變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，高壓大功率變頻調(diào)速裝置不斷地成熟起來，原來一直難于解決的高壓?jiǎn)栴}，近年來通過器件串聯(lián)或單元串聯(lián)得到了很好的解決。高壓變頻調(diào)速技術(shù)已越來越多的應(yīng)用在各行各業(yè)，以達(dá)到節(jié)約電能、改善電機(jī)系統(tǒng)壽命、提高產(chǎn)品質(zhì)量的目的。
由于生產(chǎn)過程中系統(tǒng)煙氣量波動(dòng)較頻繁，且波動(dòng)范同較大，為達(dá)到調(diào)節(jié)準(zhǔn)確、減小對(duì)電網(wǎng)的沖擊、節(jié)省能源的目的，在s02風(fēng)機(jī)中采用了高壓變頻調(diào)速技術(shù)。從3個(gè)方面論述了變頻調(diào)速的技術(shù)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，從高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的工作原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)組成等方面闡述了高壓變頻器的技術(shù)特點(diǎn)．從而論證了高壓變頻器在使用中的優(yōu)越性及顯著的節(jié)電效果。
應(yīng)用高壓變頻器的優(yōu)勢(shì)
某企業(yè)生產(chǎn)裝置中有一臺(tái)1400kw、l0kv的s02風(fēng)機(jī)，其是丁藝流程中的關(guān)鍵設(shè)備。由于生產(chǎn)過程中系統(tǒng)炯?xì)饬坎▌?dòng)較頻繁．且波動(dòng)范圍較大．如果川傳統(tǒng)的前導(dǎo)可調(diào)機(jī)構(gòu)來調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的流量和壓力，淵節(jié)范圍受到限制．一般在40％～100％．且調(diào)節(jié)線性太差．跟不上工況變化速度，故能耗很高：而用變頻調(diào)節(jié)響應(yīng)極快．基本與工況變化同步．可滿足工藝的需要，且風(fēng)機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行平滑，不會(huì)對(duì)電機(jī)、軸承、風(fēng)機(jī)產(chǎn)生較大的沖擊．可達(dá)到調(diào)節(jié)準(zhǔn)確、節(jié)省能源的目的。
根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速公式：n=60f（1一s）/p，可以看出．轉(zhuǎn)差率s變化不大，可視為恒定，一旦電機(jī)制造完成電機(jī)極對(duì)數(shù)p也是常數(shù)．所以電機(jī)轉(zhuǎn)速n與電源頻率f是成正比的。只要改變頻率f，即可改變電機(jī)轉(zhuǎn)速．當(dāng)頻率廠在0～50hz之間變化時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍是非常寬的根據(jù)流體力學(xué)流量與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系可知．電機(jī)功率p與轉(zhuǎn)速n的立方成正比．隨著轉(zhuǎn)速的降低。電機(jī)功率以轉(zhuǎn)速的3次方關(guān)系遞減因此隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的降低．電機(jī)消耗的電能下降幅度很大?？梢姡褂酶邏鹤冾l器對(duì)so2風(fēng)機(jī)調(diào)速的節(jié)電效果將非常顯著．經(jīng)估算．2～3年就可以收回成本。
變頻調(diào)速技術(shù)方案
變頻調(diào)速一般有以下3種方案可以實(shí)施應(yīng)用：①高一高方式，即采用10kv（6kv）電壓等級(jí)的變頻器，直接由電網(wǎng)l0kv（6kv）供電，電機(jī)選用高壓電機(jī)；②高一低一高方式，就是先將高壓電源變成低壓電源．采用低壓變頻器變頻后再升壓．電機(jī)選用高壓電機(jī)；③高一低方式，就是用一臺(tái)單獨(dú)的變壓器，將l0kv（6kv）高壓降至380v，采用低壓變頻器，用低壓電動(dòng)機(jī)。
對(duì)比3個(gè)方案．使用高一高變頻器．在變頻器故障時(shí)可以直接啟動(dòng)．有定型產(chǎn)品．性能良好，穩(wěn)定可靠，但費(fèi)用較高：高一低一高方式無定型產(chǎn)品．要重新設(shè)計(jì)電路，電路煩瑣龐大．要增加兩臺(tái)變壓器．費(fèi)用也較高；高一低方式中變頻器直接使用低壓電源，需要設(shè)一臺(tái)降壓變壓器當(dāng)降壓變壓器的容量比較小時(shí)，在變頻器故障后，電機(jī)不能直接啟動(dòng)。如果降壓變壓器容量過大．會(huì)增加增容費(fèi)用同時(shí)變壓器還有一定的電能損耗從經(jīng)濟(jì)的角度出發(fā)．對(duì)于800～1000kw以上的風(fēng)機(jī)、水泵等電機(jī)．建議采用6kv或10kv直接高一高方式的高壓變頻器：對(duì)于40o～800kw的電機(jī)．建議采用6kv／660v進(jìn)線變壓器、660v高壓變頻器及660v電動(dòng)機(jī)：對(duì)于400kw以下的電動(dòng)機(jī)．宜采用高一低方案．即采用6kv／380v降壓變壓器．380v級(jí)變頻器及380v電動(dòng)機(jī).在某企業(yè)工程中，s0風(fēng)機(jī)為l400kw．電網(wǎng)電壓為10kv，綜合比較，選擇了直接高一高變頻調(diào)速方案為了充分保證系統(tǒng)的可靠性．變頻器同時(shí)加裝工頻旁路裝置。變頻器異常，不能正常運(yùn)行時(shí)．電機(jī)可以自動(dòng)切換到工頻運(yùn)行狀態(tài)下運(yùn)行．以保證生產(chǎn)的需要．其一次系統(tǒng)接線。
qf為用戶側(cè)高壓開關(guān)柜內(nèi)斷路器，k1、k2、k3為同一柜內(nèi)真空接觸器；qs1、qs2為同一柜內(nèi)隔離開關(guān)，與變頻器配套提供。k2、k1電氣互鎖，以防止高壓工頻電反送人高壓變頻器。
在變頻運(yùn)行時(shí)，手動(dòng)合隔離開關(guān)os1、os2，此時(shí)高壓變頻器輸出開關(guān)接點(diǎn)允許用斷路器qf合閘。qf合閘后，在dcs（或plc）上可啟動(dòng)高壓變頻器，高壓變頻裝置自動(dòng)合k1、k2真空接觸器。
當(dāng)高壓變頻裝置本體故障（如每相故障單元數(shù)大于2、高壓變頻器功率單元超溫、散熱冷卻風(fēng)機(jī)故障），高壓變頻器自動(dòng)分開k1、k2，待電機(jī)電壓衰減到額定電壓的1o％左右，延時(shí)合k3高壓變頻裝置自動(dòng)切換到工頻繼續(xù)運(yùn)行．以提高系統(tǒng)的可靠性變頻到工頻切換大約在3s以內(nèi)完成。
當(dāng)高壓變頻器檢測(cè)到電機(jī)故障（如三相電流不平衡、三相電壓不平衡、過流、過載），高壓變頻器自動(dòng)封鎖脈沖停止輸出，并跳開真空接觸器k1、k2、k3，同時(shí)輸出跳閘接點(diǎn)用于跳開斷路器qf。
高壓變頻器技術(shù)特點(diǎn)
目前高壓變頻器的主電路拓?fù)浞矫嬷饕?電平（或更多電平）電壓型高壓變頻器和單元串聯(lián)多電平電壓型高壓變頻器。羅賓康harmony系列、國(guó)產(chǎn)高壓變頻器多采用單元串聯(lián)多電平電壓型高壓變頻器，現(xiàn)以其為例．闡述高壓變頻器技術(shù)特點(diǎn)變頻器主要由移相變壓器、功率模塊和控制器組成[1]。
（1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)見圖2，由移相變壓器、功率單元和控制器組成。如：10kv系列有24個(gè)功率單元．每8個(gè)功率單元串聯(lián)構(gòu)成一相。每個(gè)功率單元結(jié)構(gòu)上*一致，可以互換。其電路結(jié)構(gòu)見圖3，其為基本的交一直一交單相逆變電路．整流側(cè)為二極管三相全橋．通過對(duì)igbt逆變橋進(jìn)行正弦pwm控制。
（2）輸入側(cè)結(jié)構(gòu)：輸入側(cè)由移相變壓器給每個(gè)功率模塊供電，移相變壓器的副邊繞組分為3組，根據(jù)電壓等級(jí)和模塊串聯(lián)級(jí)數(shù)，一般由24脈沖系列、3o脈沖系列、42脈沖系列、48脈沖系列等構(gòu)成多級(jí)相疊加的整流方式，可以大大改善網(wǎng)側(cè)的電流波形（網(wǎng)側(cè)電壓電流諧波指標(biāo)滿足ieee519一l992和gbt/14549-93的要求）．使其負(fù)載下的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近1，無需任何功率因數(shù)補(bǔ)償、諧波抑制裝置。由于變壓器副邊繞組的獨(dú)立性．使每個(gè)功率單元的主回路相對(duì)獨(dú)立．類似于常規(guī)低壓變頻器．便于采用現(xiàn)有的成熟技術(shù)。
（3）輸出側(cè)結(jié)構(gòu)：輸出側(cè)由每個(gè)功率模塊的u、v輸出端子相互串接而成星型接法給電機(jī)供電．通過對(duì)每個(gè)單元的pwm波形進(jìn)行重組．可得到階梯正弦pwm波形。這種波形正弦度好dv／dt?。畬?duì)電纜和電機(jī)的絕緣無損壞．無須輸出濾波器就可以延長(zhǎng)輸出電纜長(zhǎng)度．可直接用于普通電機(jī)。同時(shí)．電機(jī)的諧波損耗大大減少．消除負(fù)載機(jī)械軸承和葉片的振動(dòng)。當(dāng)某一個(gè)功率模塊出現(xiàn)故障時(shí)．通過控制使輸出端子短路．可將此單元旁路退出系統(tǒng)．變頻器可降額運(yùn)行．由此可避免很多場(chǎng)合下停機(jī)造成的損失。
（4）控制器：控制器由高速單片機(jī)、嵌入式人機(jī)界面和plc共同構(gòu)成單片機(jī)實(shí)現(xiàn)pwm控制、嵌人式人機(jī)界面提供友好的全中文windows監(jiān)控和操作界面．同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)化控制內(nèi)置plc則用于柜體內(nèi)開關(guān)信號(hào)的邏輯處理．可以和用戶現(xiàn)場(chǎng)靈活接口．滿足用戶的特殊需要。
變頻器可運(yùn)行于閉環(huán)模式或開環(huán)模式。在開環(huán)模式下．運(yùn)行頻率南界面設(shè)定或通過dcs（或plc）設(shè)定（數(shù)字方式或模擬方式）在閉環(huán)模式下?？梢栽O(shè)定并調(diào)節(jié)被控量（比如壓力）的期望值．變頻器根據(jù)被控量的實(shí)際值自動(dòng)調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率．控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速．使被控量的實(shí)際值自動(dòng)逼近期望值控制器可與上級(jí)dcs系統(tǒng)直接連接．對(duì)變頻器進(jìn)行啟動(dòng)、停車、急停、報(bào)警或設(shè)定運(yùn)行頻率。
應(yīng)用效果
主要應(yīng)用效果如下：①使用變頻器后風(fēng)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)變頻軟起動(dòng)．避免了起動(dòng)電流的沖擊．不僅對(duì)電網(wǎng)沒有任何沖擊，而且還可以隨時(shí)起動(dòng)或停止；②使用變頻器后，風(fēng)機(jī)的送風(fēng)量不再需要由風(fēng)門來調(diào)節(jié)．而是由變頻器通過變頻調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)．調(diào)節(jié)范圍可以從0％～l00％．可以根據(jù)生產(chǎn)需要隨意調(diào)節(jié)風(fēng)量，減少了不必要的浪費(fèi)：③變頻節(jié)能運(yùn)行，節(jié)約了大量能源使用變頻器后．不再使風(fēng)機(jī)一直處于滿負(fù)荷工作狀態(tài)．節(jié)能率非常高：④由于高壓變頻器能平滑調(diào)節(jié)電機(jī)負(fù)載的轉(zhuǎn)速．使之與原來相比在較低轉(zhuǎn)速下運(yùn)行．從而大大減少了負(fù)載以及電機(jī)的機(jī)械磨損，同時(shí)降低了軸承、軸瓦的溫度，有效減少了檢修費(fèi)用，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命：⑤高壓變頻器為高一高電壓源型單元串聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)．功率因數(shù)可高達(dá)0．95．不僅無需功率補(bǔ)償．還可提高電網(wǎng)的功率因數(shù)．減少了無功損失．減少了線損：⑥系統(tǒng)完善的監(jiān)控性能和高可靠性提高了工作效率．可實(shí)現(xiàn)參數(shù)的實(shí)時(shí)恒定運(yùn)行．提高了系統(tǒng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定性．減少了檢修和維護(hù)的工作量。
高壓變頻器的使用不僅能取得顯著直接的經(jīng)濟(jì)效益，還具有較好的間接經(jīng)濟(jì)效益。從節(jié)能角度看．在so2風(fēng)機(jī)中采用高壓變頻器調(diào)速．年節(jié)電率能達(dá)到30％以上。目前在各行各業(yè)．如火力發(fā)電、城市供水、石油、化工、冶金、水泥等行業(yè)也越來越多的得以應(yīng)用，應(yīng)用前景十分廣闊。plc控制技術(shù)、profibus總線技術(shù)和高壓變頻技術(shù)的結(jié)合．使得集成自動(dòng)化程度高．運(yùn)行穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)單，節(jié)能效果更加明顯。