（电气工程专业论文）热电厂高压电机变频调速装置的应用研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 热电厂高压电机变频调速装置的应用研究 摘要 高能耗已经成为我国电力行业发展急需解决的问题。同时，随着热电厂本身运行工 况要求使得高压电机的启停次数和调节增加，恶化了电机运行和使用条件，也使得电机 输出调节品质不佳。采用高压变频调速技术是解决以上问题非常有效的手段。 在发电厂和热电厂中，低压变频调速装置早己得到应用，高压变频调速装置也在现 代电厂和热电厂中应用越来越广泛。现代电力电子技术、计算机技术、现代控制理论的 发展，也促进了变频调速技术的进步，使之成为目前最为活跃的调速技术，应用领域越 来越广。 高压变频器按主电路拓扑结构形式分类，主要有电流源型变频器、中性点钳位三电 平p w m 变频器、单元串联多电平变频器等。本文对上述几种结构具体特点进行了分析， 可以看出单元串联多电平变频器是目前适合热电厂应用的高压变频调速装置结构形式。 应该看到变频调速装置的应用，在改善调节性能、改善设备运行条件、降低能量消耗的 同时，也会带来一定的问题，包括谐波污染、输出d u d t 对电动机绝缘的损害、电动机 温升等，需要采取必要措施加以解决和预防。 本文着重根据高压变频装置在热电厂中的应用典型实例及效益分析，详细论述了变 频装置工程应用需要注意的问题和接口条件，论证了高压变频调速装置在现代热电厂中 是可行的，节能效果明显。 本文仔细分析和研究了高压变频调速装置在工程中的应用，并对存在的问题进行了 深入论述，并提出了解决方案，包括对电动机保护的整定影响、电动机温升的影响和控 制方式的改变等。 关键词：电力电子 高压变频调速热电厂 浙江大学硕士学位论文热电厂高压电机变频调速装置的应用研究 a b st r a c t h i g he n e r g yc o n s u m p ti o nh a sb e c o m ea f tu r g e n tp r o b l e mw h i c hn e e d st ob es e t tl e d d u r i n gt h ed e v e l o p i n go fe l e c t r i cp o w e ri n d u s t r y i na d d iti o n ，t h e r m a lp o w e rp l a n t o p e r a t i o nr e q u i r e m e n tn o to n l ym a k e sh i g hv o l t a g em o t o r ss t a r t & s t o pf r e q u e n t l y a n dv a r ym o t o rs p e e d ，b u ta 1s od e t e r i o r a t et h e i ro p e r a t i o nc o n d i t i o n sa n dw o r s e n t h ec e n t r o lq u a l i t y t h eu t i i i z a t i o no fh i g hv o l t a g ev a t i a b l ef r e q u e n c yd r i y e s e f f e c ti v e l ys o l v e st h ea b o v ep r o b l e m s j u s ta sl o wv o l t a g ev a r l a b l ef r e q u e n c yd r i v e sw h i c hh a sl o n gb e e nu s e di nt h e r m a l p o w e rp l a n t s ，h i g hv o lt a g ev a r i a b l ef r e q u e n c yd r i v e sa r en o wf i n d i n gt h e i rw i d e r a n dw i d e ru s ei nt h em o d e r nt h e r m a lp o w e rp l a n t s t h ed e v e l o p m e n to fm o d e r np o w e r e l e c t r o n i c s ，c o m p u t e ra n dm o d e r nc o n t r o lt h e o r yp r o m o t e st h ep r o g r e s so fv a t i a b l e f r e q u e n c yd r i v e st e c h n o l o g ya n dm a k e st h e m t ob eu s e di nm a n ya r e a s t h e r ea r em a n yt y p e so fm a i nc i r c u i tf o rh i g hv o l t a g ev a r i a b l ef r e q u e n c yd r i y e s ， m a i n l ya r ec u r r e n ts o u r c et y p e ，3 一l e v e lp w mt y p ew i t hc l a m p e dn e u t r a l s ，u n i t s e r i e s ，m u l t 卜1 e v e lt y p e ，e t c t h i sp a p e ra n a l y z e st h ec h a r a c t e r is t i c so f v a r i a b l ef r e q u e n c yd r i v e sm e n t i o n e da b o v e ，a n dd r a wt h ec o n e l u s i o nt h a tu n i t s e r i e sm u l t i - l e v e lv a t i a b l ef r e q u e n c yd r i v e sa r et h em o s ts u i t a b l eo n e sf o r t h e r m a lp o w e rp l a n t s d e s p it eo ft h e i ra d v a n t a g e so fi m p r o v i n gp e r f o r m a n c eo i lc o n t r o l ，o p ti m i z i n g e q u i p m e n to p e r a ti o nc o n d iti o n s ，r e d u c i n gt h ee n e r g y c o n s u m p ti o n ，e t c ，h i g h v 0 1 t a g ev a r i a b l ef r e q u e n c yd r i v e sa l s oh a v es o m ed is a d v a n t a g e sw h i c hn e e du r g e n t s o l u ti o n s ，a m o n gt h e ma r eh a r m o n i cp o ll u ti o n ，m o t o rt e m p e r a t u r eris e sa n dd a m a g e o fo u t p u to nm o t o ri n s u l a ti o n b as e do nt h er e a lt y p i c a le x a m p l e sa n dp r o f i ta n a l y s i s ，t h ef e a s i b i l i t yo fu s i n g h i g hv 0 1 t a g ev a r i a b l ef r e q u e n c yd r i v e si nt h e r m a lp o w e rp l a n t sa n dt h e i ro b v i o u s e f f e c t so ne n e r g ys a v i n ga r ea 1s od is c u s s e di nt h ep a p e r t h is p a p e ra n a l y s e sa n ds t u d yt h ea p p l i c a t i o no ft h eh i g hv o l t a g ef r e q u e n c y c o n v e r t o r ，a 1s oo u t i i n e da r ep r o b l e m sis s u e dd u r i n ge n g i n e e r i n g ，i n c l u d i n g e f f e c t so nv a l u es e t t i n gf o rm o t o r p r o t e c t i o n ，m o t o r st e m p e r a t u r er is o sa n d c e n t r o lm o d e ，e t c k e yw o r d s ：e l e c t ri cp o w e re l e c t t o n ，h i g hv o lt a g ef r e q u e n c yc o n v e r t o r ， v a r i a b l es p e e d ，t h e r m a lp o w e rp 1 a n t 浙江大学硕士学位论文热电厂高压电机变频调速装置的应用研究 f ：频率 h ：扬程、流量 p ：有功功率 q ：流量 s ：电机转差率 d c s ：分散控制系统 i g b t ：绝缘栅双极型晶体管 t h d ：电压( 电流) 总谐波畸变率 m f t ：锅炉主燃料跳闸 p w m ：脉冲宽度调制 术语表 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝婆太堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 表，勾唿 签字日期： 哆年多月) 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解澎塑太堂有权保留并向国家有关部门或机构 送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权浙塑太堂可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存，汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：客、勿萼鸳 导师 签字日期：d 罗年罗月7 日 辩日甲吆日 浙江大学硕士学位论文热电厂高压电机变频调速装置的应用研究 致谢 本课题是在导师吴国忠教授的悉心指导和关怀下完成的。吴老师严谨的治学态度， 勤奋求实的工作作风，渊博的知识，高瞻远瞩的科学视野使我耳濡目染，深受教益。我 充分感受到了吴老师作为一个真正学者所具有的实事求是的工作作风、平易近人的风范 和虚怀若谷的宽阔胸襟。在硕士阶段的三年生涯中，吴老师不但在课题研究和论文写作 上给予我很多的指导和很大的帮助，还积极鼓励我克服研究阶段和写作中的难题，让我 学会了严谨的治学风范。在此，我向尊敬的吴老师鞠躬致谢! 在课题的进行过程中，我也得到同事和单位外同仁的无私帮助和指导，使得课题的 开展更具有针对性和实用性，并对本人的设计思路和解决方案提出了许多宝贵的建议和 指导! 还有宁波大榭开发区热电有限公司总师办和运行部、宁波热电有限公司运行部等 在笔者收集资料过程中给予了大力配合，论文撰写过程中也得到了北京利德华福公司、 四川东方日立公司、西门子罗宾康办事处等有关同仁的大力支持。 感谢来自各行个单位工程硕士班的同学，他们和我一起度过了一段快乐、美好、充 实的求学时光。 最后，也在此向所有关心、帮助过我的老师、同事及朋友们表示衷心的感谢! 浙江大学硕士学位论文 引言 1 引言 随着热电行业的近几年的迅速发展，热电企业所配的锅炉容量也由3 5 t h 发展到 6 5 t h ，甚至4 1 0 t h 的流化床锅炉，到现在普遍采用13 0 t h 的流化床锅炉，锅炉的风机 水泵所配电机的功率也逐渐由2 0 0 k w l ) j , 内增大到6 0 0 k w 甚至1 6 0 0 k w 左右，这么大功率的 电机，采用低压变频器显然已经不合适了。在没有更好的可选方案的情况下，这类风 机要么采用传统的挡板节流方式，要么采用液力耦合器调节方式。近年来，逐渐有热 电厂采用高一低一高配置的6 9 0 v 变频器，和直接高压交一直一交变频器，特别是后一 种变频器，去年开始市场迅速扩大。但总体来说，还有相当部分的热电厂还处于观望 之中。 随着最近国家投资体制改革决定的出台，社会企业自筹资金建设发电企业将变审 批制为核准制，使得该领域投资商业性质更浓了。而作为投资方将比以往更加注重投 资造价，更加注意投资回报率，控制投资风险，实现较快产出。这将有利于避免以往 工程中基建和技改项目不能更好地为生产服务，以致出现基建或者技改刚刚完成即开 始生产改造的不正常现象。现有热电厂为提高机组运行效益，只能走节能降耗改造的 路子，其中高压变频调速设备的采用往往是改造课题之一，而改造投入资金也相当可 观。另外，在实际工程项目中，_ z - e 专业、变频制造厂往往不恰当的配置变频调速或 软启动设备，造成无谓的投资增加或者影响工艺运行效果。另一方面，由于工艺专业 仅仅关心装置本身的节能或调节效果，而忽视了变频器本身可能会对电网产生的谐波 危害，对电网质量造成不利影响。因此，很有必要研究变频装置的性能特点、使用反 馈情况等，对变频调速装置采用进行技术经济分析，以便对设计源头提供必要的指导， 为热电企业决策提供借鉴和参考。 本文通过本人承担的两个项目的设计，在锅炉一次风机和引风机采用了高压变频 器。在设计过程中，收集整理了有关高压电机调速、高压变频器选择及设计的许多资 料，来分析高压变频装置在热电厂的应用前景，并对应用中存在的问题作了分析。 1 1 我国电力系统发展情况 电是最方便的能源，各行各业都使用它。从1 8 3 1 年法拉第发现电磁感应定律，到 1 8 7 5 年的巴黎北火车站发电厂的建立，电能真正进入了实用的阶段。电力工业的出现 是能源工业中的一场革命，为2 0 世纪的技术突飞猛进和所有新兴产业( 如电子工业、电 化学工业、核工业) 的发展提供了物质基础。自电力开始进入人类生活以来，电能以其 1 浙江大学硕士学位论文引言 清洁、易控、高效而发展成为与人们生活联系最密切的能源。各行各业都离不开它， 因此，供电的中断也将影响国民经济的各部门，正像2 0 0 8 年大雪灾引起的湖南郴州大 停电使得人们的生活一下子陷入无序状态，现代社会对电能的依赖程度已经无法用具 体数据来表达。 解放前，我国的电力工业发展非常缓慢，装机容量1 8 4 万千瓦，居世界第2 1 位。解 放后电力工业的面貌发生巨大变化，特别是近3 0 年来我国发电装机台数、装机规模和 发电量均列世界第二位，华中、华东电网实现5 0 0 k v 直流联网运行，电力工业正以大 电网、超高压、大机组、较高自动化的特征向现代化的目标前进。2 0 0 8 年发电装机基 建新增发电设备容量9 0 5 1 万千瓦，其中水电新增2 0 10 万千瓦，火电6 5 7 5 万千瓦，风电 4 6 6 万千瓦。总装机容量达到7 9 2 53 万千瓦，同比增长10 3 4 电力工业是国民经济地一项基础工业，其发展速度必须超前于国民经济发展的速 度，否则其他各项工业将要受到制约。尽管我国电力工业有如此迅速的发展，但仍不 能满足工农业的生产和人民生活用电的需要，以致局部地区和特殊时间段如夏天用电 高峰会出现电力供应不足的情况。 1 2 经济发展急需解决的能耗问题 一方面，中国电力工业的飞速发展全球瞩目，另一方面，国内局部却发生持续、 全面的电力紧张局面。能源是国民经济的基础产业，对经济持续快速健康发展和人民 生活的改善发挥着十分重要的促进与保障作用。改革开放2 0 年来，我国的经济体制逐 步从计划经济向市场经济转化，取得了经济保持年均9 7 的高速增长的成绩。2 0 0 3 年 我国人均g d p 已达到1 0 0 0 美元，标志我国经济由温饱型向小康迈进，从而导致消费结构 的变化，这种变化引起了生产结构的调整。2 0 0 3 年我国开始步入重工业化阶段便是这 种调整的反应，电力工业的发展既要服从重工业化经济发展的特点和规律，又要与经 济协调发展。据有关资料预测，今后二十年，随着我国g d p 的增长，我国电力需求将有 大幅度的增长，预计蛰j 2 0 2 0 年人均装机达到目前世界平均水平。 电力建设需要有一定工期，具有一定的滞后性，这使得要求电力发展要有一定的 超前性，使电力供应能与经济发展相协调。自2 0 0 2 年以来，随着国民经济的快速增长， 我国电力不足问题日益突出，除东北地区外，其余大部分地区电力供需形势总体偏紧， 局部地区季节性、时段性严重缺电。2 0 0 4 年夏季，仅国家电网公司经营区域内最大电 力缺口达到了2 9 8 3 万千瓦，比去年增加了1 9 0 0 7 ) - 千瓦，建设不足经济过快发展，固然 是“电荒”的主要原因，然而电能利用效率低下也是重要原因之一。电力行业的“高 2 浙江大学硕士学位论文 引言 投入、高消耗、高排放、难循环、低效率”问题较为突出。我国电力装机容量和发电 量已连续9 年居世界第二位，但电能使用效率不仅远远低于发达国家，甚至低于许多发 展中国家。如单位发电量所支持的g d p ，美、法是我们的3 倍，意、英、德是4 倍以上， 日本则5 倍以上。我国终端用电年浪费约1 5 0 0 亿k w h ，综合输变电线损和终端用电设备 损失，全国因电能利用效率低下造成的电力浪费年约2 0 0 0 亿k w h 。 因此，探索一条“科技含量高、经济效益好、资源消耗低，环境污染少、人力资 源优势得到充分发挥的新型工业化路子”是中国电力发展的必然选择。国家在制定一 系列政策的同时( 如峰谷电价；对高耗能行业提高电价等) ，节能降耗技术愈发显得重 要。2 0 0 4 - 2 0 2 0 年能源中长期发展规划纲要中坚持把节约能源放在首位，并实行全 面、严格的节约能源制度和措施，“十五”期间，要通过“电机系统节能”计划的贯彻 实施，实现年节电10 0 0 亿千瓦时的目标。 1 3电机节能的意义 电力系统的负荷就是系统中千万个用电设备消费功率的总和，它包括异步电动机、 同步电动机、电热炉、整流设备、照明设备等若干类。不同行业中，这些用电设备的 比重是不同的，表1 - 1 所示是几种工业部门中各用电设备的典型统计数字。电机是电力 能源消耗大户之一，据不完全统计我国电机的总装机容量已达4 亿千瓦，而且随着我国 经济的快速发展仍以每年数千万k w 的速度增长，年耗电量达6 0 0 0 亿千瓦时。然而直到 目前，我国电机的实际功能特性比较让人担忧，各类在用电机8 0 0 0 驼a 上还是以中小型异 步电动机为主，其中相当于世界2 0 世纪5 0 年代末水平的j 0 2 系列电机约占7 0 ，相当于 7 0 年代末水平的y 系列电机不足3 0 ，具有8 0 年代水平的y x 系列的高效电机所占的比重 是非常低的。即使已经运行的电机驱动系统运行效率也往往比国外设备低1o 左右，节 能潜力巨大。在上世纪八十年代我国曾作过不完全统计，全国风机、水泵的年耗电量 约占全社会用电总量的三分之一，占全国全年工业用电的4 0 5 0 乜。 表1 1 工业部门用电设备比重的统计( ) 综合性中化学工业化学工业大型机械 类型棉纺工业钢铁工业 小工业 一电化厂一化肥厂 加工工业 异步电动机 7 9 19 9 813 o 5 6 02 0 o 8 2 5 同步电动机 3 24 4 01o o1 3 电热电炉 1 7 7o 27 0 o1 5 o 整流设备 8 7 o1 2 合计 10 0 01o o o10 0 0 10 0 o1o o o1o o 0 3 浙江大学硕士学位论文 引言 1 4 发电厂节能的意义 发电厂包括热电厂在生产电能的同时，由于厂内辅机较多，本身也是耗电大户。 选用的电机设备普遍运行效率低，厂用电率居高不下是长期以来困扰发电企业的提高 经济效益的主要问题之一，特别是2 0 0 8 年以来，市场电煤价格受国际市场影响的上扬， 发电成本大幅提高，极大影响发电企业盈利水平。表1 - 2 的1 9 9 7 2 0 0 7 电力系统主要经 济技术考核指标中不难发现，发电厂厂用电率并没有像其他指标( 如线路损耗、煤耗等) 随着电力技术进步下降明显。 表1 - 2 电力系统历年主要技术经济指标( 1 9 9 7 - 2 0 0 7 年) 发电厂厂用 线路损耗 发电标准煤供电标准煤 年份备注 电率( )( ) 耗( g k w h )耗( g k w h ) 1 9 9 76 8 08 2 03 7 54 0 8 1 9 9 86 6 68 1 33 7 34 0 4 1 9 9 96 5 08 1 0 3 6 9 3 9 9 2 0 0 06 2 87 8 13 6 33 9 2 2 0 0 16 2 47 5 53 5 73 8 6 2 0 0 27 5 23 5 63 8 3 2 0 0 36 1 07 7 73 5 53 8 0 2 0 0 47 5 53 4 73 7 6 2 0 0 55 9 57 2 13 4 33 7 0 2 0 0 65 9 37 0 43 4 33 6 6 2 0 0 75 8 36 9 73 3 43 5 3 因此，电力企业节能，降低厂用电，提高运行管理水平，不仅是发电企业本身经 济利益的驱使，更是对社会健康可持续发展应尽的义务的体现。浙江省近几年经济发 展较快，特别是外贸型印染纺织等产业走在全国的前列，与之配套热电联产的电厂也 受负荷变化需要，迫切需要节能减耗，可见热电企业内风机水泵节能潜力巨大。 1 5 热电厂运行需要变频调速技术 热电厂在电力系统实际运行中，由于电力峰谷负荷差值和工艺负荷差值越来越大， 部分时段发电机和锅炉负荷降低，有时负荷变化比较频繁。也有许多火电机组和热电 厂担负起调峰的任务，另外随着现代锅炉制造水平和控制运行水平的提高，机组的稳 燃最低负荷值也越来越低，一般燃煤机组最低稳燃负荷己可以达到2 0 3 5 ，甚至更低。 一旦机组降负荷运行，由于所有辅机电机恒速运行，只能被动的采用挡板、阀门或空 放回流的办法进行输出量的调节。加上辅机容量本身在选择时有较大余量，导致驱动 4 浙江大学硕士学位论文引言 电动机长期在低负荷低效率状态下运行，造成大量的能源浪费。高压变频调速技术可 以大幅度降低能耗，提高运行效率，尤其是在低负荷时节能效果更加明显。从目前高 压变频器的一般使用情况来看，无论采用基于何种技术的高压变频装置，对风机水泵 类负载平均节电均可达3 0 。因而，无论是在新建项目中，还是在技改项目中，高压变 频系统的投入和使用，是非常有效的节能手段。另外，在大容量风机、水泵等电站辅 机设备上采用高压变频器调节风量( 水量) ，具有效率高、调节精度高、响应速度快、 调节线性度好、运行可靠等优点，可以优化工艺、提高自动化控制。 另外，辅机电动机在启动频繁时容易影响设备使用寿命，一些统计资料表明，高 压电机在全压启动过程中因受启动电流冲击而造成线圈过热、定子绕组接头开焊、转 子鼠笼断条、绝缘损坏以至烧坏电机的情况比较多见。作为辅助功能，高压变频调速 技术还可以实现电机软启动，改善电动机的起停运行状况，有利于热电厂辅机安全经 济运行，降低设备维修率，延长设备使用寿命，为热电企业提高经济效益。 1 6 本文的主要工作 高压变频在上世纪末期得到较快发展，主要受益于现代计算机技术、控制理论的 发展，特别是电力电子技术的长足发展，克服了原来存在的许多技术难题和设备元器 件门槛，使得高压变频调速技术从理论研究和工程实际应用上都有了快速进展。从上 个世纪末期开始，高压变频调速设备开始在发电厂中应用，但由于受电厂对电气设备 可靠性的苛刻要求和传统思维影响，总体来看，仍然不如在其他工业系统如石化等行 业应用的广泛。有鉴于此，本文所探讨的课题就是研究高压变频调速技术是否适合现 代热电厂的生产需要及如何应用。 本文首先从我国高耗能的现状论述节能降耗技术对经济可持续健康发展的重要 意义，从设备本身尤其是现有电机制造和运行水平、工艺需要等方面可以看出现代热 电厂在节能降耗方面具有很大的潜力可挖。而高压变频调速技术正是实现节能降耗目 的的切实可行的手段之一。 本文在收集、查阅大量国内外变频相关资料的基础上，从现代电力电子元件的发 展进程入手，对国内外变频调速技术的发展现状及存在的应用问题做了较为详细的研 究和分析，对目前国内外主流产品采用的变频调速电路拓扑结构形式的特点进行分析， 结合热电厂的工艺特点，提出了适合电厂高压电机调速要求的调速方式。另外，对采 用变频调速以后带来的问题如谐波污染、电动机散热降低造成发热温升、与高压侧开 关二次保护的影响和协调等作了分析，提出了设备选型中的注意事项和解决措施。结 5 浙江大学硕士学位论文引言 合实际应用案例，通过比较翔实的运行反馈数据、表格，分析高压变频调速技术的实 际应用节能效益，比较直观和客观。 本文将分析研究的所得付诸于工程实际。完成宁波大榭开发区万华热电项目二次 风机系统高压变频调速技术的工程设计，对采用高压变频调速造成的电动机启动，保 护整定，联锁设计进行了分析。并对高压变频调速技术在热电厂其他设备中的应用进 行了展望，如引风机等。 综上所述，开展本课题的目的就是通过分析高压变频调速技术的发展、现状、特 点、实际案例，并分析了高压变频技术应用对电网、电动机的潜在影响，从而论证和 分析了热电厂中采用高压变频调速的可能性、必要性。然后，在热电厂具体工程应用 及设计中，对不同于其他应用场合的特点作了必要的分析和探讨，也对变频故障可能 引起的问题作了深入分析。 6 浙江大学硕士学位论文高压变频调速的发展及特点 2 高压变频调速的发展及特点 2 1电机的调速原理 不同工艺系统的不同流程和工况决定了电动机需要调速的要求，因为不同的系统 工艺生产要求有不同的运行速度，甚至同一台电机在不同的生产过程和时段需要调节 不同的运行速度。这就要求电气的电机根据生产x e 的要求，对电机拖动系统的运转 速度进行控制调整；例如，热电厂的引风机根据锅炉负荷率的不同，要求调节引风机 的运转速度，等等。这些也就是工程上经常遇到的电机调速问题。 根据经典电机理论，调速技术属电气传动技术研究范围。正常情况下，在需要速 度调节的驱动设备中，人们会首先选用直流电机，因为直流电机良好的调速特性容易 实现平滑、无级、宽范围、低损耗的调节，但电机结构比较复杂，转动惯量大，维护 量大，对运行环境要求苛刻，限制了直流电机的应用范围。相对而言，异步电动机以 其合理的价格、制造简单、维护方便成为生产实践中主要驱动动力，促使异步电动机 在调速系统中的应用成为电机拖动领域比较受关注研究的课题。 如下式所示，电机调速技术的基本原理是根据感应电机转速与工作电源输入频率 成正比的关系： n = 6 0f ( 1 - s ) p ( 2 1 ) 式( 2 - 1 ) 中n 、f s 分别表示电机转速、输入频率、电机转差率，其中助感应电 机的极对数； 由上式不难可出，要改变感应电动机的转速，只要调节p ，s 或f - z 个变量，就可实 现电机调速的目的。由此，理论上可得到三种基本调速方法： 夺改变电机的定子绕组的极对数p ，以改变定子旋转磁场的转速。该方法属于变 极调速，受极对数限制调速单一，应用领域有限，切换控制回路复杂。如某 些电厂采用的双速冷却塔风机即采用这种调速方式。 令改变电机的转差率s ，主要有改变定子端电压、改变定子电阻或漏抗、改变转 子电阻、改变转子电抗等方法。这种调速方式系统结构简单，有一定的应用 领域，但转速的调速范围有局限，适用对速度要求不精确的场合。如串极调 速、转子串电阻调速均属这种方式。 令改变电机的频率臌率最高，可以构成平滑的交流调速系统，是应用领域最广 泛，调速精度最高，调节范围宽，是最有发展前景的一种调速方法。 另外，考虑到对已有系统的改造时，原有电动机一旦制造运行，其转差率s 和极对 7 浙江大学硕士学位论文高压变频调速的发展及特点 数p 就确定了，由于转速n 与频率眨间为线性关系，从理论上分析调速范围在0 10 0 内可调，调节精度和线性度都比较好，特别适合后期技改工程中采用变频调速方法。 2 2电机调速的分类 根据2 1 节的分析，根据交流电动机的转速特性表达式可知，它的调速方式可分为 三大类：频率调节、磁极对数调节和转差率调节，比较成熟和广泛应用的有8 种通用调 速技术。 人们通常从节能效率的角度把交流调速分为高效调速和低效调速。高效调速是指 基本上不增加转差损耗的调速方式，在调节电动机转速时转差率基本不变，不增加转 差损失，或将转差功率以电能形式回馈电网或以机械能形式回馈机轴；低效调速则存 在附加转差损失，在相同调速工况下其节能效果低于不存在转差损耗的调速方式。 属于高效调速方式的主要有变极调速、串级调速和变频调速；属于低效调速方式 的主要有滑差调速( 包括电磁离合器调速，液力偶合器调速、液粘离合器调速) 、转子 串电阻调速和定子调压调速。其中，液力偶合器调速和液粘离合器调速属于机械调速， 其他均属于电气调速。变极调速和滑差调速方式适用于鼠笼型异步电动机，串级调速 和转子串电阻调速方式适用于绕线型异步电动机，定子调压调速和变频调速既适用于 鼠笼型电动机，也适用于绕线型异步电动机变频调速和机械调速除适用于异步电机 外，还可用于同步电动机。 2 3 高压变频调速的基本控制方式 美国电力研究院早在1 9 8 1 就开始研究电力电子调速传动在电厂大型异步电动机 上的应用，并在1 9 8 4 1 9 8 9 年进行了连续5 年的风机和泵类负载大型异步电动机变频调 速现场试验，对大型变频调速装置的经济性和运行可靠性得出肯定的结论。 交流电机变频调速的出现及应用，不但是电工技术领域出现的最好节电技术，也 是电气传动领域崭新的工艺设备但6 1 。中、高压变频调速与低压变频调速一样，有如下 几种控制方式。 2 3 1 v f 协调控制 根据电机学交流电动机的感应电动势公式：e = 4 4 4 n f o ( 2 2 ) 忽略定子绕组的阻抗，定子电压f ，6 = 4 4 4 n f f c p ( 2 - 3 ) 式( 2 - 2 ) 、( 2 - 3 ) 中，n 为绕组有效匝数，o 为磁通量。 当改变频率f 调速时，假设电压u 不变，则会相应改变磁通中的大小。例如，当电 机供电频率降低时，若保持电机的端电压不变，则电机中的p 将随之增大。由于电机 r 浙江大学硕士学位论文 、 高压变频调速的发展及特点 厂家在设计时的磁通选为接近饱和值，中的增大将导致电机铁心饱和，造成电机中流 过很大的励磁电流，增加铜耗和铁耗。而当供电频率增加，电机出现欠励磁时，将会 引起电机输出转矩的下降。因此在调节电机的频率时，应对电机的电压或电动势进行 相应调节控制，即必须通过变频装置获得电压频率均可调节的供电电源，实现变压变 频控制( v v v f ：v a r i a b l ev o lt a g ev a t i a b l ef r e q u e n c y ) 。 异步电动机变频调速的基本控制方式如图2 1 所示： 图2 - 1v f 曲线 v f 协调控制是依据稳态关系得出的，因而动态性能较差。如果要改善v f 协调控 制性能，需对磁通进行了闭环控制。 v f 协调控制可以近似保持稳态磁通恒定，方法简单，主要缺点是低速性能较差。 因为低速时，异步电动机定子电阻压降所占比重增加，不适用u e ，故这时v f 协调控 制已不能保持中恒定，这是其本身固有的局限性。 2 3 2 矢量控制 众所周知，直流电动机具有极其可贵的调速性能，可在广阔范围内平滑而经济地 调速，这是因为电磁力矩t 。- - - c 。i 。( c 。为电机的力矩常数) ，励磁绕组和电枢绕组各自 独立，空间位置互差9 0 0 ，因而和电枢电流i 。产生的磁通正交，如忽略电枢反应， 它们互不影响；两绕组又分别由不同电源供电，在中恒定时，只要控制电枢电流或电 枢电压便可控制转矩。而异步电动机只有定子绕组与电源相接，定子电流中包含励磁 电流分量和转子电流分量，两者混在一起( 称为耦合) ，电磁转矩并不与定子电流成比 例。交流电机的矢量控制的就是受直流电机的控制原理启发，将交流电机的动态方程 式进行坐标变换，包括三相至二相的变换( 3 2 ) 和静止坐标与旋转坐标的变换，从而将 定子电流分解成励磁分量和转矩分量( 解耦) ，它们可以根据可测定的电动机定子电压、 电流的实际值经计算取得，然后分别与设定值一起构成闭环控制，经过调节器的作用， 9 浙江大学硕士学位论文 高压变频调速的发展及特点 再经过坐标反变换，变成定子电压的设定值，实现对逆变器的脉宽调制( p w m ) 控制。 矢量控制可获得与直流电动机相媲美的控制性能，但由于交流电动机的电磁关系 比直流电动机复杂得多，关键是如何对交流电机模型进行解耦。矢量控制主要应用于 对动态性能要求较高的工艺系统，设备投资也较高。 2 3 3 直接转矩控制( d s r ) 直接转矩控制也是分别控制异步电动机的转矩和磁链，只是它选择定子磁链作为 被控制的磁链，而不像矢量控制那样选择了转子磁链，因此可直接在定子坐标上计算 与控制交流电动机的转矩。即通过实时检测磁通幅值和转矩值，分别与给定值比较， 由磁通和转矩调节器直接输出，共同控制p w m 逆变器的空间电压矢量。它不需要分开的 电压控制和频率控制，也不追求单相电压的正弦，而是将逆变器和电机视为整体，以 三相波形总体生成为前提，使磁通、转矩跟踪给定值，磁链逼近圆形旋转磁场 z 5 1 。 直接转矩控制优点是不需要坐标变换，也不受转子参数变化的影响，控制器结构 简单，而仍具有良好的静、动态性能。 2 3 4 无速度传感器矢量控制 转速闭环控制是比较高级的控制方式，但速度采集需增加传感器的安装、维护， 增加的传感器环节可能影响系统的可靠性。因而无速度传感器控制逐渐受到人们关注。 无速度矢量控制并不是摒弃速度反馈量，而是利用现有采集量导出速度。常用的方法 有：利用电机的基本方程式( 稳态或动态) 导出速度的方程式进行计算；根据模型参考自 适应的理论，选择合适的参考模型和可调整模型，利用自适应算法辩识出速度；或者 利用电机的齿谐波电势计算速度，或计算转差频率进行补偿等。 上述4 种控制方式，v f 协调控制是转速开环控制，无需速度传感器，控制电路简 单，可广泛适用于通用标准异步电动机负载，通用性强，经济性好，是使用较多的一 种控制方式，常用于速度精度要求不高或负载波动较小的场合。后三种则用于高性能 的通用变频器，其中控制精度前一种矢量控制的控制精度高且动态性能好，但整套变 频器系统复杂，投资较贵；后二种则控制精度和性能稍逊，但整套变频器系统相对简 单，投资较便宜，目前国内外主流变频厂家采用无速度传感器矢量控制技术为主。 此外，除了以上几种常见控制方式，还有一些简化或改进的控制方式，如矢量演 算的v f 控制、直接矢量控制( 其磁通由测算而不是估算得出) 等，在此不再一一详细介 绍。 1 0 浙江大学硕士学位论文高压交频调逮的发展及特点 2 4 变频调速技术的发展 目前，交流调速电气传动己经上升为电气调速传动的热门课题。近年来交流传动 控制技术的快速发展主要得益于一些关键技术的突破，关键技术主要有电力电子器件 的制造技术、电力变换技术、矢量变换控制技术、直接转矩控制技术、调制p w m 技术以 及全数字化控制技术等。 2 0 世纪是变频调速技术由诞生到发展的时代。交流静止调速起步于上世纪7 0 年代， 8 0 年代低压变频技术逐步推广应用，而高压变频由于功率大、高电压等特殊要求，9 0 年代以后才开始得到发展并在2 0 世纪末得到规模推广。g t o ( 集成门极换向性晶闸管) 等新型电力电子器件的发展、d s p ( 数字信号处理器) 和a s i c ( 专用集成电路) 的快速发展 以及新颖控制理论和技术( 如磁场定向矢量控制、直接转矩控制等) 的完善，使变频调 速系统在调速范围、调速精度、动态响应，功率因数、运行效率和使用方便等性能指 标超过了直流调速系统，电机交流变频调速技术是当今节能降耗、改善工艺流程和改 善环境、推动技术进步的一种重要选择。 以建立第一个电气传动成套公司为标志，我国电气传动产业起步可以追溯到1 9 5 4 年。我国电气传动与变频调速技术的发展简史详见表2 - 1 。 表2 - 1 我国电气传动与变频调速技术的发展表 应用技术特征应用年代 带电机扩大机的发电机一电动机机组传动 2 0 世兰r , 5 0 年代初7 0 年代中期 汞孤整流器供电的直流调速传动5 0 年代后期6 0 年代后期 磁放大器励磁的发电机一电动机机组传动6 0 年代初7 0 年代中期 晶闸管变流器供电的直流调速传动6 0 年代后期一7 0 年代后期 晶闸管变流器供电的直流调速传动7 0 年代初 饱和磁放大供电的交流调速传动6 0 年代初6 0 年代后期 静止串级调速交流调速传动 7 0 年代中 循环变流器供电的交流变频调速传动 8 0 年代后期一 电压或电流型脉冲逆变器供电的交流变频调速传动 8 0 年代初 i g b tp w m 逆变器供电的交流变频调速传动2 0 世纪9 0 年代初 2 5 变频调速技术解决方案 交流变频调速装置根据工作电压不同，可分为低压变频器和高压变频器。对低压 变频器这里不作讨论，包括工程技改中采用的y 一降压变压器交换型，如通过降压变 l l 浙江大学硕士学位论文高压变频调速的发展及特点 压器将6 k v 降到一定的电压3 幻6 9 0 v 再利用低压变频器驱动电机，结构复杂，且还是局限 于低压变频范围，受容量大小限制。 而在用于高压供电负荷的变频器种类中，单从变频器输出的电压又分为高一高型 ( 一般设置隔离变压器与电网隔离) 和高一低一高型；高一低一高变频调速控制方案是将高 压通过降压变压器使变频器的输入电压降低，然后将变频器的输出电压通过升压变压 器使输出电压提高到较高的电压等级，以满足交流电动机的电压要求。本文所要讨论 的变频调速装置是指直接高压变频( 高一高型) 。 高压变频调速应用存在的主要问题是方案实施的技术经济性，包括变频调速应用 的可行性、可靠性，节能效益；关键技术是实施方案中变频元件的电压的等级的合理 选择，如何降低或预防变频器负面的影响如谐波污染、对电动机温升及绝缘的影响等。 2 5 1电力电子元件 电力电子技术是目前发展最快、最为活跃的技术之一，在电机拖动、高压直流输 电、静止无功补偿及电源设计中都有广泛的应用。在2 0 世纪7 0 年代以前，电力电子器 件基本是晶闸管一统天下。后来出现了集成度和工作频率高、功能强的全控型功率半 导体器件。可用于高压变频的电力电子器件有i g b t ，i g c t ，g t o ，s g c t ，s c r ，g t r 等， 其特点如下：绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 模块：综合了m o s 场效应晶体管和双极晶体管b j t ( b i p o l a rj u n c t i o nt r a n s is t o r ) 的特点。目前除低压1 7 0 0 v 1 2 0 0 a 夕b ，已开发出高压 为3 3 0 0 v 1 2 0 0 a 和4 5 0 0 v 9 0 0 a 产品，a b b 公司已开发出5 0 0 0 v 产品。应用以17 0 0 v 以下最 为成熟，其优点是电压控制、驱动电路简单，开关频率高、开关损耗小，通过控制基 极电流易于实现过电流保护，易于实现过电压保护，也可降低电动机采用变频后的运 行噪声。缺点有导通损耗稍高( 17 0 0 v 器件为2 - 3 v ) 、封装热阻大、低压产品用于高压时 需多个串联。 近年来，智能功率模块i p m ( i n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e ) 的发展非常迅速，种类 也很多。该模块集功率开关元件、触发驱动、过电流保护、过电压保护，过热保护及 故障监测等功能于一体，可使硬件电路的设计大大减少，抗干扰性能进一步改善。但 容量不太大，价格较高。目前己有1 2 0 0 v ，8 0 0 a 的大功率i p m 器件用于风力发电中 1 3 1 。 从上看出，尽管电力电子元件技术水平有了很大提高，但单一元件耐压不能满足 工程需要的问题。一般可采用多个器件串联的办法来解决，但因各元器件的动态电阻 和极电容不同，而存在稳态和动态均压问题。如采取与器件并接r 和r c 的均压措施，会 使电路复杂，损耗增加；同时，器件串联对驱动电路的要求也有提高，要做到串联器 1 2 浙江大学硕士学位论文高压变频调速的发展及特点 件同时导通和关断。否则，各元器件开、断时间不同步，承受电压不均，会导致器件 损坏。 2 5 2 谐波抑制技术 由于大量开关元件的采用，所有电力电子装置都不可避免地产生非正弦波形，会 向电网注入整数倍基波频率的谐波电流，使电网电压波形畸变，对连接于电网上的设 备的正常运行带来不良影响和危害，称之为电气环境污染或电力公害。 谐波对电网主要危害主要有以下几个方面： 令使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的 效率，大量的3 次谐波流过中性线时会使线路过热甚至发生火灾。 令谐波对电机的影响除引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪声和过电压，使 电机产生轴电流损害电机绝缘n 引。谐波使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、 寿命缩短，以至损坏。 谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，使危害 加剧，甚至引起严重事故。 谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电器测量仪表计量不准确。 谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量；重者导