劉玥心 吳桐

摘 要：十一五規(guī)劃建議提出，到2020年，中國(guó)要實(shí)現(xiàn)GDP翻兩番，能源消費(fèi)將進(jìn)一步增加。我國(guó)迫切需要構(gòu)筑穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、清潔的能源供應(yīng)體系。建設(shè)節(jié)約型社會(huì)是今后發(fā)展的一項(xiàng)重要內(nèi)容。能源工業(yè)作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，對(duì)于社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高都極為重要。從而使有效地利用能源、節(jié)約能源是建設(shè)節(jié)約型社會(huì)的具體體現(xiàn)。在2003年的中國(guó)電力消耗中，60-70%為動(dòng)力電，而在總?cè)萘繛?.8億千瓦的電動(dòng)機(jī)總?cè)萘恐?，只有不?000萬(wàn)千瓦的電動(dòng)機(jī)是帶變頻控制的。據(jù)分析，在中國(guó)，帶變動(dòng)負(fù)載、具有節(jié)能潛力的電機(jī)至少有1.8 億千瓦。而其運(yùn)行效率比國(guó)外低15-30%。按近幾年全國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r，目前的實(shí)際裝機(jī)容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于此數(shù)據(jù)。因此對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造，潛力巨大。要建設(shè)節(jié)約型社會(huì)，大力推廣變頻調(diào)速技術(shù)是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的必要手段，它也是交流電動(dòng)機(jī)節(jié)能改造的工作重點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：變頻器；能源

隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，促進(jìn)了電氣傳動(dòng)的技術(shù)革命。交流調(diào)速取代直流調(diào)速，計(jì)算機(jī)數(shù)字控制取代模擬控制己成為發(fā)展趨勢(shì)。交流電機(jī)變頻調(diào)速是當(dāng)今節(jié)約電能，改善生產(chǎn)工藝流程，提高產(chǎn)品質(zhì)量，以及改善運(yùn)行環(huán)境的一種主要手段。變頻調(diào)速以其高效率，高功率因數(shù)（單元級(jí)聯(lián)多電平逆變器功率因素可以達(dá)到 95%以上），以及優(yōu)異的調(diào)速和啟動(dòng)制動(dòng)性能等諸多優(yōu)點(diǎn)而被國(guó)內(nèi)外公認(rèn)為最有發(fā)展前途的調(diào)速方式。以前的高壓變頻器，由可控硅整流，可控硅逆變等器件構(gòu)成，開(kāi)關(guān)頻率低，電壓和電流諧波大，對(duì)電網(wǎng)和電機(jī)都有影響。隨著TGBT，1GCT，SGCT等電力電子元器件的開(kāi)發(fā)，相應(yīng)的控制技術(shù)的發(fā)展和這些電力電子器件的高度集成化，使得變頻器在工業(yè)中得到了更廣泛的應(yīng)用。由它們構(gòu)成的高壓變頻器，性能優(yōu)異，可以實(shí)現(xiàn)PWM逆變，甚至是PWM整流。

不僅具有諧波小，功率因數(shù)也有很大程度的提高。作為節(jié)能目的，變頻器廣泛應(yīng)用于電力、冶金、石油、化工、市政、中央空調(diào)、水處理等行業(yè)。以電力行業(yè)為例，由于中國(guó)大面積缺電，電力投資將持續(xù)增長(zhǎng)，同時(shí)，國(guó)家電改方案對(duì)電廠的成本控制提出了要求，降低內(nèi)部電耗成為電廠關(guān)注焦點(diǎn)，因此變頻器在電力行業(yè)有著巨大的發(fā)展?jié)摿?，尤其是高壓變頻器和大功率變頻器。研究顯示，僅電力行業(yè)，2003年的變頻器市場(chǎng)規(guī)模就達(dá)到了2.5億元。因此，變頻器的節(jié)能應(yīng)用前景非常廣闊。近年來(lái)，各種高壓變頻器不斷出現(xiàn)，高壓變頻器到目前為止還沒(méi)有像低壓變頻器那樣近乎統(tǒng)一的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。根據(jù)高壓組成方式可分為直接高壓型和高—低一高型；根據(jù)有無(wú)中間直流環(huán)節(jié)來(lái)分，可以分為交一交變頻器和交—直一交變頻器，在交—直一交變頻器中，按中間直流濾波環(huán)節(jié)的不同，可分為電壓源型和電流源型。

高壓變頻器正向著高可靠性、低成本、高輸入功率因數(shù)、高效率、低輸入輸出諧波、低共模電壓和低 dv/dt 等方向發(fā)展。電流源型變頻器技術(shù)成熟，且可四象限運(yùn)行，但由于高壓時(shí)器件串聯(lián)的均壓?jiǎn)栴}，輸入諧波對(duì)電網(wǎng)的影響和輸出諧波對(duì)電機(jī)的影響等問(wèn)題，使其應(yīng)用受到限制。對(duì)風(fēng)機(jī)和水泵等一般不要求四象限運(yùn)行的設(shè)備，單元級(jí)聯(lián)多電平PWM電壓源型變頻器在輸入輸出諧波、效率和輸入功率因數(shù)等方面有明顯的優(yōu)勢(shì)，具有較大的應(yīng)用前景。對(duì)于軋機(jī)，卷?yè)P(yáng)機(jī)等要求四象限運(yùn)行和動(dòng)態(tài)性能較高的場(chǎng)合，雙PWM 結(jié)構(gòu)的三電平電壓源型變頻器會(huì)得到廣泛的應(yīng)用。

由于多電平技術(shù)在高壓變頻方面應(yīng)用較多，那么多電平技術(shù)在此方面的應(yīng)用可以代表多電平技術(shù)目前在高壓大功率領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀。近年來(lái)高電壓大容量的變頻器越來(lái)越受到重視，目前世界上的高壓變頻器不像低壓變頻器那樣具有成熟的、一致性的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而是限于采用目前電壓等級(jí)的功率器件，如何面對(duì)高壓使用條件的要求，國(guó)內(nèi)外各變頻器生產(chǎn)廠商八仙過(guò)海，各有高招，因此其主電路結(jié)構(gòu)不盡一致，但都較為成功地解決了高電壓大容量這一難題。當(dāng)然在性能指標(biāo)及價(jià)格上也各有差異。如美國(guó)羅賓康（ROBICON）公司生產(chǎn)的完美無(wú)諧波變頻器；洛克韋爾（AB）公司生產(chǎn)的Bulletin1557 和 Power Flex7000 系列變頻器，德國(guó)西門子公司生產(chǎn)的SIMOVERTMV 中壓變頻器；瑞典ABB 公司生產(chǎn)的 ACS1000 系列變頻器；意大利ANSALDO公司生產(chǎn)的 SILCOVERT TH 變頻器以及日本三菱、富士公司生產(chǎn)的完美無(wú)諧波變頻器和國(guó)內(nèi)北京的凱奇、先行、利德華福公司和成都佳靈公司生產(chǎn)的高壓變頻器等。

一、變頻器控制原理圖的設(shè)計(jì)

1）首先確認(rèn)變頻器的安裝環(huán)境；I.工作溫度。變頻器內(nèi)部是大功率的電子元件，極易受到工作溫度的影響，一般要求為0～55℃，但為了保證工作安全、可靠，使用時(shí)應(yīng)考慮留有余地，最好控制在40℃以下。在控制箱中，變頻器一般應(yīng)安裝在箱體上部，并嚴(yán)格遵守產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中的安裝要求，絕對(duì)不允許把發(fā)熱元件或易發(fā)熱的元件緊靠變頻器的底部安裝。

II.環(huán)境溫度。溫度太高且溫度變化較大時(shí)，變頻器內(nèi)部易出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象，其絕緣性能就會(huì)大大降低，甚至可能引發(fā)短路事故。必要時(shí)，必須在箱中增加干燥劑和加熱器。在水處理間，一般水汽都比較重，如果溫度變化大的話，這個(gè)問(wèn)題會(huì)比較突出。

III.腐蝕性氣體。使用環(huán)境如果腐蝕性氣體濃度大，不僅會(huì)腐蝕元器件的引線、印刷電路板等，而且還會(huì)加速塑料器件的老化，降低絕緣性能。

IV.振動(dòng)和沖擊。裝有變頻器的控制柜受到機(jī)械振動(dòng)和沖擊時(shí)，會(huì)引起電氣接觸不良?；窗矡犭娋统霈F(xiàn)這樣的問(wèn)題。這時(shí)除了提高控制柜的機(jī)械強(qiáng)度、遠(yuǎn)離振動(dòng)源和沖擊源外，還應(yīng)使用抗震橡皮墊固定控制柜外和內(nèi)電磁開(kāi)關(guān)之類產(chǎn)生振動(dòng)的元器件。設(shè)備運(yùn)行一段時(shí)間后，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行檢查和維護(hù)。

V.電磁波干擾。變頻器在工作中由于整流和變頻，周圍產(chǎn)生了很多的干擾電磁波，這些高頻電磁波對(duì)附近的儀表、儀器有一定的干擾。因此，柜內(nèi)儀表和電子系統(tǒng)，應(yīng)該選用金屬外殼，屏蔽變頻器對(duì)儀表的干擾。所有的元器件均應(yīng)可靠接地，除此之外，各電氣元件、儀器及儀表之間的連線應(yīng)選用屏蔽控制電纜，且屏蔽層應(yīng)接地。如果處理不好電磁干擾，往往會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)無(wú)法工作，導(dǎo)致控制單元失靈或損壞。

2）變頻器和電機(jī)的距離確定電纜和布線方法；

I.變頻器和電機(jī)的距離應(yīng)該盡量的短。這樣減小了電纜的對(duì)地電容，減少干擾發(fā)射源。

II.控制電纜選用屏蔽電纜，動(dòng)力電纜選用屏蔽電纜或者從變頻器到電機(jī)全部用穿線管屏蔽。

III.電機(jī)電纜應(yīng)獨(dú)立于其它電纜走線，其最小距離為500mm。同時(shí)應(yīng)避免電機(jī)電纜與其它電纜長(zhǎng)距離平行走線，這樣才能減少變頻器輸出電壓快速變化而產(chǎn)生的電磁干擾。如果控制電纜和電源電纜交叉，應(yīng)盡可能使它們按90度角交叉。與變頻器有關(guān)的模擬量信號(hào)線與主回路線分開(kāi)走線，即使在控制柜中也要如此。

IV.與變頻器有關(guān)的模擬信號(hào)線最好選用屏蔽雙絞線，動(dòng)力電纜選用屏蔽的三芯電纜（其規(guī)格要比普通電機(jī)的電纜大檔）或遵從變頻器的用戶手冊(cè)。

3）變頻器控制原理圖；

I.主回路：電抗器的作用是防止變頻器產(chǎn)生的高次諧波通過(guò)電源的輸入回路返回到電網(wǎng)從而影響其他的受電設(shè)備，需要根據(jù)變頻器的容量大小來(lái)決定是否需要加電抗器；濾波器是安裝在變頻器的輸出端，減少變頻器輸出的高次諧波，當(dāng)變頻器到電機(jī)的距離較遠(yuǎn)時(shí)，應(yīng)該安裝濾波器。雖然變頻器本身有各種保護(hù)功能，但缺相保護(hù)卻并不完美，斷路器在主回路中起到過(guò)載，缺相等保護(hù)，選型時(shí)可按照變頻器的容量進(jìn)行選擇?？梢杂米冾l器本身的過(guò)載保護(hù)代替熱繼電器。

參考文獻(xiàn)

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[2]薄保中，劉衛(wèi)國(guó)，羅兵.單元串聯(lián)多電平逆變器 PWM 方法的分析與研究 [J]，電氣傳動(dòng)，2005，34（1）：P77-79。

（作者單位：齊齊哈爾工程學(xué)院）