高压变频器常识

变频改变世界

节能创造未来0培训讲义第二部分高压大功率变频器常识

前言一、定义二、基本原理三、功用四、应用场合五、高压变频技术分类六、交直交型变频技术分类七、用户关心的问题前言变频器--利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一种频率的电能控制装置。变频器主要用于--交流电动机(异步电机或同步电机)转速的调节，是公认的交流电动机最理想、最有前途的调速方案。恒压、恒频交流电

电压、频率可变的交流电一、定义高压变频器：用来驱动1kV以上交流电动机的中、大容量的变频器。按国际标准（IEC60038:1983）和中国国家标准（GB156-2003）的规定：把电压分为<1kV、1～35kV、35～220kV、>245kV四个等级。在1～35kV电压段，我国使用3kV、6kV、10kV和35kV四个标准电压。我们习惯上将3kV、6kV、10kV电机称为高压电机。在欧美地区，在此电压区段常见的标准电压有3.3kV、6.6kV、11kV、4.16kV(该电压仅适用于北美洲)等多种。二、基本原理

按照电机学的基本原理，电机的转速满足如下的关系式：n=(1-s)60f/p=n0*(1-s)P：电机极对数；f：电机运行频率；s:滑差n:电机的实际转速；n0：电机的同步转速 结论：如果平滑地改变加到异步电动机定子绕组的交流电的频率f，就可以平滑地调节异步电动机的转子转速n。三、功用1、可实现无级调速，变传统电机为智能电机2、显著的节能效益我国能源现状：能源后备储量有限；能源利用率低；节能是必走之路。三、功用由流体力学原理知：输出流量Q与转速n成正比：Q1/Q2=n1/n2……（1）输出压力H与转速n2成正比:H1/H2=(n1/n2)2

……（2）输出轴功率P与转速n3成正比:P1/P2=(n1/n2)3

……（3）结论：当输出轴的转速下降20%时，输出轴的功率下降49%。80%转速-80%流量-64%压力-51%输出轴功率100%转速-100%流量-100%压力-100%输出轴功率三、功用三、功用三、功用变频调速在水泵上的应用：流量由Q1变为Q2时，如果水泵定速运行，工作点将由A变为B点，压力将升高，威胁管网安全；如果通过调速方式，水泵工作点将由A变为C点，在提供需要流量的同时，保持压力不变。水泵在B、C两点的输出功率差为：PB－PC＝（H3－H2）×Q2。在A、C两点，尽管水泵速度不同，但由于在两种情况下水泵所承担的流量不同，其出口压力和外管网压力仍然保持平衡。由于压力平衡的需要，水泵并联运行时，调速水泵的速度不能低于N3，否则将出现根本不对外出水的现象。非但不节能，还出现水泵空转耗能的现象。三、功用1、可实现无级调速，变传统电机为智能电机2、显著的节能效益3、节省了维护费用采用变频调速后，可以避免因通过阀门控制使泵过多偏离额定工作区而引起的振动，这种振动严重时会引起悬臂泵轴头断裂。由于启动缓慢及转速的降低，相应地延长了许多零部件如密封、轴承的寿命，特别是减轻了起动机械转矩对电机机械损伤，有效的延长了电机的使用寿命，减少了检修维护开支，节约大量维护费用。三、功用1、可实现无级调速，变传统电机为智能电机2、显著的节能效益3、节省了维护费用4、节约了电网容量当采用变频调速时，50Hz满载时功率因数为接近1，工作电流比电机额定电流值要低许多，这是由于变频装置的内滤波电容产生的改善功率因数的作用，可以为电网节约容量。三、功用1、可实现无级调速，变传统电机为智能电机2、显著的节能效益3、节省了维护费用4、节约了电网容量5、高精度宽范围的无级调速，能够全面满足各种复杂工艺的需要6、提高生产效率和机组自动化水平四、应用范围电力工业：锅炉给水泵、送风机、引风机、循环水泵、凝结泵等。冶金行业：高炉鼓风机、炼钢制氧机、除尘风机、轧机等。石化行业：大型输油泵、化工生产的压缩机等。采矿行业：排水泵、排风扇、提升机等。城市建设：自来水供水泵、集中空调压缩机等。交通工业：机车电气传动、轨道交通电气传动等。四、应用范围（一）电力行业1、据统计，电厂厂用电约占发电量的8%，辅机大多为高压电机，单机容量大，运行时间长，耗电量也最多，约占电厂厂用电的80%。2、考虑各种因素，电厂辅机设备在选型和容量设计上，即使发电机满负荷运行的情况下，辅机设备也具有很大的容量冗余，导致电能无谓消耗；3、近几年随着一些机组容量较小的电厂调峰任务加重，由于机组不承担基本负荷，经常处于调峰状态，引风机档板开度只能达到50%左右，造成能量大量无谓浪费；4、调峰运行导致辅机设备启停次数增加。高压电机的频繁启动，直接导致电机及机械的使用寿命减少，维护工作量和维护成本增加；5、电力系统推行厂网分离、竟价上网，导致电厂成本压力加大；6、以上所有因素都使得电厂积极寻求新设备新技术来对原有机组进行改造，实现节能降耗，以增强自身的市场竞争能力。四、应用范围（二）冶金行业1、煤气鼓风机煤气鼓风机是焦化厂的核心设备之一，其作用是把炼焦炉出来的焦炉煤气不断抽出，经集气管、吸气管、初冷器、捕焦油器、回收氨和苯的系统等一系列的设备，然后才能变成净煤气送给不同的用户，或送至贮罐。采用高压变频控制鼓风机，根据集气管压力大小，煤气流量等相关信号，调节鼓风机转速，形成压力闭环控制，就会稳定集气管压力，从而改善了焦炉生产及现场环境，完全达到了生产工艺要求。四、应用范围（二）冶金行业2、转炉除尘风机转炉除尘风机在用于把炼钢过程中产生的烟气（灰尘及相当一部分的有害物质），吸入到烟气处理设备中进行处理，然后再排入大气中。用高压变频调速技术，通过改变电机的转速达到调节风量的目的。在一个吹炼周期中，高速运行只有C到D的时间，其余均为中、低速运行。缩短了高速运行的时间，其节能效果非常明显，从而大大节省了炼钢的成本。四、应用范围（二）冶金行业3、电弧炉除尘风机(1)通过高压变频器调速运行，节电率达到了40％以上。(2)除尘设备功耗随电炉炼钢生产工艺变化运行，实现了除尘系统的最佳工况运行,提高了系统效率。(3)有效降低了除尘系统负荷率，延长了除尘器、除尘风机、除尘电机、烟道等设备的使用寿命。(4)能降低炉内热量损失，合理控制过程温度，确保终点温度。(5)

有助于改善炉内吹炼工况，缩短炼钢时间，提高钢产量改善出钢品质(6)降低补炉期间的能耗和炉衬散热损失。电弧炉的炼钢周期为70-85分钟，其中装料5-8分钟，送电熔化20-25分钟，吹氧25-28分钟，还原期12-16分钟，冲渣出钢5-7分钟。

四、应用范围（三）石化行业1、油田开采行业（1）注水泵油田开发过程中地层能量不断衰减，常用注水方式以保持地层能量，进行油田开发。特点：①注水系统运行常是“大马拉小车”，效率低下。②注水压力波动大，控制难度高（要求恒定）。而高压变频器在注水泵上的应用，能够实现恒压、变量注水，使地质状况更趋向有利于开采作业的理想化操作，又可节约大量能源。四、应用范围（三）石化行业1、油田开采行业（2）输油泵在油田的输油系统中，大多采用高压输油泵技术。与注水泵类似，输油泵额定排量往往大于实际需要排量，出现“大马拉小车”现象。（3）电潜泵电潜泵是井下工作的多级离心泵，同油管一起下入井内，地面电源通过变压器、控制屏和电潜泵专用电缆将电能输送给井下电潜泵电动机，使电动机带动多级离心泵旋转，将电能转换为机械能，把油井中的液体举升到地面。特点：①全压、工频使它故障频繁，运行成本大增。②电潜泵在正常工作时，“大马拉小车”现象严重。传统调节方式是靠更换油嘴调节产量，既造成能量损失又不能精确控制。四、应用范围（三）石化行业2、在石油化工行业中的应用（1）循环水泵循环水泵是石油化工行业中的主要设备，而大多数水泵仅采用挡板的开度来调节水量的大小。如采用高压变频器对这些水泵进行调速、调量，将达到良好的运行效果。（2）压缩机高压、大功率的压缩机是石化工业生产中的重要关键设备，其作用就是通过气体压缩，为气

体输送或化学反应提供动力。根据压缩机的工艺情况，压缩机很少有满负荷运行的，大多数都是在低于额定工况下运转，负载率较低，不但其风压与流量大小要靠手动阀来调节，操作困难，而且也浪费了大量的电能。而高压变频器的节能、省力、易于构成自控系统的显著优势，非常适宜于压缩机的调速控制上。四、应用范围（四）水泥行业窑尾排风机、煤磨排风机、高温排风机、循环风机、窑炉引风机、窑炉供气风机、压力送风机、冷却器排风机、冷却器吸尘风机、分选器风机、预热塔风机、粉磨收尘风机、生料碾磨引风机等设备。特点：考虑产量变化及生产品种的变化（水泥成品的颗粒细度不同），需要不同的风量来满足工艺要求。若用档板调节，不但控制精度较差，并且依靠档板截流来减少风量，电机的出力变化较小，造成大量电能被白白浪费。

四、应用范围（五）市政行业供水泵大部分都是采用阀门改变供水管道的阻力来调节流量的，在调节流量的同时导致相当一大部分电能损失在管路的阻力上，致使水泵效率很低。（六）煤矿行业带式输送机矿井提升机高压排水泵高压排风机耗电量占煤矿生产耗电量的80%左右。水泵的耗电量占生产电耗的20%~30%；排风机的耗电量占生产电耗的15%~25%。四、应用范围（七）化工行业行业特点：1、风机、泵、压缩机数量较大；2、化工生产过程负荷变化较大，工艺需要调速控制；3、电动机的功率以小容量为主，其中55KW以下容量的占81.11%；55～200KW中等容量的占10.67%；200～1000KW中大容量的占8.22%，而且以同步机数量居多。五、高压变频技术分类主回路结构储能方式电平数控制方式交-直-交交-交电流源型电压源型多电平三电平二电平压频比控制直接转矩控制矢量控制五、高压变频技术分类比较内容主回路结构交-交型交-直-交型

结构交-交结构没有直流回路，每相都由两个相互反并联的整流电路组成，正桥提供正向相电流，反桥提供负向相电流。交-直-交结构先将电源交流电用整流电路转变成直流电，再用逆变电路将直流电转换为频率可变的交流电。换能方式一次换能二次换能换流方式电源电压换流强迫换流或负载换流装置元件数量比较多比较少元件利用率比较低比较高调频范围输出最高频率为电网频率的1/3～1/2频率调节范围宽电网功率因素比较低用PWM方式调压，则功率因素高适用场合低速大功率-轧机等特殊负载各种拖动装置、稳压稳频电源-通用型五、高压变频技术分类比较内容储能方式电流源型电压源型

结构电流源型输入采用可控整流，控制电流的大小。中间采用大电感，对电流进行平滑。逆变桥将直流电流转换为频率可变的交流电流，供给交流电机电压源型大多采用二极管进行全波整流。中间采用大电容滤波，对电压进行平滑。逆变桥既控制电压输出波形中交流基波的幅值大小，也控制交流基波电压的频率。直流回路环节电抗器电容器输出电压波形决定于负载，当负载为异步电动机时，近似为正弦波矩形输出电流波形矩形近似为正弦波输出动态阻抗大小对电压波动的敏感性大小逆变器件损坏度容易不易损坏对晶闸管要求耐压高，对关断时间无严格要求耐压较低，关断时间要求短线路结构较简单较复杂适用范围单机、多机拖动单机、多机拖动五、高压变频技术分类

比较内容电平数两电平三电平多电平

结构采用6只可关断功率器件与箝位二极管构成带中性点的逆变电路采用12只可关断功率器件与箝位二极管构成带中性点的逆变电路有若干个低压PWM变频功率单元，以输出电压串联方式实现直接高压输出的方法输出波形输出谐波大小很小网侧谐波大小很小五、高压变频技术分类

比较内容控制方式

压频比（v/f）控制

矢量控制

直接转矩控制定义利用半导体器件的开通和关断，把直流电压变成一定形状的电压脉冲序列，来实现频率、电压控制和消除谐波的一门技术。把交流电机模拟成直流电机进行控制，它是以转子磁场定向，采用矢量变换的方法实现交流电机的转速和磁链控制的完全解耦。直接在电机定子坐标系下分析电机的数学模型，采用定子磁场定向而无需解耦电流，直接控制电动机的磁链和转矩。优点能明显改善输出波形，降低电动机的谐波损耗，并减小转矩脉动，简化了逆变器的结构，加快了调节速度。调速精度高，动态响应快，可实现四象限运行，在高速和低速都有比较好的控制性能。不受电机参数影响，动态响应好，可实现四象限运行，控制算法和系统结构简单，开关频率低。

缺点V/F控制在稳态下没有问题，但在负载突然变化的情况下，磁通和转矩不能优化，动态响应慢。对转子磁场观测的准确性受电机及参数影响较大，需要输入准确的电机参数。会产生转矩脉动，低速性能略差，调速范围不宽。应用场合一般的风机、水泵类负载设备。提升机等四象限运行的设备。轧钢机等负载变化较大的设备。六、交直交型变频技术分类储能方式电平数控制方式电流源型电压源型多电平三电平二电平压频比控制直接转矩控制矢量控制六、交直交型变频技术分类德国西门子SIMOVERTMV瑞士ABBACS1000美国ABINNOVATIONMV美国罗宾康HARMONY日本日立DHVECTOL―HI中国利德华福HARSVERT—A交-直-交电压源型三电平矢量控制交-直-交电压源型三电平直接转矩交-直-交电流源型矢量控制二电平交-直-交电压源型压频比多电平矢量交-直-交电压源型压频比多电平矢量交-直-交电压源型压频比多电平矢量六、交直交型变频技术分类

1、三电平型变频器特点：受器件限制，电压无法达到6kv；电压电平数少，dv/dt大，需要输出滤波器，或特殊电机；器件故障时，不能带故障旁路运行。采用二极管整流，电容储能，IGBT或IGCT逆变。三电平的逆变形式，采用二极管钳位的方式，解决了两个器件串联的难题，技术上比两个器件简单直接串联容易，同时，增加了一个输出电平，使输出波形比两电平好。六、交直交型变频技术分类2、电流源型变频器特点：输入功率因数低（与速度成正比）对电网电压波动敏感；可以实现能量回馈；器件故障时不能旁路运行；变压器可以异地安装；有6kv产品，无10kv产品；器件串联的可靠性差；整流桥串联可靠性低。输入侧采用可控硅进行整流，采用电感储能，逆变侧用SGCT作为开关元件，直接串联解决耐压问题。由于器件的耐压水平有限，必须采用多个器件串联。目前的技术水平可以做到7.2kv输出电压。六、交直交型变频技术分类3、功率单元串联型多电平变频器采用多个低压的功率单元串联实现高压，输入侧的降压变压器采用移相方式，可消除对电网的谐波污染，输出侧采用多电平正弦PWM技术，可适用于任何电压的普通电机。六、交直交型变频技术分类

六、交直交型变频技术分类3、功率单元串联型多电平变频器特点：输入谐波少，功率因数高；电机侧谐波和dv/dt少，适用普通电机；功率电路模块化，维护方便；部分电路故障可继续运行；系统故障可旁路到电网运行；不能将能量回馈到电网；功率器件备品备件属于通用产品；可做成10KV产品；交流环节复杂，功率器件数目多，体积略大一些。采用多个低压的功率单元串联实现高压，输入侧的降压变压器采用移相方式，可消除对电网的谐波污染，输出侧采用多电平正弦PWM技术，可适用于任何电压的普通电机。六、交直交型变频技术分类

市场应用状况：1、功率单元串联型多电平变频器——90%。2、三电平型变频器——输出电压不高，应用于特殊领域，如轧钢机、提升机、轮船驱动、机车牵引等，这些领域的电机是特殊定制的，电压一般不是标准电压。3、三电平型变频器——输出电压不高，应用于特殊领域，如轧钢机、提升机、轮船驱动、机车牵引等，这些领域的电机是特殊定制的，电压一般不是标准电压。七、用户关心的问题

1、PWM技术

PWM是英文“PulseWidthModulation”的缩写，即脉冲宽度调制。PWM技术是通过对电力电子器件的导通和关断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替需要的波形。利用PWM技术，按一定的规则对高压变频器逆变电路中电力电子器件导通、关断的脉冲宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变其输出频率。七、用户关心的问题

1、PWM技术令V1、V4导通，V2、V3截止，则负载ZL上所得电压为a“+”、b“-”,设这时的电压为“+”；令V1、V4截止，V2、V3导通，则负载ZL上所得电压为a“-”、b“+”,设这时的电压为“-”。令V1、V3截止，V2、V4导通，则负载ZL上所得电压为0。功率单元中的逆变电路及其工作过程七、用户关心的问题

1、PWM技术通过调节脉冲宽度和各脉冲的“占空比”来调节频率和电压，所得到的波形即被称为PWM波形。七、用户关心的问题

1、PWM技术PWM技术应用于高压变频器上，具有下列优点：1、不必控制直流侧，仅控制逆变侧，因而大大简化了电路；2、由于电力电子器件仅仅工作在开关状态，主电路损耗较小，系统的效率较高；3、由于开关频率高，系统的调速范围宽，因此快速响应性能好，抗干扰能力强；七、用户关心的问题

2、电平数和dv/dt幅值的关系（dv/dt影响电机绕组的绝缘）单元串联多电平的dv/dt小二电平、三电平的dv/dt大。dv/dt七、用户关心的问题

3、功率单元故障时的处理方法

1）同级旁路技术

2）中性点漂移技术七、用户关心的问题

1）同级旁路技术-功率单元旁路时的电压输出能力同级旁路：以5级串联为例，旁路一级后，系统电压下降1/5，即电压为80%；系统可补偿5%，系统功率为85%，如果调速范围在80%以内，则不受影响。B七、用户关心的问题

2）中性点漂移技术-功率单元旁路时的电压输出能力单模块旁路：以5级串联为例，旁路二个功率模块后，系统电压下降1/5，即电压为80%；系统可补偿5%，系统功率为85%，如果调速范围在85%以内，则不受影响；一相有2个单元退出运行旁路A4,A5新的旁路技术(中心点偏移)80%对称输出电压B七、用户关心的问题

4、电网侧的谐波污染及其处理方式对主电网而言，高压变频器的开关特性将形成一个非线性负载。这种非线性负载改变了交流电路中电流的正弦波特性，从而会在交流电路中产生有害的高次谐波。七、用户关心的问题

4、电网侧的谐波污染及其处理方式（1）采用谐波滤波器（2）采用整流变压器的移相绕法高压变频器在电网侧一般都有整流变压器，可以利用整流变压器的副边相移来消除谐波。这种消除谐波的基本理论是如果m个六脉冲整流单元，通过变压器的这种处理，6m±1次以下的谐波都被消除。七、用户关心的问题

4、电网侧的谐波污染及其处理方式（3）通过双PWM的方法消除谐波双PWM方法，即整流和逆变采用相同的电路和控制方法，此时整流侧必须采用完全可控的器件，如IGBT或IGCT等。由于整流侧采用了PWM控制，其电流波形可以控制为正弦波，这样基本对电网没有谐波污染。七、用户关心的问题

5、变频器损耗的构成损耗的构成：整流变压器、元件的导通损耗、元件的开关损耗、电感损耗、滤波器损耗、电容损耗（忽略）、散热风机损耗、控制电源损耗；电机损耗。变频器内的主要损耗构成：整流变压器约50%，器件的开关损耗和导通损耗约50%；电流源型的电感损耗：与设计有关滤波器损耗（如果有）：与设计有关七、用户关心的问题

6、异步电动机低速运行发热问题低速时，电机自带的风扇散热能力下降；对于风机、水泵类负载，低速时负载也低，发热量少，不用考虑散热问题；恒转矩负载要考虑强迫风冷；应考虑低速的轴承润滑问题。七、用户关心的问题

7、变频器容量的选择什么是变频器的容量?（1）加速或恒速操作时：变频器的效能是输出能量，也就是能给电机提供多少电流。（2）减速操作时：此时，能量的流动是从电机流向变频器，使端电压升高。高压变频器的容