中功率風機拖動電機電壓等級的合理選擇

關(guān)鍵詞： 中功率 風機 變頻調(diào)速 高-低壓變頻方案 低壓變頻器 電壓等級

一、問題的提出

中功率等級的風機（220KW-1500KW）在火力發(fā)電、冶礦、化工、建材等工礦企業(yè)有著大量的應(yīng)用。其中占很大部分的風機需要變工況運行。以往由于電機調(diào)速手段的落后，風機的變工況（流量、壓力）調(diào)節(jié)，主要采用出、入口導(dǎo)葉擋板調(diào)節(jié)、液力偶合機械調(diào)速、電磁滑差調(diào)速、串級調(diào)速和轉(zhuǎn)子回路串電阻等作為變工況運行的調(diào)節(jié)措施，這些調(diào)節(jié)方式不是耗能嚴重、就是存在調(diào)節(jié)性能差、運行可靠性低等缺點，這已為業(yè)內(nèi)從業(yè)人員為所廣泛認同。近年來，交流變頻調(diào)速技術(shù)日趨成熟，并已成為大多數(shù)風機裝置設(shè)計、運行人員的首選節(jié)能調(diào)速運行方案。

作為一種高效調(diào)速節(jié)能技術(shù)手段，變頻調(diào)速方案在低功率段（220KW以下）風機裝置中得到了日益廣泛的應(yīng)用，其主要得益于近階段交流低壓變頻技術(shù)的日益成熟和其性價不斷提高，也由此給廣大用戶帶來的良好的節(jié)能收益回報。相比較而言，中功率段風機由于我國電網(wǎng)配電電壓等級單一性，加之用電端功率220KW以上電機電壓等級一般只有6KV或10KV可供選擇（3KV已逐步淘汰），這就導(dǎo)致這個功率段的如果希望采用變頻調(diào)速，只能采用對應(yīng)電壓等級的高壓變頻裝置。而國內(nèi)市場上目前中功率段6KV和10KV的高壓變頻器的單位功率價格一般要達到（1500 ~2500元/KW）左右，高出同等級功率的低壓變頻器的單位價格（300~500元/KW）數(shù)倍之多；使中功率段的風機采用變頻調(diào)速的成本甚高，一次投入過高而回報期相對較長，成為了阻礙變頻調(diào)速這一優(yōu)勢技術(shù)推廣應(yīng)用的價格勢壘。從技術(shù)層面來考察，高壓變頻器產(chǎn)品目前存在的技術(shù)程度復(fù)雜，技術(shù)成熟度不足特別是運行可靠性方面有待成熟完善，用戶對產(chǎn)品技術(shù)認識不足等原因，又使高壓變頻器的應(yīng)用存在著一定的技術(shù)勢壘。這些均成為目前階段高壓變頻技術(shù)在風機調(diào)速節(jié)能領(lǐng)域推廣應(yīng)用的主要制約因素。

本文的主要目的是探討如何通過合理的選擇中功率段風機拖動電機系統(tǒng)的電壓等級，從而設(shè)計組合技術(shù)成熟、投資經(jīng)濟性性良好的中功率段風機變頻調(diào)速。

二、中功率交流變頻的電壓等級的合理選擇的技術(shù)經(jīng)濟意義

1．交流低壓變頻是目前階段成熟的技術(shù)

對于變頻器而言，其工作電壓的高低主要取決于變頻器內(nèi)PWM主回路逆變器件的耐壓水平。目前690V以下低壓變頻器主流型逆變器件一般采用的耐壓水平1200/1700V的IGBT模塊。這個電壓等級的IGBT技術(shù)目前已相當成熟穩(wěn)定，并已被普遍作為低壓逆變的主導(dǎo)器件大量應(yīng)用。由于幾乎所有低壓變頻器的逆變主回路為同一設(shè)計類型，其輸出功率等級由IGBT耐壓和工作電流等級所決定。目前階段，國內(nèi)對630KW以下低壓變頻器的制造和供貨不存在任何問題；國外品牌的低壓變頻器普遍已達800~1500KW的功率等級，個別品牌最大可達2800KW。

低壓變頻器屬于技術(shù)比較成熟的產(chǎn)品，國外應(yīng)用低壓變頻器在風機調(diào)速運行的歷史已有將近30余年；國內(nèi)在這方面的應(yīng)用也有20年以上。根據(jù)某國外主流品牌低壓變頻器廠商介紹，其目前主導(dǎo)產(chǎn)品的平均無故障工作時間已達50，000小時以上，產(chǎn)品可靠性達到了相當高的程度。對于國內(nèi)變頻器廠商而言，大部分生產(chǎn)商目前也已度過了技術(shù)有欠成熟、產(chǎn)品質(zhì)量不甚穩(wěn)定的初創(chuàng)時期，產(chǎn)品質(zhì)量和運行可靠性也達到了一定的水平。在中功率段風機調(diào)速節(jié)能應(yīng)用方面，國內(nèi)外各大品牌的低壓變頻器均有著大量成熟的應(yīng)用案例。

表1所列為目前國內(nèi)市場可提供中功率段低壓變頻器品牌及相關(guān)型號。

表1 國內(nèi)市場中功率等級低壓變頻器主要品牌/型號

2．交流低壓變頻系統(tǒng)應(yīng)用于中功率風機調(diào)速的具有良好的經(jīng)濟性

目前國內(nèi)除了一些特殊的電力終端用戶（如煤礦、油田）外，用戶設(shè)備終端電壓等級，不外乎低壓380V和高壓 6KV、10KV三種。我國現(xiàn)行的低壓等級的通用電機的最大機座號為是H355，中功率段風機拖動一般選用6~10電機，對應(yīng)這個機座號的極限電機功率也就是220KW左右。超過這個機座號一般只能選用6KV或10KV電機；而風機設(shè)計和運行單位，一般也意圖通過提供終端用電設(shè)備的電壓等級，降低電機系統(tǒng)運行線路損耗提高系統(tǒng)效率。這幾方面的原因，使目前H355機座（對應(yīng)功率等級~220KW）以上的風機拖動電機幾乎全采用6KV或是10KV的電壓等級。而對于很多需要變工況調(diào)速運行的風機而言，正是這種不恰當?shù)剡x擇結(jié)果，成為了應(yīng)用變頻調(diào)速這一高效節(jié)能調(diào)節(jié)手段的技術(shù)經(jīng)濟障礙。由于高壓變頻器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造技術(shù)難度高，同一功率等級的高壓變頻器與低壓變頻器價格相差懸殊。這也意味著如果作為一種節(jié)能投資，采用高壓變頻方案要比采用低壓變頻方案的一次投入要大數(shù)倍，投資回報周期相應(yīng)也要長得多。這也使一些有著應(yīng)用低壓變頻節(jié)能經(jīng)驗并產(chǎn)生實際經(jīng)濟收益的用戶，難以確立采用高壓變頻器應(yīng)用于風機水泵節(jié)能調(diào)速的信心。同時技術(shù)程度的相對復(fù)雜，部分廠家產(chǎn)品實際運行中所反映性能不甚完善，甚至影響系統(tǒng)安全可靠運行等因素，也成為高壓變頻器推廣應(yīng)用的主要障礙。

因為受到逆變功率器件制造水平限制，高壓交流變頻的核心部分的高壓逆變的實現(xiàn)要比低壓變頻逆變困難和復(fù)雜的多。目前比較成熟的高壓逆變實現(xiàn)方案不外乎多重化單元串聯(lián)、三電平箝位和功率元件串聯(lián)等幾種。而無論通過那一種方式實現(xiàn)高壓逆變，其構(gòu)成與低壓逆變相比要遠遠復(fù)雜的多。由此也就可以理解為什么相同功率等級的高壓變頻器與低壓變頻器，市場價格要相差3~5倍甚至更多！同時由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，從系統(tǒng)工程角度來講，要使高壓變頻器產(chǎn)品達到一定可靠性，要比低壓變頻器實現(xiàn)困難得多。大量實際的運行實踐的總結(jié)也印證了這一點。另外對于類似于不允許計劃外停機的某些高可靠性要求場合，低壓變頻器也可以比高壓變頻器更方便、更容易和經(jīng)濟的實現(xiàn)系統(tǒng)備用冗余（如工頻應(yīng)急旁路）。

表2是一個500KW風機拖動電機采用3種常用典型的調(diào)速方案的技術(shù)經(jīng)濟性的簡單比較。從中我們不難得出，“獨立供電變壓器+低壓變頻器+低壓電機”方案（所謂“高-低方案”）是最佳選擇的結(jié)論。如果考慮高壓變頻和液力偶合器調(diào)速方案相比，低壓變頻調(diào)速方案較低的動態(tài)維護費用的支出，低壓變頻器方案的優(yōu)勢將更為突出。

表3所列，是國內(nèi)幾位從事電氣傳動行業(yè)知名專家，比較一致提出的對中功率交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的推薦采用的電壓等級，從技術(shù)經(jīng)濟性角度考察是相當合理的。

綜上所述，對于220KW~1500KW的中功率段風機調(diào)速，采用“獨立供電變壓器+低壓變頻器+低壓電機” （高-低方案）的技術(shù)方案，其在技術(shù)方面是成熟可行的；如果從投入產(chǎn)出等方面綜合考察方案的經(jīng)濟性，也較其他方案具有明顯的成本和經(jīng)濟優(yōu)勢。

三、低壓中功率變頻器應(yīng)用的需要注意的相關(guān)問題

中功率段風機采用低壓變頻器調(diào)速方案實際應(yīng)用中，必須充分照顧中功率段低壓變頻器的技術(shù)特點及其應(yīng)用現(xiàn)場條件和用戶對諸如電磁兼容性方面的要求，采取適當必要的周邊技術(shù)保障措施，以使方案達到可靠和完美的實施。

1． 諧波和干擾問題

諧波和干擾是變頻器應(yīng)用必須最關(guān)注的問題。每個變頻器是工作時是一個諧波源，如果不采取相應(yīng)的技術(shù)措施，變頻器運行時會對電源系統(tǒng)和周邊設(shè)備設(shè)備產(chǎn)生不良影響。，由于諧波發(fā)生量和產(chǎn)生的電磁干擾強度與變頻器的功率密切相關(guān), 對于功率在220KW以上的中功率段變頻器，抑制其對電網(wǎng)系統(tǒng)諧波注入和對周邊設(shè)備的電磁干擾顯得尤其重要。否則將很可能引起接于變頻器同一供電電源下的其他設(shè)備和周邊的電磁敏感設(shè)備（典型如弱電控制設(shè)備）的工作不正常！以下技術(shù)措施可根據(jù)現(xiàn)場條件和要求獨立或組合使用，對于中功率段低壓變頻器的諧波和干擾抑制相當有效。

表2 典型500KW風機拖動電機調(diào)速方案經(jīng)濟技術(shù)性能比較

表3 ：中、大功率段風機拖動交流變頻調(diào)速系統(tǒng)推薦工作電壓等級

1） 單獨設(shè)置變壓器,使變頻器電源與用戶其他設(shè)備的低壓電源隔離。目的之一是提供足夠的輸入阻抗，與變頻器電纜寄生電容組成LC濾波器，將電網(wǎng)側(cè)諧波限制在一定范圍內(nèi)；目的之二是可以抑制諧波與干擾通過同一低壓回路直接向其它低壓用戶端傳導(dǎo)。

2） 變壓器多相運行。通常變頻器的整流部分是6脈波整流器，所以產(chǎn)生的諧波較大。應(yīng)用變壓器的多相運行，可大大降低變頻器輸入電流諧波分量。根據(jù)實測采用12脈波輸入變頻器后，變頻器輸入端總諧波分量可將至THD≤8%，基本達到電網(wǎng)對電能質(zhì)量標準的要求。

3） 增設(shè)交流輸入電抗器或直流電抗器。在變頻器輸入端加入交流電抗器或在其直流回路加入直流電抗器，可顯著改善變頻器輸入端諧波含量，穩(wěn)流削波，改善變頻器輸入端功率因素。

4） 變頻器的輸出端增設(shè)輸出電抗器或?qū)Ｓ脼V波器。輸出端設(shè)置電抗器或?qū)Ｓ脼V波器，可有效降低變頻器輸出電流中的高頻分量引起的高頻輻射干擾，降低電壓突波對電機絕緣的影響，減低電機的電磁運行噪聲。

5） 變頻器輸出電纜采用專用屏蔽電纜。經(jīng)驗證明采用專用動力屏蔽電纜是抑制變頻器輸出端的高頻輻射的有效途徑。

2.軸電流抑制

對于采用變頻器供電的電動機，由于電壓波形中存在著相當多的高頻分量，這些高頻分量除了通過變頻器與電機繞組構(gòu)成回路外，還會通過繞組與定子鐵心間以及轉(zhuǎn)軸、端蓋、機座和接地線等之間形成寄生電容構(gòu)成高頻通路。由于這些電容容量有限，在工頻市電供電時其充放電過程形成的容性電流很小，可以忽略不計。當采用變頻器供電且電機容量較大（110KW以上）時，由高頻分量形成的軸電流密度可達數(shù)十安培/mm2，軸電流引起將引起電機軸承的嚴重電蝕。由于軸承的滾珠與滾道上有可能存在凸出點，旋轉(zhuǎn)時通過該處的軸承電流斷開，從而引起電弧，灼傷金屬表面，這種微觀損害的持續(xù)的積累將引起軸承的損壞。

實際應(yīng)用中，對于中功率等級以上的電機可應(yīng)通過保持軸承良好潤滑而維持內(nèi)外圈間潤滑膜較高的絕緣電阻、軸承外圈與機座接觸面噴涂絕緣漆、變頻器輸出端加入濾波器等抑制軸電流產(chǎn)生的技術(shù)等措施，保障電機的可靠運行。

3． 工頻運行冗余問題

變頻器應(yīng)用的許多場合，往往不允許設(shè)備發(fā)生非計劃停機。這種情況的經(jīng)典設(shè)計是提供一套獨立的工頻應(yīng)急旁路。對于采用獨立供電變壓器的低壓變頻方案，由于變壓器負載的單一性，不必考慮電機在工頻電源下啟動時由于啟動電流沖擊而造成低壓母線跌落的影響。如果經(jīng)驗算，變壓器高壓側(cè)母線在工頻旁路直接啟動時的電壓跌落在允許范圍內(nèi)，就可以采用直接啟動。此時獨立供電變壓器如同類似于一個啟動電抗，可以起到降低電機啟動電流沖擊的良好效果。對于雙低壓繞組的12脈波供電變壓器方案，電機實行工頻旁路運行時，將原兩組分別向變頻器兩組串聯(lián)整流器供電的低壓繞組切換成曲折聯(lián)接后，直接作為電機工頻旁路運行的供電電源。

對于用戶希望盡量減小啟動電氣沖擊和機械沖擊的場合，工頻旁路電機啟動時仍可采用軟啟動器、降壓啟動等傳統(tǒng)成熟的啟動方式，這可以在方案設(shè)計時一并予以總體考慮細化。

4． 配套電機問題

如前所述，目前國內(nèi)低壓電機定型規(guī)格最大機座號為H355，并由于大功率風機配套電機一般的極數(shù)一般均在6～10極，對應(yīng)的最大電機功率也就在220KW以下。除了少數(shù)廠家有H355以上機座低壓電機生產(chǎn)外，一般均需特別定制，生產(chǎn)批量小、供貨價格高、交貨周期長是普遍存在的問題。這也一定程度上影響了變頻調(diào)速在中功率段大量應(yīng)用。

建議作為風機行業(yè)大用戶的中大功率風機的主導(dǎo)生產(chǎn)企業(yè)，與電機制造行業(yè)內(nèi)具有生產(chǎn)基礎(chǔ)的單位合作，對H355機座以上的低壓電機進行定型設(shè)計，以期降低生產(chǎn)成本和縮短交貨周期，并利于技術(shù)成熟且經(jīng)濟性良好的中功率低壓變頻系統(tǒng)在風機及相關(guān)行業(yè)的推廣應(yīng)用。這在技術(shù)上是不存在任何問題的。對于老系統(tǒng)改造而言，用戶可以采用將風機拖動高壓電機，通過繞組重繞或是更簡便的串/并聯(lián)改接等方法改造為低壓電機，而使中功率低壓變頻系統(tǒng)應(yīng)用在老風機系統(tǒng)節(jié)能改造時，可以用比較經(jīng)濟的方法得以實現(xiàn)。對此，國內(nèi)已有很多成功應(yīng)用的案例可供借鑒參考。

變頻供電的電動機，由于其供電電壓波形為非完全正弦波，同時電壓波形的毛刺突波比較大，因此對其絕緣有抗電暈處理和適當增加絕緣設(shè)計裕度的要求，這在低壓電動機設(shè)計選型時應(yīng)予以一并考慮。

四、 結(jié)語

大中型風機在國民經(jīng)濟各部門中是數(shù)量眾多，分布面極廣，耗電量巨大的設(shè)備。據(jù)權(quán)威資料顯示，目前在用風機系統(tǒng)的能源利用效率比國際先進水平相比相差20%；差距是巨大的。這其中除存在風機本體設(shè)計效率低之原因外，很大的因素是高效能的調(diào)速設(shè)備應(yīng)用不足，風機系統(tǒng)長期運行于低效區(qū)所致。因為中功率段風機存在著巨大的社會在役保有量，并且隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，其應(yīng)用量將不斷增加，因而，在這個功率段推廣應(yīng)用經(jīng)濟技術(shù)性能良好的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)，其現(xiàn)實的節(jié)能意義無疑是相當巨大的。從目前階段的技術(shù)水平和各類變頻方案的經(jīng)濟性考察，采用“獨立供電變壓器+低壓變頻器+低壓電機”技術(shù)方案（所謂“高-低方案”），并輔以必要的周邊技術(shù)措施，是目前可應(yīng)用在（220KW-1500KW）中功率段風機節(jié)能調(diào)速中可首選的技術(shù)方案。

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