大功率風(fēng)機(jī)水泵調(diào)速節(jié)能運(yùn)行的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析（3）??

摘要：指出了發(fā)電廠風(fēng)機(jī)水泵調(diào)速運(yùn)行的必要性和巨大的節(jié)能潛力；討論了各種調(diào)速方式的優(yōu)缺點(diǎn)，并作出了詳細(xì)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。

關(guān)鍵詞：風(fēng)機(jī)；水泵；液力耦合器；變頻調(diào)速；串級(jí)調(diào)速；無(wú)刷雙饋電機(jī)

Techno? economics Analysis of Energy Saving for

Adjusting Speed of Blower and Water Pump in Power Plant

XU Fu-rong

Abstract:This paper introduces the necessity of adjusting speed saving energy of blower and water pump in the power plant and the large latent capacity of saving energy; It also introduces the advantages and disadvantages of various methods for adjusting speed and make a detail techno-economics analysis.

Keywords:Blower; Water pump;Fluid coupler;Variable frequeney adjusting speed;Cascade adjusting speed;Brushless double? fed machine?

4? 風(fēng)機(jī)水泵的高效調(diào)速節(jié)能方案

??? 由電機(jī)學(xué)原理可知，交流電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n0與電源頻率f1、磁極對(duì)數(shù)P之間的關(guān)系式為：

??? n0=60f1/P(r/min)

??? 異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率s的定義式為：

??? s=(n0－n)/n0=1－n/n0

??? 則可得異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式為：

??? n=n0(1－s)=(1－s)60f1/P

??? 可見(jiàn)，要調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以通過(guò)下述三個(gè)途徑實(shí)現(xiàn)：

??? ——改變定子繞組的磁極對(duì)數(shù)P（變極調(diào)速）；

??? ——改變供電電源的頻率f1（變頻調(diào)速）；

??? ——改變異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率s調(diào)速。

??? 改變定子繞組磁極對(duì)數(shù)調(diào)速的方法稱為變極調(diào)速；改變電源頻率調(diào)速的方法稱為變頻調(diào)速，都是高效調(diào)速方法。而改變異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率的調(diào)速方法則稱為能耗轉(zhuǎn)差調(diào)速（串級(jí)調(diào)速除外），它是一種低效的調(diào)速方法，因?yàn)檎{(diào)速過(guò)程中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)差功率都變成熱量消耗掉了，上一章提到的繞線式電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速和定子調(diào)壓調(diào)速就屬于這種調(diào)速方式。

4．1? 變極調(diào)速

??? 改變電動(dòng)機(jī)定子的極對(duì)數(shù)，可使異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n0=60f1/P改變，從而改變異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n。大中型異步電動(dòng)機(jī)采用變極調(diào)速時(shí)，一般采用雙速電動(dòng)機(jī)。變極調(diào)速通常只用于鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)，而不用于繞線式異步電動(dòng)機(jī)。這是因?yàn)槭蠡\型電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的極對(duì)數(shù)是隨著定子的極對(duì)數(shù)而變的，所以變極調(diào)速時(shí)只要改變定子繞組的極對(duì)數(shù)就行了，而繞線式電動(dòng)機(jī)變極時(shí)必須同時(shí)改變定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組的極對(duì)數(shù)，這就使得變極復(fù)雜多了。

??? 用于風(fēng)機(jī)水泵調(diào)速節(jié)能的雙速電機(jī)一般不采用4／2、8／4等倍極比的雙速電機(jī)，而采用6／4、8／6、10／8極的雙速電機(jī)，這與風(fēng)機(jī)水泵的調(diào)速范圍一般不需要很大有關(guān)。另外，對(duì)于非倍極比的雙速電動(dòng)機(jī)在極數(shù)比較小時(shí)（如8／6、10／8、12／10極等），由不同的繞組接線方式，分別近似為平方轉(zhuǎn)矩型、恒轉(zhuǎn)矩型和恒功率型三種特性的雙速電機(jī)。由于葉片式泵與風(fēng)機(jī)在管路靜揚(yáng)程或靜壓為零的情況下，近似為平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，所以應(yīng)選用平方轉(zhuǎn)矩型特性的雙速電機(jī)，以便在高速及低速運(yùn)行時(shí)都有較高的效率與功率因數(shù)，具有更為顯著的節(jié)能效果。

??? 雙速電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)速效率高，可靠性高，投資省。其缺點(diǎn)是有級(jí)調(diào)速，不能在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)保證高效運(yùn)行，有時(shí)還要配合節(jié)流調(diào)節(jié)手段調(diào)節(jié)流量，增加了部分節(jié)流損耗。雙速電動(dòng)機(jī)在變速時(shí)電力必須瞬間中斷，對(duì)電動(dòng)機(jī)及電網(wǎng)都有沖擊作用；高壓電動(dòng)機(jī)若需經(jīng)常進(jìn)行變速切換時(shí)，其切換裝置的安全可靠性尚需進(jìn)一步完善和提高。

4.2? 變頻調(diào)速

??? 由上述可知，通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)供電電源頻率的方法而達(dá)到調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)速方式稱為變頻調(diào)速。變頻調(diào)速用的變頻器是由可關(guān)斷的功率器件如：GTO、GTR、IGBT、IGCT等，再加上控制、驅(qū)動(dòng)、保護(hù)電路等組成的。變頻器的種類按變流和控制方式可分為電流型變頻器、電壓型變頻器、PWM變頻器、空間電壓矢量控制變頻器和直接轉(zhuǎn)矩控制變頻器等，按主電路結(jié)構(gòu)形式又可分為多重化變頻器及多電平變頻器等。

??? 由于發(fā)電廠風(fēng)機(jī)水泵的電動(dòng)機(jī)功率都很大，一般采用3kV、6kV供電，所以必須采用高壓變頻器進(jìn)行調(diào)速運(yùn)行。與低壓變頻器不同，目前高壓變頻器尚無(wú)成熟的、一致性的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，限于目前有限電壓耐量的功率器件，又要面對(duì)高壓使用條件，而國(guó)內(nèi)外各變頻器生產(chǎn)廠商又各有高招，因此主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不盡一致，但都較成功地解決了高耐壓、大容量這一難題。如美國(guó)羅賓康（ROBICON）公司生產(chǎn)的第三代完美無(wú)諧波變頻器；羅克韋爾（AB）公司生產(chǎn)的BULLETIN1557和PowerFlex7000變頻器；瑞典ABB公司生產(chǎn)的ACS1000變頻器；德國(guó)西門子公司生產(chǎn)的Simovert變頻器；意大利ANSALDO公司生產(chǎn)的SILCOVERTTH變頻器；以及日本的三菱、富士公司生產(chǎn)的完美無(wú)諧波變頻器和國(guó)內(nèi)的凱奇公司、先行公司、利德華福公司和成都佳靈公司生產(chǎn)的高壓變頻器等。歸納起來(lái)主要有兩類：一類是采用低耐壓器件的多重化技術(shù)；另一類是采用高耐壓器件的多電平技術(shù)。

4.2.1? 多重化技術(shù)

??? 所謂多重化技術(shù)就是每相由幾個(gè)低壓PWM功率單元串聯(lián)組成，各功率單元由一個(gè)多繞組的隔離變壓器供電，用高速微處理器實(shí)現(xiàn)控制和以光導(dǎo)纖維隔離驅(qū)動(dòng)。多重化技術(shù)從根本上解決了一般6脈沖和12脈沖變頻器所產(chǎn)生的諧波問(wèn)題，可實(shí)現(xiàn)完美無(wú)諧波變頻。圖12為6kV變頻器的主電路拓?fù)鋱D，每相由5個(gè)額定電壓為690V的功率單元串聯(lián)，因此相電壓為690V×5=3450V，所對(duì)應(yīng)的線電壓為6kV。每個(gè)功率單元由輸入隔離變壓器的15個(gè)二次繞組分別供電，15個(gè)二次繞組分成5組，每組之間存在一個(gè)12°的相位差。圖13中以中間△接法為參考（0°），上下方各有兩套分別超前（＋12°、＋24°）和滯后（－12°、－24°）的4組繞組。所需相差角度可通過(guò)變壓器的不同聯(lián)接組別來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖12? 多重化變頻器拓?fù)鋱D

圖13? 五功率單元串聯(lián)變頻器的電氣連接

??? 圖12中的每個(gè)功率單元都是由低壓絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）構(gòu)成的三相輸入，單相輸出的低壓PWM電壓型逆變器。功率單元電路見(jiàn)圖14。每個(gè)功率單元輸出電壓為1、0、－1三種狀態(tài)電平，每相5個(gè)單元疊加，就可產(chǎn)生11種不同的電平等級(jí)，分別為±5、±4、±3、±2、±1和0。圖15為一相合成的正波輸出電壓波形。用這種多重化技術(shù)構(gòu)成的高壓變頻器，也稱為單元串聯(lián)多電平PWM電壓型變頻器。采用功率單元串聯(lián)，而不是用傳統(tǒng)的器件串聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)高壓輸出，所以不存在器件均壓的問(wèn)題。每個(gè)功率單元承受全部的輸出電流，但僅承受1/5的輸出相電壓和1/15的輸出功率。變頻器由于采用多重化PWM技術(shù)，由5對(duì)依次相移12°的三角載波對(duì)基波電壓進(jìn)行調(diào)制。對(duì)A相基波調(diào)制所得的5個(gè)信號(hào)，分別控制5個(gè)功率單元A1～A5，經(jīng)疊加可得圖15所示的具有11級(jí)階梯電平的相電壓波形，它相當(dāng)于30脈波變頻，理論上19次以下的諧波都可以抵消，總的電壓和電流失真率可分別低于1.2％和0.8％，堪稱完美無(wú)諧波（Harmony）變頻器。它的輸入功率因數(shù)可達(dá)0.95以上，不必設(shè)置輸入濾波器和功率因數(shù)補(bǔ)償裝置。變頻器同一相的功率單元輸出相同的基波電壓，串聯(lián)各單元之間的載波錯(cuò)開(kāi)一定的相位，每個(gè)功率單元的IGBT開(kāi)關(guān)頻率若為600Hz，則當(dāng)5個(gè)功率單元串聯(lián)時(shí)，等效的輸出相電壓開(kāi)關(guān)頻率為6kHz。功率單元采用低的開(kāi)關(guān)頻率可以降低開(kāi)關(guān)損耗，而高的等效輸出開(kāi)關(guān)頻率和多電平可以大大改善輸出波形。波形的改善除減小輸出諧波外，還可以降低噪聲、du/dt值和電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。所以這種變頻器對(duì)電機(jī)無(wú)特殊要求，可用于普通的籠型電機(jī)，且不必降額使用，對(duì)輸出電纜長(zhǎng)度也無(wú)特殊限制。由于功率單元有足夠的濾波電容，變頻器可承受－30％電源電壓下降和5個(gè)周期的電源喪失。這種主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)雖然使器件數(shù)量增加，但由于IGBT驅(qū)動(dòng)功率很低，且不必采用均壓電路、吸收電路和輸出濾波器，可使變頻器的效率高達(dá)96％以上。

圖14? 功率單元電路

圖15? 五功率單元串聯(lián)輸出電壓波形

4.2.2? 多電平技術(shù)

??? 我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定中壓電壓等級(jí)為6kV和10kV，若直接變頻，即使用4.5kV～6kV耐壓的功率器件，仍需串聯(lián)使用，使器件數(shù)量增加，電路復(fù)雜，成本加大，可靠性大為降低。為了避免功率器件的串、并聯(lián)使用，世界上很多公司致力于開(kāi)發(fā)高耐壓、低損耗、高速度的功率器件。如西門子公司研制的HV－IGBT耐壓可達(dá)4.5kV，ABB公司研制的新型功率器件——集成門極換流晶閘管（IGCT），耐壓可達(dá)6kV，并在致力于研制耐壓9kV的IGCT器件。在研制高耐壓器件的同時(shí)，對(duì)變頻器的主電路拓?fù)涞难芯恳灿兴黄疲湫偷睦印嚯娖郊夹g(shù)就是使用有限耐壓的功率器件，直接應(yīng)用于6kV電壓的主電路拓?fù)浼夹g(shù)。圖16是ABB公司ACS1000型12脈波輸入三電平高壓變頻器的主電路結(jié)構(gòu)圖。

??? 整流部分采用12脈波二極管整流器，逆變部分采用三電平PWM逆變器。由圖16可以看出，該系列變頻器采用傳統(tǒng)的電壓型變頻器結(jié)構(gòu)，通過(guò)采用高耐壓的IGCT功率器件，使得器件總數(shù)減少為12個(gè)。隨著器件數(shù)量的減少，成本降低，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，從而使體積縮小，可靠性更高。

圖16? 三電平IGCT變頻器主電路結(jié)構(gòu)圖

??? 若采用6kV耐壓的IGCT，變頻器輸出電壓可達(dá)4.16kV，采用5.5kV耐壓的IGCT，變頻器輸出電壓可達(dá)3?5kV，將Y型接法的6kV中壓電動(dòng)機(jī)改為△接法，剛好適用此電壓等級(jí)，同時(shí)也滿足了IGCT電壓型變頻器對(duì)電機(jī)的絕緣等級(jí)提高一級(jí)的要求，因此這個(gè)方案可能是最經(jīng)濟(jì)合理的。若要輸出6kV電壓，還必須進(jìn)行器件串聯(lián)。由于變頻器的整流部分是非線性的，產(chǎn)生的高次諧波將對(duì)電網(wǎng)造成污染。為此，圖16所示的ACS1000系列變頻器的12脈波整流接線圖中，將兩組三相橋式整流電路串聯(lián)起來(lái)，整流變壓器初級(jí)繞組接成三角形，次級(jí)繞組一組接成三角形，另一組接成星形，兩個(gè)次級(jí)繞組的線電壓相同，但相位則相差30°，這樣5次、7次諧波在變壓器的初級(jí)將會(huì)有180°的相移，因而能夠互相抵消，同樣的17、19次諧波也會(huì)互相抵消。這樣經(jīng)過(guò)2個(gè)整流橋的串聯(lián)疊加后，即可得到12脈波的整流輸出波形，比6脈波更平滑，并且每個(gè)整流橋的二級(jí)管耐壓可降低一半。采用12相整流電路減少了特征諧波含量，由于N=KP±1(P為整流相數(shù)、K為自然數(shù)、N為特征諧波次數(shù))。所以網(wǎng)側(cè)特征諧波只有11、13、23、25次等。如果采用24脈波整流電路，網(wǎng)側(cè)諧波將更進(jìn)一步被抑制。兩種方案均可使輸入功率因數(shù)在全功率范圍內(nèi)保證在0.95以上，不需要功率因數(shù)補(bǔ)償電容器。

??? 變頻器的逆變部分采用傳統(tǒng)的三電平方式，所以輸出波形中不可避免地產(chǎn)生比較大的諧波分量，這是三電平逆變方式所固有的。輸出線電壓波形見(jiàn)圖17。因此在變頻器的輸出側(cè)必須配置輸出濾波器才能用于普通的籠型電動(dòng)機(jī)。同樣由于諧波的原因，電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)和效率都會(huì)受到一定的影響，只有在額定工況點(diǎn)才能達(dá)到最佳的工作狀態(tài)，隨著轉(zhuǎn)速的降低，功率因數(shù)和效率都會(huì)相應(yīng)降低。

圖17? 三電平PWM變頻器輸出線電壓波形圖

4.2.3? 兩種類型變頻器的性能比較

??? 現(xiàn)對(duì)多重化變頻器（CSML）和三電平(中性點(diǎn)鉗位)變頻器（NPC）進(jìn)行性能比較，兩種高壓變頻器各有優(yōu)缺點(diǎn)，分別體現(xiàn)在以下各方面：

??? 1）器件數(shù)量

??? 以6kV輸出電壓等級(jí)的變頻器為例，采用NPC方式，逆變器部分需36個(gè)耐壓為3?3kV的高壓IGBT，或者采用24個(gè)耐壓為5kV的IGCT。采用CSML方式，需要15個(gè)功率單元，共計(jì)60個(gè)耐壓為1.7kV的低壓IGBT。從器件的數(shù)量上看，CSML方式要多于NPC方式，但CSML方式采用的是低壓IGBT，相對(duì)于高壓功率器件而言，低壓器件的技術(shù)更加成熟、可靠，成本也較低。

??? 2）均壓?jiǎn)栴}

??? 均壓?jiǎn)栴}（包括靜態(tài)均壓和動(dòng)態(tài)均壓）是影響高壓變頻器可靠性的重要因素，采用NPC方式，當(dāng)輸出電壓等級(jí)較高（如6kV）時(shí)，單用12個(gè)器件不能滿足耐壓要求，必須采用器件直接串聯(lián)，器件直接串聯(lián)必然帶來(lái)均壓?jiǎn)栴}，失去三電平結(jié)構(gòu)在均壓方面的優(yōu)勢(shì)，大大影響系統(tǒng)的可靠性。采用CSML方式，不存在均壓?jiǎn)栴}，唯一存在的問(wèn)題是當(dāng)變頻器處于快速制動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，導(dǎo)致單元內(nèi)直流母線電壓上升，各單元的直流母線電壓上升程度可能存在差異，但這個(gè)問(wèn)題很容易解決，通過(guò)檢測(cè)功率單元直流母線電壓，當(dāng)任何單元的直流母線電壓超過(guò)某一閾值時(shí)，自動(dòng)延長(zhǎng)減速時(shí)間，以防止直流母線電壓“泵升”，即所謂的過(guò)電壓失速防止功能，這種技術(shù)在低壓變頻器中被廣泛采用，非常成功。

??? 3）對(duì)電網(wǎng)的諧波污染和功率因數(shù)

??? 由于CSML方式輸入整流電路的脈波數(shù)超過(guò)NPC方式，前者在輸入諧波方面的優(yōu)勢(shì)是明顯的，因此在綜合功率因數(shù)方面也有一定的優(yōu)勢(shì)。

??? 4）輸入波形

??? NPC方式輸出相電壓是三電平，線電壓是五電平。而6kV等級(jí)的CSML方式輸出相電壓為11電平，線電壓為21電平。而且，后者的等效開(kāi)關(guān)頻率（6kHz）大大高于前者，所以后者在輸出波形質(zhì)量方面優(yōu)勢(shì)也是明顯的。

??? 5）du/dt

??? NPC方式的輸出電壓跳變臺(tái)階為高壓直流母線電壓的一半，對(duì)于6kV輸出變頻器而言，為4kV左右，CSML方式輸出電壓跳變臺(tái)階為單元的直流母線電壓，不會(huì)超過(guò)1kV，所以二者在輸出du/dt方面的差距也是明顯的。

??? 6）系統(tǒng)效率

??? 就變壓器與逆變電路而言，NPC方式和CSML方式的效率非常接近，但考慮到輸出波形質(zhì)量的差異，若采用普通電機(jī)，前者必須設(shè)置輸出濾波器，后者不必。而濾波器的存在大約會(huì)影響效率0.5％左右。若采用特殊變頻電機(jī)，兩種變頻器的效率基本接近，但由于輸出波形方面的優(yōu)勢(shì)，采用CSML方式時(shí)，電機(jī)運(yùn)行效率相對(duì)較高。但由于IGBT導(dǎo)通壓降大，器件效率較低，而IGCT損耗較小，器件效率較高。

??? 7）四象限運(yùn)行

??? NPC方式當(dāng)輸入采用對(duì)稱的PWM整流電路時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行，可用于軋機(jī)、卷?yè)P(yáng)機(jī)等設(shè)備；而CSML方式則無(wú)法實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行，只能用于風(fēng)機(jī)、水泵類負(fù)載。

??? 8）冗余設(shè)計(jì)

??? NPC方式的冗余設(shè)計(jì)很難實(shí)現(xiàn)。而CSML方式可以方便地采用功率單元旁路技術(shù)和冗余功率單元設(shè)計(jì)方案，大大地有利于提高系統(tǒng)的可靠性。

??? 9）可維護(hù)性

??? 除了可靠性以外，可維護(hù)性也是衡量高壓變頻器優(yōu)劣的一個(gè)重要因素，CSML方式采用模塊化設(shè)計(jì)，更換功率單元時(shí)只要拆除3個(gè)交流輸入端子和兩個(gè)交流輸出端子，以及一個(gè)光纖插頭，就可抽出整個(gè)單元，十分方便。而NPC方式就不那么方便了。

??? 綜上所述，三電平電壓型變頻器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且可做成四象限運(yùn)行的變頻器，應(yīng)用范圍較寬。如電壓等級(jí)較高時(shí)，采用器件直接串聯(lián)，帶來(lái)均壓?jiǎn)栴}，且存在輸出諧波和dv/dt等問(wèn)題，一般要設(shè)置輸出濾波器。在電網(wǎng)對(duì)諧波失真要求較高時(shí)，還要設(shè)置輸入濾波器。多重化PWM電壓型變頻器不存在均壓?jiǎn)栴}，且在輸入諧波輸出諧波及dv/dt等方面有明顯的優(yōu)勢(shì)，但只能二象限運(yùn)行。

??? 從負(fù)載類型而言，對(duì)于風(fēng)機(jī)、水泵等一般不要求四象限運(yùn)行的設(shè)備，CSML變頻器有較大的應(yīng)用前景；對(duì)軋機(jī)、卷?yè)P(yáng)機(jī)等要求四象限運(yùn)行的設(shè)備而言，適合采用NPC型變頻器。從電壓等級(jí)來(lái)看，在目前的電力電子功率器件的耐壓水平下，考慮到器件串聯(lián)帶來(lái)的均壓?jiǎn)栴}，6kV以上電壓等級(jí)（含6kV），宜優(yōu)先考慮CSML方式。

4.2.4? 變頻調(diào)速系統(tǒng)的主要優(yōu)缺點(diǎn)

??? 主要優(yōu)點(diǎn)是：

??? 1）調(diào)速效率高變頻調(diào)速的特點(diǎn)是在頻率變化后，電動(dòng)機(jī)仍在該頻率的同步轉(zhuǎn)速附近運(yùn)行，基本上保持額定轉(zhuǎn)差率，轉(zhuǎn)差損失不增加。變頻調(diào)速時(shí)的損失，只是在變頻裝置中產(chǎn)生的變流損失，以及由于高次諧波的影響，使電動(dòng)機(jī)的損耗有所增加，相應(yīng)效率有所下降。綜上所述，變頻調(diào)速是一種高效調(diào)速方式。圖18為采用典型的電流型變頻器、PWM型變頻器及電壓型變頻器時(shí)變頻器效率ηV、電動(dòng)機(jī)及調(diào)速裝置綜合效率ηZ及電源功率因數(shù)cosφ特性指標(biāo)的實(shí)測(cè)值示例。

圖18? 變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)的特性指標(biāo)（實(shí)測(cè)）

(a) 電流型變頻器?? (b) PWM型變頻器?? (c) 電壓型變頻器

??? 2）調(diào)速范圍寬一般可達(dá)10∶1（50～5Hz）或20∶1（50～2.5Hz）。并在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)均具有較高的調(diào)速裝置效率ηV。所以變頻調(diào)速方式適用于調(diào)速范圍寬，且經(jīng)常處于低轉(zhuǎn)速狀態(tài)下運(yùn)行的負(fù)載。

??? 3）必要時(shí)，變頻裝置可以退出運(yùn)行，改由電網(wǎng)直接供電。這對(duì)于泵或風(fēng)機(jī)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行是很有利的。如萬(wàn)一變頻裝置發(fā)生故障，就退出運(yùn)行，不影響泵與風(fēng)機(jī)的繼續(xù)運(yùn)行；又如在接近額定頻率（50Hz）范圍工作時(shí)，由變頻裝置調(diào)速的經(jīng)濟(jì)性并不高，變頻裝置可退出運(yùn)行，由電網(wǎng)直接供電，改用節(jié)流等常規(guī)的調(diào)節(jié)方式。

??? 4）變頻裝置可以兼作軟起動(dòng)設(shè)備，即通過(guò)變頻裝置將電動(dòng)機(jī)起動(dòng)到某一轉(zhuǎn)速，再由工頻電源切換變頻裝置，把電動(dòng)機(jī)加速到全速。

??? 變頻調(diào)速主要缺點(diǎn)是：

??? 1）目前，變頻調(diào)速技術(shù)在高壓大容量傳動(dòng)推廣應(yīng)用中存在的主要問(wèn)題有兩個(gè)：一個(gè)是我國(guó)發(fā)電廠輔機(jī)電動(dòng)機(jī)供電電壓高（3～10kV），而功率開(kāi)關(guān)器件耐壓水平不夠，造成電壓匹配上的問(wèn)題；二是高壓大功率變頻調(diào)速裝置技術(shù)含量高、難度大，因而投入也高，而一般風(fēng)機(jī)水泵節(jié)能改造都要求低投入，高回報(bào)，從而造成經(jīng)濟(jì)效益上的問(wèn)題。這兩個(gè)問(wèn)題是它應(yīng)用于風(fēng)機(jī)水泵調(diào)速節(jié)能的主要障礙。

??? 2）電流型變頻器輸出電流的波形和電壓型變頻器輸出電壓的波形均為非正弦波形，從而產(chǎn)生的高次諧波，對(duì)電動(dòng)機(jī)和供電電源會(huì)產(chǎn)生種種不良影響：如使電動(dòng)機(jī)附加損耗增加、溫升增高，從而使電動(dòng)機(jī)的效率和功率因數(shù)下降，出力受到限制，噪聲增大以及對(duì)無(wú)線電通信干擾增大等；同時(shí)，高次諧波會(huì)引起電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生脈動(dòng)，其脈動(dòng)頻率為6kf(k=1，2，3…)，當(dāng)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)頻率較低并接近裝置系統(tǒng)的固有頻率時(shí)，可能產(chǎn)生共振現(xiàn)象。因此，裝置系統(tǒng)必須注意避免在共振點(diǎn)附近運(yùn)行。如采用PWM變頻器或采用多重化技術(shù)的電流型和電壓型變頻器，其輸出波形大為改善，高次諧波大大減少，使這個(gè)問(wèn)題可以得到大大的改善。

4.2.5? 火電廠輔機(jī)電動(dòng)機(jī)全功率變頻調(diào)速節(jié)能方案

??? 我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中壓電壓等級(jí)為6kV和10kV，火電廠中壓輔機(jī)電動(dòng)機(jī)以6kV居多，少數(shù)小容量機(jī)組有3.3kV電壓等級(jí)。除電動(dòng)給水泵以外，大量的風(fēng)機(jī)和水泵電動(dòng)機(jī)的容量都在500～2000kW以下，額定電流僅100～200A左右或更小，若采用高壓變頻器，器件的電流利用率很低，出現(xiàn)“大馬拉小車”的現(xiàn)象，投資偏高，不合理。建議開(kāi)發(fā)1.7kV、2.2kV、3.3kV、4.16kV等級(jí)的中壓電動(dòng)機(jī)，簡(jiǎn)化變頻器、降低造價(jià)、提高可靠性。由此在變頻器前需加一臺(tái)網(wǎng)側(cè)降壓變壓器將6kV電壓降為所需的電壓等級(jí)，雖然增加了投資，但可形成多脈波整流，對(duì)減輕網(wǎng)側(cè)諧波污染有利。

??? 1）高—低—低方案

??? 當(dāng)電機(jī)的功率在800kW以下時(shí)，最好的方案是選用新的低壓電機(jī)（如國(guó)產(chǎn)380V，660V電機(jī)）取代原有的高壓電機(jī)，經(jīng)輸入降壓變壓器降壓后，用低壓變頻器直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)調(diào)速。此方案性能優(yōu)越，低壓變頻器技術(shù)成熟，不含高壓器件，維護(hù)使用方便，變頻器選擇余地很大，投資最低。

??? 2）高—低—高方案

??? 當(dāng)電機(jī)的功率在800～1500kW，用輸入變壓器將6kV高壓降為600V（或460V），用低壓電流型變頻器變頻后再用一臺(tái)升壓變壓器升壓至6kV，驅(qū)動(dòng)電機(jī)調(diào)速。此種方案價(jià)格比較合理，調(diào)速平穩(wěn)，使用可靠。缺點(diǎn)是增加了輸出升壓變壓器，而升壓變壓器是一臺(tái)變頻變壓器，與試制變頻電機(jī)一樣，須研究整個(gè)調(diào)頻范圍內(nèi)的各種技術(shù)參數(shù)的變化問(wèn)題。另外由于變頻器的輸出不是正弦波，所以存在諧波問(wèn)題、直流分量問(wèn)題，總之存在一連串的技術(shù)問(wèn)題，不是可以輕易解決的。并且系統(tǒng)設(shè)備增加，不僅效率降低，成本增加，占地面積也大。一臺(tái)升壓變壓器與一臺(tái)同容量的電機(jī)價(jià)格差不多，而且變頻器容量還要大一些。因此不如更換一臺(tái)電壓匹配的電機(jī)更為合算。

??? 3）高—中—中方案

??? 對(duì)于電機(jī)功率在1000～2500kW，如果將6kV高壓電機(jī)改為1.7kV、2.2kV、3.3kV或4.16kV的中壓電機(jī)，（如果是6極以上的高壓電機(jī)還可以簡(jiǎn)單地將繞組由串聯(lián)改為并聯(lián)，花很少的費(fèi)用把原來(lái)的電機(jī)改為中壓電機(jī)，而且對(duì)舊電機(jī)的絕緣有利），就可使用高耐壓的功率器件如4?5kV的IGBT或5?5kV的IGCT，不串不并用6只或采用三電平技術(shù)用12只組成變頻器，成本低，可靠性高，也提高了系統(tǒng)的效率。也可選用采用多重化技術(shù)的單元串聯(lián)式變頻器，但其在3kV電壓下，輸出波形上已無(wú)優(yōu)勢(shì)。

??? 4）高—高方案

??? 若功率在3000kW以上，且電壓在6kV或更高時(shí)，則首選方案應(yīng)是采用多重化技術(shù)的單元串聯(lián)式高壓變頻器。但只適用于象風(fēng)機(jī)、水泵類不需要四象限運(yùn)行的負(fù)載，若需四象限運(yùn)行，如軋機(jī)、卷?yè)P(yáng)機(jī)設(shè)備等，則應(yīng)考慮可四象限運(yùn)行的變頻器方案。該方案除使成本成倍增加外，而且電機(jī)的絕緣問(wèn)題也總是讓人放心不下，因?yàn)殡妷盒妥冾l器有對(duì)電機(jī)絕緣提高一級(jí)的要求，不考慮這個(gè)問(wèn)題有可能會(huì)出事，因?yàn)楝F(xiàn)役電機(jī)大多存在不同程度的絕緣老化問(wèn)題。（待續(xù)）