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对于大、中容量电力传动系统应用变频器的几点建议 |
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如今，随着国家节能政策的渐渐深入人心，交流电动机调速技术的应用已经迈进以变频调速为主导的发展阶段，尤其在低电压、中小容量电动机调速上的应用已经被认定为电力需求侧的最佳节能设备，代表着今后电气传动的发展方向。在这种信念的支配下，低压变频器在大、中容量电动机调速上的应用已不鲜见，单台的最大功率段的应用已经达到220～560kW，随之负面效应渐渐出现。
1 变频器谐波的危害
众所周知，无论是VVVF控制、矢量控制或直接转矩控制的低压变频器输入侧均为整流回路，具有非线性特性，所产生的高次谐波使输入电源的电流波形、电压波形发生畸变；变频器输出侧为一系列矩形波组成的脉宽调制的接近于三相正弦波形的交流电，输出电压和电流波形中均含有高次谐波。在交流电动机的变频调速工况下，不仅变频器内部的电力电子器件产生热损耗和风扇运行消耗电能，而且变频器输出侧产生的谐波电流与谐波磁势均能够使电动机产生脉动旋转磁场而降低输出转矩，在电力电缆和电动机的定、转子中产生铜损、铁损及杂散损耗，导致电动机的运行效率下降、电动机发热、电力电缆发热和增加线路损耗。尤其是低压大、中容量电动机的变频调速，上述谐波的影响将更为显著，严重时将使电动机和电力电缆的使用寿命明显缩短。
变频器的运行效率仅见少数使用说明书上有所标示，例如艾默生变频器说明书注明的运行效率为：45 kW及以下功率段的通用变频器≥93%；55 kW及以上功率段的通用变频器≥95%。通常，在变频器上端都安装有1至3个冷却风扇，以便将内部电力电子器件散发的热量及时排出。在大功率的变频电控柜上，还应当考虑安装柜内出风口冷却风扇。在变频器输出电力电缆超过80m或电动机功率较大以及电源电压波形畸变严重或电源变压器容量较大时，变频器还需要配置输入、输出和直流电抗器，不仅增加电力线路的电压降（输入电抗器压降4.4V左右；输出电抗器压降9V左右），使电动机输出转矩降低，而且也是变频电控柜内不可忽视的热源。同时，变频器的故障率也将随之环境温度升高而成指数上升，环境温度每升高10℃变频器使用寿命减半。
2 变频调速与工频电力传动的比较
资料表明，变频调速与工频电力传动比较，由于谐波的存在，电动机的总损耗将增加约30%，电流约增加10%，温升约提高20%。电动机在低于额定转速的变频工况运行状态下，由于自冷风扇转速的降低，冷却风量降低使冷却效果下降，因此电动机的过热现象将更加严重。同时，由于谐波的影响，电动机绕组上的电压分布也变得很不均匀，再加上变频矩形波的电压变化率很高，极易发生绕组匝间短路事故。另外，谐波产生的噪音对电动机绕组的绝缘也是一种破坏作用。随着变频器的大量投入运行，由于谐波污染日益加重，不仅严重地影响电能质量，降低电能传输和利用效率，而且电动机和供电变压器的发热情况也日渐明显暴露，甚至在额定电流下运行时也能够超过容许温升，危及电气设备运行的安全可靠性。
变频器在选择输出电力电缆时，如果按工频电源供电条件选择规定截面积的电力电缆，由于电缆内含有谐波电流分量，则产生附加铜损和杂散损耗使其发热量明显增加；若选择大一档横截面积的电力电缆时，则电缆对地电容增大使其对地漏电流增大，截面积每增加一档，变频器输出电流应降低5%的额度使用。
3 变频器谐波的量化、污染与治理
上述谐波的影响，对于200 kW及以下功率段的的变频调速传动系统来说，虽然还不够十分明显，但是对于220 kW及以上功率段的变频器来说，其影响决不可低估。例如日本三菱公司的A240系列变频器，在额定电压400V时：额定功率220 kW时，基波电流355A；额定功率250 kW时，基波电流403A；额定功率280 kW时，基波电流450A。可见谐波电流所占份额之大，必然通过变频器输入侧电源线、输出侧电缆线和接地线向空间辐射与沿线路干扰接在同一电源的电气设备。特别是空间辐射对临近的通讯设备、计算机监测控制系统与信号线均产生不同程度的影响，严重时将使受干扰的设备不能工作。
目前，虽然有源或无源滤波器能够补偿高压或低压变频器产生的谐波电流，并且已经有通用系列化的小功率产品进入市场，但是毕竟是只能治标而不能治本,况且滤波器本身也要消耗一定的电能，同时还引发一些新的问题。问其根本的原因，均为滤波器和变频器内的逆变器高速开关动作时，产生的电压或电流的急剧变化引起的负效应所致。
4 对于大、中容量电力传动系统应用变频器的几点建议
如上所述，可见变频器的谐波问题必须从源头控制或治理，但是自从变频器诞生以来，有关谐波问题却没有从源头得到根本地解决，更没有从电动机与变频器一体化的设计理念来比较彻底地解决这些让人们困惑的问题。因此，为了从源头降低上述谐波电流对电网、邻近用电设备、通讯电缆以及变频调速电动机与其输入、输出电力电缆的影响，本文对于大、中容量电动机的工频电力传动或变频传动系统，在选择技术设计方案时，提出下述几点建议：
（1） 对于大中容量电力传动应用系统来说，首先应当考虑选择高压电动机拖动负荷，以便降低电动机的运行电流。表1为相同容量280kW的0.4kVY355L1-4系列低压三相异步电动机与6kVY系列中型高压三相异步电动机应用的技术经济指标比较表。表1三相异步电动机经济指导比较表
 从表1可见，若选用低压电动机时，不仅线路损耗、电动机铜损和铁损增大，而且电力电缆投资十分可观和故障率也将高于同容量的高压电动机，同时还需要配置一台电力变压器提供低压电源，增加占地面积和基建投资；但要选用高压电动机时，不仅线路损耗、电动机铜损和铁损显著减少，而且高压电力电缆投资和故障率相对明显降低，更不需要配置电力变压器提供低压电源，增加不必要的基建和安装费用。
（2） 对于大、中容量的风机和水泵的调速系统来说，在要求调速范围不宽和调速精度不高的工况下，建议选用高压内馈斩波调速系统，其中包括交流功率调速器和斩波内馈调速电动机。目前，国产6-10kV的YQT系列内馈调速电动机和ZNT-2000型斩波内馈交流功率调速控制装置的技术性能指标：调速范围为（60%-100%）的额定转速；起动电流为（2.5～3.0）倍的额定电流；控制方式具有开环和闭环两种控制功能，数字化调节给定参数，可方便地实现压力和流量的闭环控制。该系统与高压变频器调速系统比较的最大优点是控制电动机转子的电磁功率达到调速目的，因此高压电动机的交流功率调速控制装置不仅电压低、功率小以及电动机定子电流的谐波含量少，而且设备投资少、节能效果十分显著、电动机的输出转矩相对比较稳定以及对电网、邻近的电气和通讯设备产生的电磁干扰必然大幅度地降低。高压变频器与功率调速系统应用技术经济指标比较详见表2。表2 高压变频器与功率调速系统应用技术经济指标比较表
 （3） 对于大、中容量的电力机车、船舶、轧钢、起重和造纸等行业的电力传动调速系统来说，不仅有调速的要求，还有负荷动态响应速度快、稳态精度高和低速力矩大等苛刻条件的要求。目前，国外几家知名的变频器生产厂商生产的高性能、大容量高压变频器已经具备有比较成熟的技术，但是产品价格普遍存在着极其昂贵的问题，还有些不适合国情的问题，例如技术资料、培训和售后技术服务工作不到位等；而国内该产品的技术虽然处于研究阶段，但是已经有20余家企业具备大、中容量的高压变频器的生产能力，国产品牌占到国内市场份额的30%以上，只要在体制改革、人力资源调动、资金投入、生产管理以及经营决策等方面走上轨道，国产大、中容量的高性能高压变频器的技术必然能够迎头赶上。因此建议在上述电力传动调速系统中，用户应当根据各自的具体条件和选择原则来确定首选对象。
5 结束语
综上所述，对于大、中容量的电力传动系统来说，如果从节能和节约资源的理念出发考虑问题，无论是调速或是非调速的电力传动系统，都应该优先选用高压电动机拖动负荷，才能称之为比较完善的技术方案。(end)
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(10/27/2007) |
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