作者：洪 云 張亦夫 合肥水泥研究設(shè)計院 
摘 要 該文按大功率變頻裝置的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對其控制方式、技術(shù)性能、適用的工況進(jìn)行系統(tǒng)分析，并就其在水泥廠的實施及選配進(jìn)行闡述。 
關(guān)鍵詞 “高-低-高”變頻器 “高-低”變頻器 “高-高”變頻器 三電平 單元串聯(lián)多電平 
0．前言 
隨著大功率變頻技術(shù)的發(fā)展，高壓變頻裝置已越來越多的被應(yīng)用于工況企業(yè)。近年來，由于節(jié)能降耗的需要，水泥企業(yè)一些大功率設(shè)備也開始采用變頻調(diào)速，如：用大功率變頻器取代傳統(tǒng)的液力耦合器對高溫風(fēng)機(jī)、直流裝置對回轉(zhuǎn)窯的調(diào)速，及閥門對大型風(fēng)機(jī)風(fēng)量的調(diào)節(jié)。但大功率變頻技術(shù)（尤其是高壓變頻）正在發(fā)展中，到目前為止還沒有像低壓變頻器那樣有近乎統(tǒng)一的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，工程技術(shù)人員對其認(rèn)識也在逐步成熟中。為了技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理地使用好大功率變頻裝置，下面將對其控制方式、技術(shù)性能及適用的工況進(jìn)行系統(tǒng)分析，并就其在水泥廠的使用、選配和應(yīng)注意的問題進(jìn)行闡述。 
1 大功率變頻器結(jié)構(gòu)形式 
大功率變頻器按主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為“高-低-高”式變頻器、“高-低”式變頻器、“高-高”式變頻器。“高-高”式又分為電流型、中性點鉗位的三電平電壓型和單元串聯(lián)多電平電壓型。 
其中：“高-低-高”式變頻器，由于兩側(cè)均需大型變壓器，損耗高，變頻系統(tǒng)啟動時負(fù)載能力將下降，諧波較大等缺點，使其發(fā)展受到限制。 
“高-高”電流型變頻器，一般為兩電平結(jié)構(gòu)，電動機(jī)承受的du/dt較大，且需均壓和緩沖電路，技術(shù)復(fù)雜，器件較多，裝置體積大，調(diào)整和維修都比較困難，功率因數(shù)較低，并隨負(fù)載變化而變化，不好補(bǔ)償，輸出諧波和共模電壓對電機(jī)的影響等問題，電機(jī)需降額使用和加強(qiáng)絕緣。其優(yōu)點是不需外加電路就可將負(fù)載的再生能量回饋電網(wǎng)。目前，主要應(yīng)用于超大功率場合。 
由于上述所敘原因，目前，水泥廠在大功率變頻器選用上，較少采用“高-低-高”式和高壓電流型變頻器，一般采用“高-低”式、三電平電壓型和多電平電壓型變頻器。 
（1） “高-低”式結(jié)構(gòu)中變頻器為低壓，電源輸入側(cè)采用變壓器將高壓變?yōu)榈蛪?。由于采用低壓變頻器，變頻器的容量受到限制，電動機(jī)需采用專門的變頻低壓電機(jī)，其電壓等級一般為690V，水泥廠800KW以下的設(shè)備采用這種結(jié)構(gòu)形式較多。但該類型變頻器一旦故障，電機(jī)不能投入工頻電網(wǎng)運(yùn)行，且產(chǎn)生的諧波較高。 
（2）中性點鉗位的三電平電壓型變頻器。其整流電路常采用１２脈沖或24脈沖二極管整流結(jié)構(gòu)，逆變部分采用IGBT或IGCT，在逆變器部分采用鉗位電路，解決了功率器件的串聯(lián)的問題，并使相電壓輸出具有三個電平。該變頻器的主回路結(jié)構(gòu)環(huán)節(jié)少，與二電平結(jié)構(gòu)相比，其逆變器件承受的電壓降低，輸出電壓波形也有較大的改善。 
三電平電壓型變頻器效率較高，動態(tài)性能較好，過載能力較強(qiáng)。其不足是雖然通過網(wǎng)側(cè)配置，可實現(xiàn)12或24脈沖整流，減少網(wǎng)側(cè)諧波，但du/dt仍較大，電動機(jī)電流總諧波仍可達(dá)１７％以上，所以一般需配特殊電機(jī)，若要使用普通電機(jī)，必須附加輸出濾波器。另外，其現(xiàn)在zui高輸出電壓只能做到4.16 KV，采用這種變頻器，必須采用變通的方法，改變電機(jī)的電壓或在輸出側(cè)加升壓變壓器，這是制約其使用的zui大問題。 
（3）單元串聯(lián)多電平電壓型變頻器。其采用多個低壓PWM變頻單元串聯(lián)的方式實現(xiàn)直接高壓 ,電網(wǎng)電壓經(jīng)過隔離變壓器降壓后給功率單元供電 ,單相變頻功率單元在輸出端串聯(lián)起來 ,實現(xiàn)變壓變頻的高壓輸出 ,直供高壓電動機(jī)。 
這種變頻器輸入側(cè)變壓器采用多相移位技術(shù)，輸出側(cè)采用多電平正弦PWM技術(shù)，諧波較低，在無輸出濾波器的情況下，就可使THD<1％，其單元串聯(lián)的數(shù)量決定輸出電壓的等級，所以它可適用于任何普通的高壓電動機(jī)。雖然采用這種結(jié)構(gòu)會使器件的數(shù)量增加，但由于驅(qū)動功率下降，開關(guān)頻率較低且不必采用均壓電路，系統(tǒng)的效率仍可達(dá)97%，功率因數(shù)可達(dá)0.95以上。另外，在某個功率單元出現(xiàn)故障時，可自動退出系統(tǒng)，而其余的功率單元可繼續(xù)保持電機(jī)的運(yùn)行，減少停機(jī)時造成的損失，便于冗余設(shè)計，技術(shù)上較成熟。 
其缺點是只能單象限運(yùn)行，不能進(jìn)行旁路切換，不能實現(xiàn)無熔斷器設(shè)計，器件的數(shù)量多，體積大，可靠性差。并且變壓器必須和變頻器集成在一起，使電氣室的空間和散熱成為問題。 
由于其他高壓變頻器受技術(shù)條件的局限，目前，在通用型高壓變頻器領(lǐng)域單元串聯(lián)多電平變頻器仍占優(yōu)勢。 
2 大功率變頻器在水泥廠的使用 
2.1 水泥廠大功率變器類型的選擇 
水泥廠需要變頻調(diào)速的大功率設(shè)備,主要是高溫風(fēng)機(jī)、回轉(zhuǎn)窯、立磨循環(huán)風(fēng)機(jī)、窯頭余風(fēng)風(fēng)機(jī)及窯尾排風(fēng)機(jī)等設(shè)備，這些設(shè)備功率一般在200KW以上，如按正常選型，一般采用電壓等級為6KV或10KV中壓電機(jī)，當(dāng)采用變頻調(diào)速時應(yīng)按下列方法匹配較為合適。 
回轉(zhuǎn)窯、窯頭余風(fēng)風(fēng)機(jī)及窯尾排風(fēng)機(jī)等設(shè)備一般功率在800KW以下, 如果調(diào)速采用中壓等級的變頻器，在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上是不太合理的，因為電壓的升高，變頻器的加工難度和造價都將大幅度增加。對這部分設(shè)備，應(yīng)采用“高—低”式結(jié)構(gòu)進(jìn)行變頻調(diào)速。即選擇690V（＞300KW電機(jī)）或380V低壓電機(jī)，變頻器選用低壓變頻器。這樣變頻器即使加上電機(jī)的成套費用，比采用高壓變頻方式還要低，而且技術(shù)成熟、維修使用方便，變頻器選擇范圍也較大。 
采用“高—低”結(jié)構(gòu)，應(yīng)注意諧波問題。因為低壓變頻器一般為6脈沖結(jié)構(gòu)，其諧波較高，可達(dá)40％以上，為防諧波對電機(jī)及設(shè)備的危害，應(yīng)選擇變頻電機(jī)，如功率較大時，應(yīng)考慮采用濾波裝置及諧波抑制措施。 
高溫風(fēng)機(jī)、立磨循環(huán)風(fēng)機(jī)等設(shè)備，功率較大，宜采用中壓“高—高”變頻器調(diào)速。若采用三電平電壓型變頻器，應(yīng)采用變通的辦法，用“高—中—中”的方式，即將輸入電壓降壓為3 ~4.16kV，電機(jī)選用3 ~4.16kV電機(jī)，使用3~4.16 kV的變頻器，采用這種方式，由于電動機(jī)電流總諧波仍達(dá)１７％以上，電機(jī)應(yīng)采用變頻電機(jī)，并應(yīng)考慮采用抑制諧波的手段。如采用單元串聯(lián)多電平電壓型變頻器，可直接選用6KV變頻器（盡量不用10KV等級），電機(jī)采用普通6KV電機(jī)即可，但應(yīng)注意空間和冷卻問題。 
在控制方式的選擇上,應(yīng)根據(jù)負(fù)載特性，以滿足使用要求為準(zhǔn)，以便做到量才使用、經(jīng)濟(jì)實惠。對于回轉(zhuǎn)窯類重負(fù)載啟動設(shè)備，其啟動時需克服巨大慣性，有較高靜態(tài)轉(zhuǎn)速精度要求，宜采用具有轉(zhuǎn)矩控制功能的變頻器，使其在低速運(yùn)行時具有直接轉(zhuǎn)矩控制，在正常運(yùn)行時具有恒功率控制特性。對高溫風(fēng)機(jī)、立磨循環(huán)風(fēng)機(jī)等設(shè)備，其成平方轉(zhuǎn)矩特性，即轉(zhuǎn)矩隨速度平方變化的負(fù)載，一般可選用通用型U/f控制變頻器（即VVVF變頻器）。 
2.2變頻器容量的合理選配 
變頻器容量選定過程，實際上是變頻器與電機(jī)的*匹配過程，zui常見、也較安全的辦法，是按變頻器生產(chǎn)廠家要求，即變頻器的功率應(yīng)大于或等于電動機(jī)額定功率的1.1倍。但水泥廠設(shè)備選型時，所選能力都比實際需要作了放大，拖動電機(jī)又在所選設(shè)備基礎(chǔ)上留有一定的裕量，這樣在實際運(yùn)行中，運(yùn)行負(fù)荷常常只有額定裝機(jī)功率的60~70%。所以合理的選擇方法應(yīng)以設(shè)備的實際運(yùn)行情況為基礎(chǔ)進(jìn)行計算和分析，決定變頻器的容量。這不僅能節(jié)省投資，而且本身也是一種節(jié)能降耗的措施。根據(jù)資料和經(jīng)驗，可按下列方法選配： 
(1) 電機(jī)實際功率確定法。首先測定電機(jī)的實際功率，以此來選用變頻器的容量。 
(2) 公式法。安全系數(shù)取1.05，則變頻器的容量為：Pb=1.05Pm/hm×cosy (kW) 
式中，Pm為電機(jī)負(fù)載，hm為電機(jī)效率，cosy電機(jī)功率因數(shù)。 
(3) 按電機(jī)的實際功率選擇變頻器，一定要注意：①電機(jī)加載后總的負(fù)荷電流不得超過變頻器的額定電流；②負(fù)載峰值電流不得超過變頻器的過載量。運(yùn)行經(jīng)驗表明，變頻器的容量zui小不得小于電機(jī)容量的65%。 
在下列情況下使用普通變頻器還須增大變頻器的容量，一般向上放大一檔：①起動時機(jī)械慣量較大的負(fù)載；②要求電動機(jī)頻繁進(jìn)行加、減速；③在希望的加減速時間內(nèi)，電機(jī)zui大電流大于變頻器的過載容量(當(dāng)l min內(nèi)達(dá)1．5倍額定電流時)。 
2.3 水泥廠變頻器使用時應(yīng)注意以下問題 
（1）使用環(huán)境。變頻器的額定容量是針對一定的使用環(huán)境而標(biāo)出的，變頻器工作溫度一般要求為0℃~55℃，控制在40℃以下，相對濕度應(yīng)控制在20％～90％。變頻器對環(huán)境溫度要求較高，同時它又是發(fā)熱量較大的設(shè)備，水泥廠在使用大功率變頻器時，在考慮降溫時，一定要考慮變頻器的發(fā)熱，一般按變頻器容量的3~4%的功率核算變頻器的發(fā)熱量。 
變頻器的額定電流是基于一定的海拔高度、額定電壓、額定載波頻率制定的，若超出規(guī)定，將造成變頻器降容使用。水泥廠在變頻器選型時應(yīng)按下述方法修正容量：當(dāng)海拔高度高于1Km時，每增加1Km, 變頻器額定電流應(yīng)相應(yīng)降低6%左右；輸入電壓每增加2%, 變頻器額定電流應(yīng)按4%向下降修正，載波頻率高于額定載波頻率時，也應(yīng)對額定電流作相應(yīng)修正。 
（2）變頻器的外部配置。為防止操作過電壓，變頻器與電機(jī)間不宜裝設(shè)接觸器；變頻器內(nèi)部整流電路前若沒有快速熔斷器，變頻器與電源之間應(yīng)外配符合要求的快速熔斷器，不能用空氣斷路器代替熔斷器。 
（3）設(shè)計施工時，變頻器配線應(yīng)該注意以下幾方面：①嚴(yán)禁將輸出端子接到工頻電源上，以免損壞變頻器。②至電機(jī)的連接電纜應(yīng)采用屏蔽電纜或鎧裝電纜（采用變頻電纜），穿金屬管敷設(shè)；截斷電纜的端頭應(yīng)盡可能整齊，未屏蔽的線段盡可能短；電纜的長度應(yīng)限制在各變頻器規(guī)定的距離以內(nèi)，為防諧波漏電流的影響，至電機(jī)的接地線應(yīng)直接連接到變頻器相應(yīng)的接地端子上，接地線不得與其他動力設(shè)備共用。③如變頻器由外部信號控制，控制線需要使用屏敝線，該線應(yīng)在變頻器側(cè)就近接地端子接地，在強(qiáng)干擾環(huán)境中，頻率控制信號可由電壓控制方式改為電流控制方式。④變頻器的各種接地在沒匯到接地匯流排前，彼此間應(yīng)絕緣，避免接地干擾。 
2.4 轉(zhuǎn)矩提升功能的選擇 
在采用VVVF通用變頻器時，應(yīng)注意轉(zhuǎn)矩提升曲線的設(shè)定，轉(zhuǎn)矩提升選得過小會使電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩不足，啟動困難；選得過大，電動機(jī)磁通飽和損耗將相應(yīng)增加。對啟動轉(zhuǎn)矩較大的負(fù)荷，轉(zhuǎn)矩提升曲線應(yīng)設(shè)定的大一點，對風(fēng)機(jī)類負(fù)載應(yīng)設(shè)定小一些。 

3 結(jié)束語 
水泥廠在大功率變頻器選型及技術(shù)方案的確定時，應(yīng)根據(jù)工況條件，選擇合適的變頻控制方案和實施方式，以取得*的經(jīng)濟(jì)使用效果。 
雖然一般高壓變頻器，采用了多相移位和12脈沖以上的整流技術(shù)，較大地減少了諧波成分，但由于功率較大，其對電網(wǎng)的電磁干擾不容忽視。變頻器使用時，應(yīng)對其電磁兼容性有正確的評估，以便達(dá)到理想的使用效果。