面向高压电动机的高低压变频调速集成技术.docx

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面向高压电动机的高低压变频调速集成技术

面向高压电动机的高——低压

变频调速集成技术

电力电子技术是先进制造技术的重要支撑技术之一。

它由电力（强电）、电子（弱电）与控制技术交叉复合而成的，被当代誉为“节能之冠”和“节电之魁”。

电力电子的核心技术是变频技术。

变频技术的重点是高压变频调速技术应用。

1997年颁布的《中华人民共和国节约能源法》中规定，要大力推广“电力电子节电技术”和“电动机调速节电技术”。

针对高压电动机实施变频则是我国暨我省节能技术措施的重中之重。

“面向高压电动机的低压变频调速集成技术”，系具有我国自主知识产权的专利技术。

它与国内外高压电动机专用高压变频调速产品对比，具有效率高、功率因数高、可靠性高、高次谐波低、成本低、投资回收期短、施工周期短等特点。

（一）技术简介与应用领域

面向高压电动机的高一压变频调速集成装置，是一种通过改变高压电动机相间绕组、极间绕组和极内线圈连接结构的，保留高压操作且低压运行的变频调速专利技术。

适用于正在现场运行的量大面广的高压（3—10KV）、中大容量（110—1500KW）电动机。

这一功率范围的高压电动机约占全部高压电动机数量的95%、容量的80%以上。

适用的领域主要有：

电力、热力、石油、化、冶金、机械、建材、自来水等行业。

（二）内外高压电动机变频技术现状

目前，国内外对高压电动机所采用的变频调速方案主要有以下几种：

一是传统的高—低—高压型，它通过两台变压器先将高压变为低压，再将低压变频器输出的低压变为高压，提供高压电动机变频调速。

其缺点是升压变压器在变频工况下，效率低、功率因数低、成本高，且占地面积大。

二是高—高压型，它通过单支或者多支高压变频器件串联方式，实现高压直接转换。

其缺点是单支高压变频器件成本很高，而且受耐压条件所限，其额定工作电压以3-4.5KV居多；而多支高压变频器件串联的变频装置可靠性较差，造价很高。

三是多重化型，它通过一种特制的变压器将高压电降为不同电角度的低压电，经多台低压变频器再叠加成高压电。

其优点是输出波形更接近于正弦，高次谐波较低（其电压总谐0.4%用元器件数量是普通低压变频器的十多倍，故障概率增大，成本较高。

四是低压型。

即采用低压供电，改用普通低压电动机实现低压变频调速。

然而低压变频器高次谐波较大（近5%），国家标准要求6~10KV电网不超过4%。

况且，国外通常采用变频调速专用电动机方案，成本较高；国内采用普通低压电动机，虽然成本较低，但普通低压电动机的绝缘又脆弱，长期在脉冲频率下运行将加速绝缘老化，甚至发生击穿或烧毁事故。

而且，同等容量的低压电动机的机座一般要比高压电动机座小一号，势必因底座尺寸小且轴中心高度低不得不重打地基或者另加底座，还因轴径细而需要更换对轮等；若换成低压变频调速专用电动机，不仅造价太高，而且同等容量的低压变频调速专用电动机的机座则比高压电动机座大一号，势必因底座尺雨大且轴中心高度高也得重打地基或者给水泵添加底座，还因轴径粗而需要更换对轮，以至影响机组的动平衡，给现场改造带来不小的麻烦！

此外，容量超过500KW的低压电动机，因受绝缘导线截面积和绕线工艺所限，难以制造。

五是内反馈型。

它是传统的串级调速类型的一种，不论内反馈（国外称克拉默方式）还是外反馈（国外称谢比乌斯方式），都是基于绕线电动机（亦称滑环电动机）的晶闸管（俗称可控硅）变频调速方式。

从传统的直流调速（因整流子和滑环维护不便），发展到（交流）绕线电动机串级调速（其滑环仍存在维护问题），又发展到（交流）笼型电动机变频调速（维护极为简便），这就是电动机调速的发展史。

内反馈型曾经起到了历史性的进步作用；但在高、低压笼型电动机变频调速技术业已成熟，价格大幅度下降，变频器已从第一代晶闸管，第二代GTR、GTO，发展到第三代IGBT、IGCT的今天，基于绕线电动机的内反馈型晶闸管变频方式已经落后了。

况且，同等容量的内反馈调速专用电动机的机座也比原高压电动机座只少大一至两号，势必因底座尺寸和轴中心高度问题而需要重打地基，还得更换对轮，甚至更换水泵，施工周期也长。

此外，内反馈方式还存在先天性的高次谐波大（约5%，超过了国标限度值），功率因数低（加上补偿电容器和斩波高速也不过0.9），调速频率不能超过50HZ，逆变器易遭颠覆等缺欠。

特别值得指出的是，对于大量运行中的高压电动机来说，将其淘汰更换成别种电动机，确实是一种资源的浪费。

因为高压电动机以其绝缘强度高和坚固耐用而著称，而且内风冷量较大，具备甚至超过变频调速专用电动机的一些特点。

（三）高—低压变频技术特点

该项变频技术方案，即针对前述国内外高压电动机变频调速技术方案存在的问题，提供一种基于高压电动机的、简便的高—低压变频调速集成技术及其装置。

该项专利技术包括“高—低压变频调速集成装置”（中国专利号：

ZL97205360.3，见图1）和“面向高压电动机的高—低压变频调速集成装置”（专利申请号：

02274200.X，见图2）。

其中ZL97205360.3专利技术，早在94年已被国家经贸委列为全国重点新技术推广示范项目。

1997年通过了国家经贸委委托辽宁省经贸委组织的专家验收；并通过了辽宁省科技厅组织的专家评审。

2002年9月，02274200.X号专利技术通过了辽宁省城镇自来水协会组织的专家评审。

图1.高—低压变频调速集成装置（专利号：

ZL97205360.3）电气原理图

图2.面向高压电动机的高—低压变频调速装置（专利申请号：

02274200.X）电气原理图

该装置系由多功能降压变压器T、低压高可靠变频器LF、高压电动机HM通过绕组联接结构变化改制而成的变频调速电动机HM，以及工频/变频切换开关Ct、Cf、Cw等高可靠设备所集成。

如图1所示。

其装置特点：

1.高压（3—10kv电动机通过改变相间绕组连接结构（Y形、△形、延边三角形）、极间绕组连接结构（串联、并联支路）和极内线圈连接结构（串联、并联回路），以适宜低压（400V—750V）变频调速。

2.改制后的电动机需要的变频电压，一般不再是常规的低压动力制式。

它是通过特制的降压变压器T将高压降至所需要的低电压，经与之电压范围相匹配的低压变频器LF提供变频电源。

鉴于低压变频器的高次谐波一般多接近于5%，而国家标准GB/T14549《电能质量公用电网谐波》针对6—10kv用电设备高次谐波的限定值为4%。

该专利将变压器绕组至少一侧开放式Y形结构改为带有闭合回路的延边三角形（即部分△）结构，直至全封闭式△结构，用于吸收变频过程中的高次谐波。

故可将高压侧的高次谐波降至1.6%以下。

3.原高压开关柜保留且操作方式不变，利用其工频减压启动装置（如交流电搞器，启动补偿器等），可保护变频器免受滤波电容器过充电流冲击，高压柜合闸后即可由现场的变频控制柜实施低压启/停、变频调带、开环/闭环操作。

4.适合多种控制模式。

既可为DCS（分布式计算机控制系统）提供模拟控制接口，又能为FCS（现场总线控制系统）提供数字控制接口；既能现场控制，又能远程控制；还可实现恒压（力）/变压（力）控制，恒（流）量/变（流）量控制，手控/自控切换，变频/工频切换，短时升频超速等多种运行模式。

技术规格：

输入电压：

3相3—10kv±10%；

输出功率：

110—1500KW；

输出频率：

0—55HZ；

效率：

≥95%；

功率因数：

≥0.94；

电压总谐波：

小于2%（国家标准GB/T14549—93《电能质量公用电网谐波》限定值为4%）；

启动模式：

变频软启动，启动电流不超过额定电流；

变频运行模式：

变频/工频切换，手控/自控切换；

水压控制模式：

变压/恒压切换，变流/恒流切换，自动控制水压精度±0.2‰；

控制接口：

模拟输入接口：

0（4）—20mA，0—5、0—10V；数字输入接口：

RS485通信接口和RS232计算机接口。

（四）实用案例分析

自1997年起，该项技术先后在抚硕石油一厂（两台6kV、220KW锅炉引风机和一台6kV、220KW循环水泵）、北京三力水泥厂（6KV、250KW炉窑引风机）、营口市自来水总公司三水厂（3KV、230KV供水泵）、新疆盐湖化工厂（10KV、500KW采硝水泵和250KW液压泵等应用，均取得预期效果。

（五）英威腾变频器介绍

深圳市英威腾电气有限公司是集电力电子产品开发、生产、销售于一体的高新技术企业。

其主要产品英威腾变频调速器是由多名十多年致力于变频器软硬件开发的变频技术专家，在吸收国外先进水平的基础上，结合近十年的变频推广应用经验和当今电力电子控制的最新技术和器件而开发生产的变频调速器，其产品具有应用简单，功能齐全，性能稳定特点。

　　英威腾变频器自推出市场以来，已在石化、钢铁、水泥、油田、化工、纺织、烟草造纸、啤酒饮料、环保设备、给水、印刷机械、塑料、包装机械、矿山、港口机械、粮食机械等众多行业成功应用。

其调速性能好、运行稳定、节能效果显著、保护功能齐全、超强过载能力及对冲击性负载具有良好的电流抑制，受到用户的广泛赞誉，是目前性能、价格比最优的变频器品牌。

　　公司拥有独立知识产权的以下六个系列产品：

　　INVT-G9通用型变频器

　　INVT-P9风机水泵专用变频器

　　INVT-V9矢量控制变频器

　　INVT-H9中频及重载变频器

　　INVT-ZS5注塑机节能一体化变频柜

INVT-ZS7注塑机专用变频器

INVT-B5制动单元

INVT-BF5能量回馈制动单元

　　产品涵盖220V、380V、660V、1145V电压等级。

同时，公司还提供用户化变频调速器,源及共用直流母线传动调速系统。

我们以“质量为基础，市场为导向，人才为核心”，坚持“立足国情，实实在在”的为用户提供电气传动和节能技术服务。

产品优势：

价格优：

同类产品价格性能比最优

过载能力强：

过载180%30秒；200%15秒；瞬时过流达250%

电压适用范围广：

220/380/690/1140V电压允许波动范围±15%

防冲击：

具有快速自动抑制能力，确保在加速过程中及冲击性负载下不发生过流、不跳脱。

变频器主要技术特点

快速的电流限制能力

将矢量控制中的速度和电流算法用在通用变频器中，通过多种算法抑制变频器输出过电流，能承受250%额定冲击电流，并可在50HZ时直接起动电机而不发生过流保护。

目前只有进口高档变频器能达到这种水平，在国产变频器中处于领先水平，保证在任何负载之下能稳定运行。

具有独特的短路保护技术，其短路保护时间在4.3us。

先进的PWM优化调制算法

英威腾变频器所独有的PWM优化调制方法可大大减少谐波电压，功率模块的开关损耗减少三分之一以上，提高了产品的稳定性，减少对外干扰和整机温升，大大提高了模块及整机的寿命。

自动节能运行功能

在负载比较稳定的系统中，变频器通过计算，自动调节输出功率，使电机工作在最高佳效率的励磁状态下工作，提高节能4%~8%。

内置PI调节、PLC功能，定时器计数器功能

完全替代传统的PI调节，使用更方便、灵活。

可编程设置八段速度的运行时间，运行方向，更为灵活的运行模式，可用外部端子控制程序运行的运行方式。

RS485通讯

采用通用稳定的MODBUS数据接口协议，用户编程更加方便，可进行多达31台变频器联网，构成远端集成控制网络。

输入输出控制端子可编程

端子功能特别丰富，用户可开发更好的使用方法。

脉冲及电流信号输入专用接口

提供2路15V以下光电隔离的PWM脉冲输入（1~10khz），2路电流光电隔离模拟输入口（0~1A），可直接与注塑机比例流量阀的流量信号和比例压力阀的压力信号相连接，调节两路信号的参数，按注塑机的工作特性，使注塑机中的油泵马达进行最佳匹配，节能效果显著。

可实现简易一拖三功能，方便群泵控制

应用功能丰富,功能参数在线可调整

INVT—G9/P9/ZS5系列变频器除具有一般变频器所具备的绝大多数功能外，增加了一些特殊的应用功能，并且控制端子可编程,方便用户随心所欲的实现各种调速控制方案.键盘可插拔，接线长度可达500米以上.

用户化V/F曲线

INVT—G9/P9/ZS5系列变频器均内置11种V/F曲线,用户还可以根据实际需要,可方便的设置多拐点V/F曲线,

品质优良

英威腾变频器及其电力拖动产品均实行18个月保修.

INVT—G9/P9/ZS5系列变频器均采用德国西门子的IGBT，INTEL的微处理器（CPU），日立原产的电解电容，施奈德的接触器,全部器件有严格的采购和检验程序,以保证产品的可靠性.