1 引言 我國的各類電動機的裝機容量在4億KW以上，而高壓電動機的總裝機容量在1.5億KW以上，其中一半以上是拖動風機、泵類負載的電動機，裝機容量在0.8億KW左右。這些電動機大都為6KV或10KV電壓等級，它們的用電量約占全國用電量的30%，而這類電動機往往能耗大、效率低，多數運行在電低負荷區(qū)，加上部分風機、泵需要調節(jié)流量，如采用通常的風門、擋板、閥門調節(jié)，將使效率將得更低，造成大量的能源浪費。 低壓變頻器通過多年的發(fā)展，技術成熟，可靠性高，得到了廣大用戶的普遍認可，因此在低壓電動機的驅動方面得到了廣泛應用，也取得了很好的調節(jié)與節(jié)能效果。隨著電力電子技術和微處理器技術的發(fā)展，到上世紀90年代，6KV、10KV等級的高壓變頻調速裝置的研制生產成為可能，經過近10年的發(fā)展，高壓變頻技術進展非?？?，產品穩(wěn)定性和可靠性達到使用程度，市場趨于成熟。尤其是單元串聯多電平方式的高壓變頻調速裝置，因其采用低壓變頻成熟技術，單元串聯易于實現冗余，輸出波形完美，適用普通電動機、性價比高等特點而得到用戶的認可。 目前，電氣傳動技術正面臨著一場歷史性的革命，即交流調速取代其它調速及計算機數字控制技術取代模擬控制技術已成為發(fā)展趨勢。電機交流調速技術是當今節(jié)電、改善工藝流程以提高產品質量和改善環(huán)境、推動技術進步的一種主要手段。變頻調速以其優(yōu)異的調速、起動和制動性能、高效率、高功率因數和節(jié)電效果，廣泛的適用范圍及其它許多優(yōu)點而被國內外公認為是最有發(fā)展前途的調速方式。 2 變頻調速節(jié)能原理 電動機的變頻調速運行除了能夠滿足生產工藝要求進行調速之外，還有很好的節(jié)能效果。這部分節(jié)能并不是因為電動機在調速運行時能夠有節(jié)能效果，主要是因為電動機拖動的負載在調速運行時所需的功率根據運行的轉速有大的變化，變頻調速因其在大部分調速范圍內效率都很高所以節(jié)能效果明顯。 例如對于風機負載，為了滿足風量的要求，采用節(jié)流調節(jié)時，風機不能在高效率點運行，自身消耗功率增加，同時節(jié)流裝置損失了一部分風機輸出的功率，所以雖然風機輸出的實用功率有所降低，甚至是大幅度降低，但是風機的輸入功率變化不大，導致整個系統(tǒng)的效率因此大幅度降低；采用變頻調節(jié)后，不存在節(jié)流裝置的功率損失，可以使風機能始終運行在高效率點附近，同時變頻調節(jié)自身效率比較高，所以能使整個系統(tǒng)的效率維持在較高的水平，電動機消耗的功率基本上只隨著輸出實用功率的變化而線形變化。 對于風機和泵類負載，由流體力學知識可知，其輸出的功率與其轉速的三次方成正比，所以當其轉速減小時，其能耗也隨著轉速以三次方的速率下降，因此節(jié)能效果非常明顯。 3 高、低壓變頻器的可靠性比較 人們的傳統(tǒng)概念中，總是認為低壓變頻器無論是在功率器件還是在控制方面技術成熟，安全可靠；高壓變頻器是個新事物，高壓功率器件耐壓不夠，串并聯技術不成熟，控制電路復雜，沒有經過市場的應用檢驗，可靠性不高，有時為了實現調節(jié)目的，寧愿通過降壓變壓器降壓并采用低壓電動機驅動，增加了費用，降低了效率。這是人們的誤解，以下就幾個方面做一下低壓變頻器和單元串聯多電平方式的高壓變頻器的可靠性比較。 1.功率元器件 單元串聯多電平方式的高壓變頻器采用的功率元器件一般是1700V等級的IGBT，這個耐壓等級的IGBT是低壓變頻器中常用且被證明是成熟可靠的元器件。 2.控制技術 單元串聯多電平方式的高壓變頻器中的每個功率單元都是一個三相輸入、單相輸出的低壓變頻器，驅動和控制技術同樣成熟可靠。 3.元器件數量 從理論上講，原器件數量越多，可靠性越低。在這個意義上講，單元串聯多電平方式的高壓變頻器元器件數量大大高于低壓變頻器。 4.電路冗余 有冗余設計的系統(tǒng)可靠性大大高于無冗余設計的系統(tǒng)；低壓變頻器一般只有一個逆變橋，很難實現冗余設計，單元串聯多電平方式的高壓變頻器的每一相均有多個單元的輸出串聯構成，每個單元均可自身旁路，因此相互之間可以實現冗余設計，可靠性大為提高。在這個意義上講，單元串聯多電平方式的高壓變頻器的可靠性遠遠高于低壓變頻器，尤其是實現了單元在線可更換功能的MAXF系列高壓變頻器可靠性更加突出。 5.對電源波動的適應性 低壓變頻器的控制電源一般取自功率電源，對電網電壓的適應性差，因電網電壓短時過低或電網出現閃變而引起變頻器跳機的事件時有發(fā)生。單元串聯多電平方式的高壓變頻器的功率電源和控制電源是各自獨立的，一般控制電源為交直流輸入，同時還有UPS或蓄電池備用輸入，可靠性極高，控制部分不會停止工作，當功率電源電壓短時過低或電網出現閃變時，高壓變頻器停止輸出，在功率電源恢復至正常范圍內后，高壓變頻器可以迅速將電機轉速恢復至原有水平，避免跳機事件的發(fā)生。 綜上所述可以看出，如果說單元串聯多電平方式的高壓變頻器的可靠性沒有低壓變頻器高的話，至少不必低壓變頻器可靠性低。 4 MAXF系列高壓變頻調速裝置簡介 上海科達機電控制有限公司研制生產的MAXF系列高壓變頻調速裝置為6KV、10KV等級的電壓源型高壓變頻器，調頻范圍5-60Hz，采用功率單元串聯實現多電平輸出（完美無諧波），每個功率單元都是由IGBT構成的三相輸入、單相輸出的脈寬調制型變頻器，多個功率單元的單相輸出移相疊加形成近似正弦的輸出電壓波形，容量范圍從200KVA至9600KVA，無輸出變壓器，不需要濾波裝置，對電機無特殊要求；具有運行穩(wěn)定、調速范圍寬、輸出波形好、輸入電流諧波含量低及效率高等特點。 MAXF系列高壓變頻調速裝置主要由移相整流變壓器、逆變功率單元和主控制器三部分組成。功率單元的個數根據不同的電壓等級有所不同，6KV系統(tǒng)每相為5個單元串聯，10KV系統(tǒng)每相為8個單元串聯。 5 MAXF高壓變頻調速裝置的性能特點 MAXF高壓變頻調速裝置具有如下性能特點： 1.單元可在線更換，MAXF系列高壓變頻調速裝置采用了單元插拔結構，允許在裝置運行過程中在線更換故障單元（國際首創(chuàng)），大大提高了裝置的可靠性和連續(xù)運行能力。 2.采用無極性電力電容，MAXF系列高壓變頻調速裝置率先采用了無極性電力電容代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電解電容。 無極性電力電容與電解電容相比具有不需串聯、電壓過載能力強、發(fā)熱低、使用壽命長（無極性電容典型壽命超過20年，電解電容典型壽命5年）、不需要均壓措施等顯著優(yōu)點。此外，更換電容的成本和工程費用也較高，采用無極性電力電容降低了裝置的運行維護費用。 3.變頻裝置的自動重合閘功能，MAXF系列高壓變頻調速裝置能在電網切換或自動重合閘后，自動快速回到切換或重合閘之前的運行狀態(tài)，保持不間斷運行。裝置具有旋轉投入能力，在高壓消失期間，連續(xù)檢測電動機的轉速、殘壓大小及殘壓相位，高壓恢復后，裝置能在電動機任何轉速下自動將變頻裝置投入繼續(xù)運行。 4.單元快速電子旁路功能，MAXF系列高壓變頻調速裝置的功率單元采用快速電子旁路線路，而不是機械式的接觸器線路，這使得單元旁路的動作完成時間小于20uS，消除了因為單元旁路造成的電壓波動，保證可靠旁路。 5.dv/dt抑制線路，MAXF系列高壓變頻調速裝置的每個功率單元都配置了dv/dt抑制線路以降低輸出dv/dt，有效保護電動機絕緣，降低對電網和其它設備的干擾，同時也是抑制高次諧波的措施，減小電動機損耗。 6.戶外循環(huán)通風，MAXF系列高壓變頻調速裝置采用戶外循環(huán)通風，裝置安裝室內不需加裝空調設備，裝置采用離心式風機，風機系統(tǒng)1：1備用并能夠自動切換，安全可靠。 7.單元升降機構，每套變頻裝置均配備一套安裝在裝置柜體上的單元電動升降機構，以方便單元的維護和更換。 8.輸出電纜長度不受限制，高壓變頻調速裝置與電動機之間的連接電纜長度沒有限制。 6MAXF系列高壓變頻調速裝置和國內外同類產品的性能比較 MAXF系列高壓變頻調速裝置同國內外同類產品的性能比較見下表： 項目MAXF系列高壓變頻調速裝置國外同類產品國內同類產品 變頻器效率>98.5%>98.5%>98.5% 裝置效率（包括變壓器）>96%>96%>96% 功率因數>0.95>0.95>0.95 諧波含量<5%<5%<5% 輸入電壓范圍+15%/-30%+15%/-15%+15%/-30% 輸出dv/dt<600V/uS1200～1800V/uS— 過載能力1.20倍1.10倍1.20倍 穩(wěn)頻精度0.1%0.2%— 環(huán)境溫度要求-5～45℃0～40℃0～40℃ 單元自動旁路有有有 單元在線更換有無無 電力電容無極性電力電容電解電容電解電容 電容壽命>20年5年5年 占地面積小較小較大 由以上比較可以看出，單元的在線可更換與無極性電力電容的應用是MAXF系列高壓變頻調速裝置有別于國內外同類產品的主要特征，這些特征大大提高了產品的可靠性，減少了產品的后期使用維護費用。 7 MAXF系列高壓變頻調速裝置的應用實例 1.MAXF高壓變頻調速裝置在十里泉電廠補水泵上的應用 十里泉發(fā)電廠目前由三十公里外的水源地供水，水源地共裝有五臺水泵，均由560KW/6KV的高壓電動機拖動，多數情況下開1-2臺泵運行就可以滿足發(fā)電要求，采用手動節(jié)流調節(jié)方法控制水量。如果節(jié)流閥開度不大、并且水量足夠，則停一臺水泵；如果節(jié)流閥全開仍不能滿足水流量要求，則再開啟一臺水泵。由于管道長達三十公里、且節(jié)流閥始終處于調節(jié)狀態(tài)，如選擇一臺水泵進行變頻調速改造，節(jié)流閥全開，實現恒水壓控制，則不但具有良好的節(jié)能效果，泵站的控制特性也大為改善，同時可以避免啟停泵時管道壓力的大幅度波動。 2003年11月，MAXF700-6000/750高壓變頻調速裝置在泵站#3泵上順利投運，高壓變頻投入運行后，節(jié)流閥全開，采用遠方自動恒水壓控制方式，多數情況下，變頻器運行在40Hz左右，功率約270KW，高壓側輸入電流30A不到，而50Hz定速運行時功率約為530KW，高壓輸入電流為60A左右。經長時間運行，變頻器運行在42Hz上下，平均功率約為320KW，與50Hz定速運行530KW比較，平均節(jié)電率39.6%，年節(jié)電約151萬度。由于泵站使用網電，電價較貴，故一年左右即收回投資。2004年，該廠又進行該廠南水源的一臺水泵的高壓變頻改造。 2.MAXF高壓變頻調速裝置在烏石化煉油廠常減壓裝置油泵上的應用 2004年，烏石化煉油廠對該廠常減壓裝置上的三臺油泵進行了高壓變頻改造，該廠三臺電動機分別為200KW/6KV、315KW/6KV和500KW/6KV，分別選用了MAXF300-6000/360、MAXF450-6000/550和MAXF700-6000/750高壓變頻調速裝置，均順利投運。經過長時間的運行考核，比較改造前后的電功率，節(jié)電率為22.4%。投資回收期不到兩年。 3.MAXF高壓變頻調速裝置在恒華熱電有限公司風機上的應用 恒華熱電有限公司的機組是熱電聯供機組，在項目設計中考慮到負荷的不確定性，在鍋爐引風機630KW/10KV電動機和二次風機355KW/10KV電動機分別采用了MAXF800-10000/920和MAXF475-10000/600高壓變頻調速裝置，兩臺裝置均順利投運。在并網發(fā)電初期，由于熱用戶較少，鍋爐出力僅為額定的約30%，因此風量需求很小，兩臺變頻裝置均運行在低負荷區(qū)，輸出頻率均不到20Hz，從高壓側檢測到的電流僅為1A左右。同期運行的送風機系統(tǒng)，驅動電動機為710KW/10KV，沒有采用高壓變頻調速驅動，調節(jié)方式為節(jié)流調節(jié)，風門開度很小，運行電流約為30A。由此可見，采用變頻調節(jié)在新建機組中使用，尤其是在機組運行初期，節(jié)能效果尤為明顯。即使在機組正常運行期間，變頻調節(jié)節(jié)能一般達到20-30%，投資回收期約為2年。 8 采用高壓變頻調節(jié)的間接經濟效益 采用高壓變頻調節(jié)除了能夠產生良好的直接經濟效益外，同時還有以下優(yōu)點： 1.可以實現空載軟啟動，啟動峰值電流和啟動時間大為減少，避免因大啟動電流造成的絕緣老化及由于大電動力矩造成的機械沖擊對電機壽命的影響，減少電機的維護工作量，節(jié)約檢修維護費用。 2.對于容量大的電動機，可以節(jié)省啟動裝置的費用，通過變頻驅動直接起動。 3.功率因數得以提高，電流減小，可以省去功率因數補償裝置，充分利用變壓器系統(tǒng)的容量。 4.節(jié)流調節(jié)裝置全開，減小管道系統(tǒng)內流體壓力波動，系統(tǒng)運行穩(wěn)定性得到改善。 5.變頻調節(jié)的調節(jié)控制性能遠遠好于節(jié)流調節(jié)，有利于實現系統(tǒng)的集散控制。 6.變頻調節(jié)使電動機的轉速降低，環(huán)境噪音可以得到大大改善。 9 結束語 單元串聯多電平高壓變頻調速裝置的可靠性已經達到可以廣泛應用的程度，尤其是實現的單元在線更換功能和采用了無極性電力電容的MAXF系列高壓變頻調速裝置可靠性又有了很大的提高，性價比高，具有廣泛推廣使用的市場前景。