工程、風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目電氣、儀表及自動(dòng)化控制專業(yè)設(shè)計(jì)工作。
如今，隨著國(guó)家節(jié)能政策的漸漸深入人心，交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)邁進(jìn)以變頻調(diào)速為主導(dǎo)的發(fā)展階段，尤其在低電壓、中小容量電動(dòng)機(jī)調(diào)速上的應(yīng)用已經(jīng)被認(rèn)定為電力需求側(cè)的最佳節(jié)能設(shè)備，代表著今后電氣傳動(dòng)的發(fā)展方向。在這種信念的支配下，低壓變頻器在大、中容量電動(dòng)機(jī)調(diào)速上的應(yīng)用已不鮮見(jiàn)，單臺(tái)的最大功率段的應(yīng)用已經(jīng)達(dá)到220~560kW，隨之負(fù)面效應(yīng)漸漸出現(xiàn)。
1 變頻器諧波的危害
眾所周知，無(wú)論是VVVF控制、矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制的低壓變頻器輸入側(cè)均為整流回路，具有非線性特性，所產(chǎn)生的高次諧波使輸入電源的電流波形、電壓波形發(fā)生畸變；變頻器輸出側(cè)為一系列矩形波組成的脈寬調(diào)制的接近于三相正弦波形的交流電，輸出電壓和電流波形中均含有高次諧波。在交流電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速工況下，不僅變頻器內(nèi)部的電力電子器件產(chǎn)生熱損耗和風(fēng)扇運(yùn)行消耗電能，而且變頻器輸出側(cè)產(chǎn)生的諧波電流與諧波磁勢(shì)均能夠使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生脈動(dòng)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)而降低輸出轉(zhuǎn)矩，在電力電纜和電動(dòng)機(jī)的定、轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生銅損、鐵損及雜散損耗，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率下降、電動(dòng)機(jī)發(fā)熱、電力電纜發(fā)熱和增加線路損耗。尤其是低壓大、中容量電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速，上述諧波的影響將更為顯著，嚴(yán)重時(shí)將使電動(dòng)機(jī)和電力電纜的使用壽命明顯縮短。
變頻器的運(yùn)行效率僅見(jiàn)少數(shù)使用說(shuō)明書(shū)上有所標(biāo)示，例如艾默生變頻器說(shuō)明書(shū)注明的運(yùn)行效率為：45 kW及以下功率段的通用變頻器≥93%；55 kW及以上功率段的通用變頻器≥95%。通常，在變頻器上端都安裝有1至3個(gè)冷卻風(fēng)扇，以便將內(nèi)部電力電子器件散發(fā)的熱量及時(shí)排出。在大功率的變頻電控柜上，還應(yīng)當(dāng)考慮安裝柜內(nèi)出風(fēng)口冷卻風(fēng)扇。在變頻器輸出電力電纜超過(guò)80m或電動(dòng)機(jī)功率較大以及電源電壓波形畸變嚴(yán)重或電源變壓器容量較大時(shí)，變頻器還需要配置輸入、輸出和直流電抗器，不僅增加電力線路的電壓降（輸入電抗器壓降4.4V左右；輸出電抗器壓降9V左右），使電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩降低，而且也是變頻電控柜內(nèi)不可忽視的熱源。同時(shí)，變頻器的故障率也將隨之環(huán)境溫度升高而成指數(shù)上升，環(huán)境溫度每升高10℃變頻器使用壽命減半。
2 變頻調(diào)速與工頻電力傳動(dòng)的比較
資料表明，變頻調(diào)速與工頻電力傳動(dòng)比較，由于諧波的存在，電動(dòng)機(jī)的總損耗將增加約30%，電流約增加10%，溫升約提高20%。電動(dòng)機(jī)在低于額定轉(zhuǎn)速的變頻工況運(yùn)行狀態(tài)下，由于自冷風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的降低，冷卻風(fēng)量降低使冷卻效果下降，因此電動(dòng)機(jī)的過(guò)熱現(xiàn)象將更加嚴(yán)重。同時(shí)，由于諧波的影響，電動(dòng)機(jī)繞組上的電壓分布也變得很不均勻，再加上變頻矩形波的電壓變化率很高，極易發(fā)生繞組匝間短路事故。另外，諧波產(chǎn)生的噪音對(duì)電動(dòng)機(jī)繞組的絕緣也是一種破壞作用。隨著變頻器的大量投入運(yùn)行，由于諧波污染日益加重，不僅嚴(yán)重地影響電能質(zhì)量，降低電能傳輸和利用效率，而且電動(dòng)機(jī)和供電變壓器的發(fā)熱情況也日漸明顯暴露，甚至在額定電流下運(yùn)行時(shí)也能夠超過(guò)容許溫升，危及電氣設(shè)備運(yùn)行的安全可靠性。
變頻器在選擇輸出電力電纜時(shí)，如果按工頻電源供電條件選擇規(guī)定截面積的電力電纜，由于電纜內(nèi)含有諧波電流分量，則產(chǎn)生附加銅損和雜散損耗使其發(fā)熱量明顯增加；若選擇大一檔橫截面積的電力電纜時(shí)，則電纜對(duì)地電容增大使其對(duì)地漏電流增大，截面積每增加一檔，變頻器輸出電流應(yīng)降低5%的額度使用。
3 變頻器諧波的量化、污染與治理
上述諧波的影響，對(duì)于200 kW及以下功率段的的變頻調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，雖然還不夠十分明顯，但是對(duì)于220 kW及以上功率段的變頻器來(lái)說(shuō)，其影響決不可低估。例如日本三菱公司的A240系列變頻器，在額定電壓400V時(shí)：額定功率220 kW時(shí)，基波電流355A；額定功率250 kW時(shí)，基波電流403A；額定功率280 kW時(shí)，基波電流450A。可見(jiàn)諧波電流所占份額之大，必然通過(guò)變頻器輸入側(cè)電源線、輸出側(cè)電纜線和接地線向空間輻射與沿線路干擾接在同一電源的電氣設(shè)備。特別是空間輻射對(duì)臨近的通訊設(shè)備、計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)與信號(hào)線均產(chǎn)生不同程度的影響，嚴(yán)重時(shí)將使受干擾的設(shè)備不能工作。
目前，雖然有源或無(wú)源濾波器能夠補(bǔ)償高壓或低壓變頻器產(chǎn)生的諧波電流，并且已經(jīng)有通用系列化的小功率產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)，但是畢竟是只能治標(biāo)而不能治本,況且濾波器本身也要消耗一定的電能，同時(shí)還引發(fā)一些新的問(wèn)題。問(wèn)其根本的原因，均為濾波器和變頻器內(nèi)的逆變器高速開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)，產(chǎn)生的電壓或電流的急劇變化引起的負(fù)效應(yīng)所致。
4 對(duì)于大、中容量電力傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用變頻器的幾點(diǎn)建議
如上所述，可見(jiàn)變頻器的諧波問(wèn)題必須從源頭控制或治理，但是自從變頻器誕生以來(lái)，有關(guān)諧波問(wèn)題卻沒(méi)有從源頭得到根本地解決，更沒(méi)有從電動(dòng)機(jī)與變頻器一體化的設(shè)計(jì)理念來(lái)比較徹底地解決這些讓人們困惑的問(wèn)題。因此，為了從源頭降低上述諧波電流對(duì)電網(wǎng)、鄰近用電設(shè)備、通訊電纜以及變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)與其輸入、輸出電力電纜的影響，本文對(duì)于大、中容量電動(dòng)機(jī)的工頻電力傳動(dòng)或變頻傳動(dòng)系統(tǒng)，在選擇技術(shù)設(shè)計(jì)方案時(shí)，提出下述幾點(diǎn)建議：
(1) 對(duì)于大中容量電力傳動(dòng)應(yīng)用系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，首先應(yīng)當(dāng)考慮選擇高壓電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)負(fù)荷，以便降低電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行電流。表1為相同容量280kW的0.4kVY355L1-4系列低壓三相異步電動(dòng)機(jī)與6kVY系列中型高壓三相異步電動(dòng)機(jī)應(yīng)用的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較表。
表1 三相異步電動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)指導(dǎo)比較表:
從表1可見(jiàn)，若選用低壓電動(dòng)機(jī)時(shí)，不僅線路損耗、電動(dòng)機(jī)銅損和鐵損增大，而且電力電纜投資十分可觀和故障率也將高于同容量的高壓電動(dòng)機(jī)，同時(shí)還需要配置一臺(tái)電力變壓器提供低壓電源，增加占地面積和基建投資；但要選用高壓電動(dòng)機(jī)時(shí)，不僅線路損耗、電動(dòng)機(jī)銅損和鐵損顯著減少，而且高壓電力電纜投資和故障率相對(duì)明顯降低，更不需要配置電力變壓器提供低壓電源，增加不必要的基建和安裝費(fèi)用。
(2) 對(duì)于大、中容量的風(fēng)機(jī)和水泵的調(diào)速系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，在要求調(diào)速范圍不寬和調(diào)速精度不高的工況下，建議選用高壓內(nèi)饋斬波調(diào)速系統(tǒng)，其中包括交流功率調(diào)速器和斬波內(nèi)饋調(diào)速電動(dòng)機(jī)。目前，國(guó)產(chǎn)6-10kV的YQT系列內(nèi)饋調(diào)速電動(dòng)機(jī)和ZNT-2000型斬波內(nèi)饋交流功率調(diào)速控制裝置的技術(shù)性能指標(biāo)：調(diào)速范圍為（60%-100%）的額定轉(zhuǎn)速；起動(dòng)電流為（2.5~3.0）倍的額定電流；控制方式具有開(kāi)環(huán)和閉環(huán)兩種控制功能，數(shù)字化調(diào)節(jié)給定參數(shù)，可方便地實(shí)現(xiàn)壓力和流量的閉環(huán)控制。該系統(tǒng)與高壓變頻器調(diào)速系統(tǒng)比較的最大優(yōu)點(diǎn)是控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的電磁功率達(dá)到調(diào)速目的，因此高壓電動(dòng)機(jī)的交流功率調(diào)速控制裝置不僅電壓低、功率小以及電動(dòng)機(jī)定子電流的諧波含量少，而且設(shè)備投資少、節(jié)能效果十分顯著、電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩相對(duì)比較穩(wěn)定以及對(duì)電網(wǎng)、鄰近的電氣和通訊設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾必然大幅度地降低。高壓變頻器與功率調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較詳見(jiàn)表2。
表2 高壓變頻器與功率調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較表:
(3) 對(duì)于大、中容量的電力機(jī)車(chē)、船舶、軋鋼、起重和造紙等行業(yè)的電力傳動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，不僅有調(diào)速的要求，還有負(fù)荷動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、穩(wěn)態(tài)精度高和低速力矩大等苛刻條件的要求。目前，國(guó)外幾家知名的變頻器生產(chǎn)廠商生產(chǎn)的高性能、大容量高壓變頻器已經(jīng)具備有比較成熟的技術(shù)，但是產(chǎn)品價(jià)格普遍存在著極其昂貴的問(wèn)題，還有些不適合國(guó)情的問(wèn)題，例如技術(shù)資料、培訓(xùn)和售后技術(shù)服務(wù)工作不到位等；而國(guó)內(nèi)該產(chǎn)品的技術(shù)雖然處于研究階段，但是已經(jīng)有20余家企業(yè)具備大、中容量的高壓變頻器的生產(chǎn)能力，國(guó)產(chǎn)品牌占到國(guó)內(nèi)市場(chǎng)份額的30%以上，只要在體制改革、人力資源調(diào)動(dòng)、資金投入、生產(chǎn)管理以及經(jīng)營(yíng)決策等方面走上軌道，國(guó)產(chǎn)大、中容量的高性能高壓變頻器的技術(shù)必然能夠迎頭趕上。因此建議在上述電力傳動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)中，用戶應(yīng)當(dāng)根據(jù)各自的具體條件和選擇原則來(lái)確定首選對(duì)象。
5 結(jié)束語(yǔ)
綜上所述，對(duì)于大、中容量的電力傳動(dòng)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，如果從節(jié)能和節(jié)約資源的理念出發(fā)考慮問(wèn)題，無(wú)論是調(diào)速或是非調(diào)速的電力傳動(dòng)系統(tǒng)，都應(yīng)該優(yōu)先選用高壓電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)負(fù)荷，才能稱之為比較完善的技術(shù)方案。
北京市公安局海淀分局備案號(hào)：11010802023656號(hào)