《1 问题的提出》

1 问题的提出

我国发电总量60 %以上是通过电动机消耗的, 其中一半以上用于各种风机和泵。以调速传动代替原有的不调速传动, 通过改变转速来调节流量和压力, 取代传统的用风挡和阀门调节的方法, 平均可节电30 %左右, 估计全年可节电数百亿千瓦小时。此外调速传动还可改善锅炉燃烧, 节约大量燃料。

现在许多中小功率 (<200 kW) 的风机和泵采用低压IGBT变频调速传动, 取得很好效果, 正大量推广。200 kW以上的大中功率风机和泵传动量很大, 用电量占整个风机和泵用电量的大部分, 节电潜力巨大, 但由于变频器价高, 采用调速传动的很少, 只有少量试点。

200 kW以上大中功率传动中各功率段占的市场比例示于图1。0.2~2 MW占55 %, 2~5 MW占22 %。文本着眼于这两个功率段、特别是0.2~2 MW功率段的变频问题。

我国现有的交流电动机, 200 kW是个界线, 200 kW以下是低压380 V, 200 kW以上是中压3 kV、6 kV和10 kV。电力部门从减小线损角度出发, 希望提高供电电压, 3 kV级已取消, 6 kV正在淘汰中, 大力推行10 kV供电, 将来有可能提高至20 kV。用户从简化配置出发, 很自然地希望200 kW以上的电机和变频器也都是10 kV的。不幸这合乎情理的要求技术上难以实现, 经济上价高, 特别是在0.2~2 MW功率范围内。原因是:

1) 10 kV电机从电机制造角度来看并不困难, 但随电压升高, 绝缘等级提高, 电机质量加大、价格上升。以YJS系列、四极560 kW电机为例, 380 V的净重3 650 kg, 价格11万元;6 kV的3 900 kg, 15万元;10 kV的4 360 kg, 20万元。

《图1》

图1 200 kW以上传动的市场分布 Fig.1 Market of drives (>200 kW)

图1 200 kW以上传动的市场分布 Fig.1 Market of drives (>200 kW)   

2) 受电力电子器件电压[1]及电机允许的dv/dt限制, 10 kV变频器必须多电平、多器件串联, 造成线路复杂, 价格昂贵, 可靠性差。若使用1 700 V IGBT器件, 需10串、三相共120个器件。若使用3 300 V IGBT器件, 需5串、60个器件, 数量巨大。另外, 电机额定电流小, 器件的电流能力得不到充分利用。仍以560 kW为例, 电机额定电流仅40 A左右, 现1 700 V IGBT电流已可达2 400 A, 3 300 V IGBT电流可达1 600 A, 有大器件不能用, 偏要用大量小器件串联, 极不合理。即使电机功率达2 MW, 额定电流也只有140 A左右, 仍很小。

为了电平隔离及改善输入电流波形, 减少谐波, 现有的中压变频器 (1~10 kV ) 都在输入侧装有输入变压器, 这种安排短时内不会改变。既然输入侧有变压器, 变频器和电机的电压就没有必要和电网一样, 非用10 kV不行。因此就出现变频器和电机的合理电压等级问题。这就是本文讨论的内容。主要涉及三个问题:一是中压变频器和低压变频器;二是中压变频器的电压等级;三是旁路问题, 许多用户希望在变频器出现故障时, 电机能直接接电网工作, 即旁路工作。10 kV电机接10 kV电网, 没有问题。为了变频器合理, 电机电压和电网电压不一样时如何也能旁路工作是待解决的一个大问题。

本文讨论基于现在电力电子器件水平。随器件水平提高, 情况将随之变化。文中涉及的观点均为笔者个人观点, 仅供参考。文中涉及的一些价格, 均为作方案比较用的价格, 不是实际购物价格。由于资料有限, 这些价格可能误差较大, 仅供参考。

《2 中压变频和低压变频》

2 中压变频和低压变频

我国目前200 kW以上的风机和泵多用中压电机拖动, 在考虑变频调速方案时自然希望200 kW以上采用中压变频。以200 kW作为中低压分界是否经济合理是本文讨论的第一个问题。

过去以200 kW分界是考虑电机直接起动, 起动电流为额定电流的7~8倍, 10 kV/380 V电力变压器最大容量为2 000 kVA左右, 短路阻抗6 %左右, 起动时低压母线压降将限制在5 %左右。再加大变压器容量, 短路电流太大, 低压开关难以承受。采用变频调速后起动电流被限制在额定电流内, 中低压分界条件也应随之变化。西门子公司认为中压分界以800~1 500 kW为宜。对于调速性能要求不高、而经济性要求高的风机和泵类设备, 考虑到电缆截面和根数、安装尺寸及损耗等因素, 800~1 200 kW可能更好一些;对于调速性能要求高的设备, 功率可大一些, 因为低压变频更成熟, 工艺控制用的选件多。

常用的低压及中压变频器主回路结构如图2所示[2], 其中a为两电平线路 (TWL) , 用于低压;b为三电平线路 (THL) , 用于中压; c为分离直流电源多重化线路 (SDM) , 也用于中压, 图中下标n为单元串联数。比较三种线路可以看出, 低压变频线路比中压简单得多。

《图2》

图2 低压及中压变频主电路 Fig.2 Low and medium voltage inverters

图2 低压及中压变频主电路 Fig.2 Low and medium voltage inverters  

现在变频器用的开关功率器件主要是IGBT。低压IGBT电压为1 200 V、1 700 V, 电流为800~2 400 A;高压IGBT电压为3 300 V (已开发出4.5 kV及6.2 kV产品, 但尚未工业实用) , 电流为600~1 200 A。在选用器件时一般电压裕量为2左右, 电流裕量为1.6~2。表1列出了380 V、660 V及2.3 kV三种变频器使用的功率器件及变频器估计价。从表中看出:

1) 低压变频器 (TWL) 使用低压IGBT, 器件便宜, 400 kW以下IGBT器件不并联, 每台变频器有6个IGBT, 1个整流桥。400 kW以上为IGBT 2并, 每台变频器有12个IGBT, 1个整流桥。主回路功率器件少, 价格低, 功率越大每千瓦价越低:380 V变频器大约为900元/kW (400 kW以上) ;660 V变频器大约700~800元/kW;400 kW以上时660 V比380 V更合算一些;380 V, 800 kW以上及660 V, 1 300 kW以上为两变频器柜并联, 就不合算了。

表1 380 V、660 V及2.3 kV变频器用功率器件及变频器估价表 (未含进线变压器价) Table 1 380 V, 660 V and 2.3 kV inverter devices and inverter prices

《表1》

输出电压
/V		输出功
率/kW		输出电
流/A		IGBT整流桥
数量		钳位二极
管数量		变流柜估计
价格/万元		备注
规格数量
2505101 200 V, 1 200 A, 不并6120
4006901 200 V, 1 600 A, 不并6135
380
(TWL) 		6301 1001 200 V, 1 200 A, 2并12152
7101 3001 200 V, 1 800 A, 2并12167
>8002台变频器并联
2502971 700 V, 800 A, 不并6122
4004521 700 V, 1 200A, 不并6132
6606306501 700 V, 1 000 A, 2并12148
(TWL) 8008601 700 V, 1 200 A, 2并12157
1 0001 0801 700 V, 1 800 A, 2并12168
>1 3002台变频器并联
6302003 300 V, 600 A122690
2 300
(THL) 		1 3004003 300 V, 1 200 A1226140
2 0006003 300 V, 1 600 A1226160
3151001 700 V, 300 A24660每相2桥串联
2 300
(SDM) 		6302001 700 V, 600 A24690每相2桥串联
1 3004001 700 V, 1 200 A246140每相2桥串联

2) 2.3 kV中压变频器是中压领域最低的电压等级, 器件串联数少。以它为代表与低压变频器比较, 来划分中压和低压的界线。2.3 kV THL中压变频器使用3.3 kV IGBT, 器件贵, 每台变频器12个IGBT, 2整流桥, 6钳位二极管, 功率器件数多。它的功率范围大致为630~2 000 kW, 功率越大, 每千瓦价格越低。630 kW时比低压高, 大于2 000 kW时价格低于低压变频器。

3) SDM中压变频器使用低压IGBT器件, 2.3 kV装置两个IGBT桥串联, 共需24个1 700 V IGBT, 6个整流桥。它用的器件类型虽然与低压变频器相同, 但数量多。另外进线电源变压器需特殊的多副边移相干式变压器, 也比低压变频器用的普通变压器贵。

变频器输入波形的dv/dt对电机安全运行影响很大, THL线路使用3 300 V IGBT, 在器件开关过程中产生1 800 V左右的电压突变, dv/dt高, 一般在变频器输出侧需加装正弦波滤波器, 大约增加20 %的价格。660 V低压变频和SDM中压变频都用1 700 V IGBT, 在器件开关过程中产生900 V的电源突变, 二者dv/dt相同, 都只有THL的一半。低压电机本身绝缘水平较低, 使用660 V变频器时最好加装dv/dt滤波器。

针对每个具体项目, 在决定选用低压还是中压变频器时, 除考虑上述因素外, 还要考虑安装面积、电缆长度以及安装方便等因素。

《3 中压变频器的电压等级》

3 中压变频器的电压等级

本文前面已经说明, 由于有输入侧变压器, 中压变频器和电机的电压不必和电网一致。电压等级究竟多大合适?国外中压变频器的电压等级有2.3 kV, 3或3.3 kV, 4.16 kV, 6或6.6 kV, 10 kV。其中10 kV的很少用, 主要是前4级。

中压变频器用的电力电子器件高压IGBT或IGCT的电压等级是3.3 kV, 4.5 kV和6 kV。对于THL中压变频器, 器件承受的实际电压最大值

Vmax=2Vm3×1.15   (1)

式中 Vm—电机额定电压;1.15—引入三次谐波后变频器输出相电压幅值降低的系数。

器件电压

Vdev=ΚVmax   (2)

式中:K≈2, 为电压裕量。

对应于各电网电压等级的器件电压列于表2。

表2 THL变频器器件电压 Table 2 Device rated voltage of THL inverters

《表2》

输出电压/kV2.33 (3.3) 4.166 (6.6)
器件电压/kV3.34.569

现工业用高压IGBT电压为3.3 kV, 正好用于2.3 kV变频器, 该器件电流为600~1 600 A, 用于变频器可输出电流200~600 A (有效值) , 容量800~2 400 kVA (630~2 000 kW) 。对于3 kV (3.3 kV) 和4.16 kV的变频器, 现在用2个3.3 kV IGBT串联, 器件数量增加1倍, 价格也增加很多, 少用为宜。对于6 kV (6.6 kV) 变频器, 需3个IGBT串联, 技术尚不过关, 应避免用。现在工业用IGCT电压已达4.5 kV和6 kV, 正好用于3 kV (3.3 kV) 和4.16 kV变频器, 器件不串联, 数量少。4.5 kV和6 kV的IGBT也已试制出, 不久将用于工业装置, 到那时再推荐3 kV (3.3 kV) 和4.6 kV的IGBT变频器较合适。

SDM中压变频器用低压1 700 V IGBT, 每功率单元输出最大电压800~900 V, 故变频器输出电压每增加1 000~1 100 V, 单元串联数n就要加1, 增加3个单元, 12个IGBT, 3组整流桥。各电压等级所需的单元串联数n及器件数见表3。

表3 SDM变频器单元串联数n及器件数 Table 3 Amount of device and cells in series of SMD inverters

《表3》

输出电压/kV2.33/3.34.166/6.610
单元串联数n234610
IGBT数量24364872120
整流桥数量69121830

从原理上说SDM通过单元串联, 变频器输出电压不受器件电压限制, 可以较高。但提高电压的代价是器件数大量增加和可靠性降低。变频器的价格是按单元数来计算的, 对于同样输出功率的变频器, 使用较高电压、较多单元所花的代价大于用较低电压、较少数量、电流较大单元的代价。也就是说在单元电流允许条件下选用尽可能低的电压等级, 例如同样1 000 kVA变频器, 选用6 kV, 100 A装置比选用3 kV, 200 A装置贵15万元左右。

《4 变频器旁路》

4 变频器旁路

变频器旁路指在变频器出现故障时将电机直接接入电网, 恒速工作。如果电机电压和电网电压一致, 旁路不成问题。为了降低变频器造价, 电机电压低于电网电压后, 如何旁路, 是这里所要讨论的问题。

《图3》

图3 THL变频器旁路接线 Fig.3 By-pass of a THL inverter

图3 THL变频器旁路接线 Fig.3 By-pass of a THL inverter  

如果采用低压变频, 变频器输入交流电压与额定输出电压一样, 电机可以绕过变频器直接接低压380 V或660 V电源。

如果采用THL中压变频, 可以把输入变频器两副边串联起来向电机供电, 参见图3。当三个转换开关接“1”时, 变频器工作;当三个开关接“2”时旁路, 输入变压器的两组副边线电压各等于1.05Vm/2 (Vm为电机额定输入电压) , 并互差30°, 把它们串起来后电压为1.05 Vm cos 15°=1.01 Vm, 正好供电机恒速工作。

如果采用SDM变频器, 输入变频器副边太多, 无法通过改变接线来旁路变频器, 只能旁路出故障的单元, 经触点将故障单元输出短路, 单元中IGBT封锁。在这类变频器设计时已考虑了旁路单元的工况。如果一定要旁路变频器, 只能另加一台备用降压变压器, 这对于在一个电网上挂有多套变频器时是合理的。

设计旁路电路时需注意校验电机直接起动时的起动转矩。例如变压器短路阻抗为6 %, 容量为1.1倍变频器容量, 电机起动电流为7倍, 则电机起动电压为0.72 Vm, 起动转矩为0.52倍额定起动转矩, 它应大于负载转矩。若起动转矩不够, 只能加大变压器容量或选用小短路阻抗变压器。

《5 结论》

5 结论

1) 大中功率风机和泵传动功率在200 kW以上, 其中大部分在0.2~2 MW范围中。采用变频调速可节约大量电能。

2) 我国目前200 kW以上电机多是中压电机, 现行中压电网多为10 kV, 选用10 kV直接变频从技术和经济角度看都不大合理。

3) 由于隔离及减少电网污染的需要, 中压变频器输入侧都有变压器, 因此电机和变频器电压没必要和电网一致, 可以低于10 kV。

4) 800~1 200 kW以下的变频调速宜选用低压380 V或660 V电机及变频器。

5) 1 000~1 300 kW以上的中压变频宜在器件电流允许条件下, 选用尽可能低的电压等级, 如2.3 kV, 3 kV, 4.16 kV及6 kV等。

6) 在电机电压低于电网电压情况下, 也可以在变频器故障时, 实现旁路工作。