关键词：高压变频；软启动；节能

Abstract: High voltage frequency converter is widely used in the field of electrical transmission with its advantage of energy saving. It has a good application effect on the improvement of the production process of high-power fans and pumps and the adaptability of power grid. This paper analyzes the technical characteristics of Soft starter of high power motor, and provides reference for the application of high voltage frequency conversion based on TMEIC case.

Key words: High voltage frequency conversion; Soft start; Energy saving

1  引言

风机和水泵在工业上应用的数量众多，分布面极广，耗电量巨大。在火力发电厂中，风机和水泵是最主要的耗电设备，且容量大、耗电多。加上这些设备都是长期连续运行和常常处于低负荷及变负荷运行状态，节能潜力巨大。火电厂中的风机和水泵采用定速驱动，存在严重的节流损耗，尤其在机组变负荷运行时，由于风机和水泵的运行偏离高效点，使运行效率降低。交流电动机的启动一直是人们关注的一个课题，尤其是高压大容量交流电动机随着其用量的急剧增加，软启动问题就变得更加突出.众所周知，普通异步电动机在空载全压直接启动时，启动电流会达到额定电流的5-7倍。当电动机容量相对较大时，该启动电流将引起电网电压急剧下降，电压频率也会发生变化，这会破坏同电网其它设备的正常运行，甚至会引起电网失去稳定，造成更大的事故。电动机全压启动时的大电流在定子线圈和转子条上产生很大的冲击力，会破坏绕组绝缘和造成转子条断裂，引起电机故障，大电流还会产生大量的焦耳热，损伤绕组绝缘，减少电机寿命。电动机直接全压启动时的启动转矩约为额定转矩的2倍，对于齿轮传动设备和压缩机来说，很大的冲击力会使齿轮磨损加快甚至破碎。

2  高压固态软启动器

这种装置采用高压可控硅SCR直接串联，通过相控法（改变可控硅SCR的控制角)实现调节输出电压。在电压调节过程中，其输出频率不变，当起动完毕后再并网。其本质为降压启动。

这种软起动方式的缺点是，不能对输出频率进行调节，起动电流冲击大（可达3倍），功率因数低，输入谐波大，对电网污染严重；输出谐波大，造成负载（电动机）的损耗增加、转矩脉动。

这种软起动方式的优点是6kV系统相对简单，但对10kV系统其串联的SCR数量很多，系统可靠性下降。采用可控硅串联技术的中压电机软启动装置对元器件特性参数的一致性要求很高，元器件的筛选率低。另外在使用一段时间后，元器件的参数还会发生变化，使元器件的均压性能降低，极易造成整串元器件的损坏，使这种装置的可靠性降低，一旦元器件损坏，用户很难修复，另外价格也很高。

采用固态软启动其启动时电流一般可以控制在3倍左右。

对于24000kW/10kV的大型电机，额定电流为1600A左右，如果启动时为3倍额定电流，其电流达4,800A左右，而且该电流不是正弦波，是有很大谐波成分的电流。这么大的电流对电网是个很大的考验，可能会造成电网电压下降或波动的幅度比较大甚至崩溃；对电机而言同样是个很大的考验，因为电机的绕组发热和电流的平方是成正比的，和正常工作相比，采用固态软启动时绕组的发热是平常工作的9倍(假设3倍启动电流)，又由于固态软启动为降压启动，根据电机学的理论，电机输出的转矩和电压的平方成正比，比如固态软启动采用60%的初始电压来启动时，其转矩只有额定转矩的36%，对于24000kW/10kV的电机和压缩机而言其系统总体转动惯量大，这样采用固态软启动系统的启动时间会相对比较长。而因为启动电流很大造成的电压下降进一步减少了电机转矩，而负载要求是一定的，使得电机的电流更大。还有就是大型电机一般采用空/水IC81W冷却方式，内部冷却风机是直接安装在电机驱动轴端，其速度和电机速度一致，在软启动过程中由于速度是逐步增加的，冷却风机的效果不是很好，减少了电机排热的能力。

总体来说，较长时间大电流缺乏冷却效果的状态对电机是个很大的损害，会减低电机的绝缘，减少使用寿命，对需要长期运行的大型电机而言相当不利。

一般来说，采用固态软启动的系统电机功率不会超过10,000kW左右，极少用于超过16，000kW电机启动，否则系统的危险性比较大。

3  静止变频软起动

这种软起动方式是采用电力半导体功率器件，通过同时调节频率和电压来进行调速的。其工作原理是通过功率器件的有序开关，形成各种频率和电压的PWM（脉宽调制）电压波形，施加于电机端。起动过程中，频率改变的同时，保证电机磁通近似不变，即电压频率之比为常数。当电机达到额定转速后，自动进行并网，将电机切换到工频电网恒速运行。

这种软起动方式的优点是，系统较简单，维护方便，控制性能优良，起动转矩大，启动电流小（不会超过电机额定电流），输出波形质量高，对电网污染小，启动过程中电网几乎没有压降。起动和并网时间很短（1-2分钟之内可自动完成全部过程），易实现自动控制。

变频软启动性能公认是最好的，其价格相对别的方式贵一些，但非常适合于20,000kW以上的特大型电机启动，其最主要原因就是启动系统对电机，电网安全可靠。很多高炉的大型鼓风机都是采用这种方式启动的。

综上所述，我们可以认为采用静止变频软起动方式对于20,000kW以上的特大型电机非常安全可靠，是性能价格比最高的。

3.1  TMDRIVE-MV结构原理

TMdrive-MV高压变频采用若干个PWM变频功率单元串联的方式实现直接高压输出。该变频器具有对电网谐波污染极小，输入功率因数高，输出波形质量好，不存在谐波引起的电机附加发热、转矩脉动、噪音、dv/dt及共模电压等问题的特性，不必加输出滤波器，就可以使用普通的异步电机，包括国产电机。

电网电压经过副边多重化的隔离变压器降压后给功率单元供电，功率单元为三相输入、单相输出的交-直-交PWM电压源型逆变器结构，实现变压变频的高压直接输出，供给高压电动机。以6.6kV输出电压等级为例，每相由6个额定电压为640V的功率单元串联而成，输出相电压达3840V，线电压达6.6kV，每个功率单元分别由输入变压器的一组副边供电，功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘。二次绕组采用延边三角形接法，实现多重化，以达到降低输入谐波电流的目的。对于6.6kV电压等级变频而言，采用36脉冲的整流电路结构，输入电流波形接近正弦波。由于输入电流谐波失真很低，变频器输入的综合因数可达到0.95以上。逆变器输出采用多电平移相式PWM技术，6kV输出相当于13电平，输出电压非常接近正弦波，dv/dt很小。电平数的增加有利于改善输出波形，由谐波引起的电机发热，噪音和转矩脉动都大大降低，所以这种变频器对电机没有特殊要求，可直接用于普通异步电机，不需要输出滤波器。

3.2  负载及电机参数

（1）AV71-15压缩机配套电机的参数如下（共2台）：

电机型式：异步电动机，YGF1120-4

额定功率：25000 kW

电压：10kV

电流：1588A

转速：1497r/min

额定频率：50Hz

满载效率：97.9％

功率因素：0.928

启动转矩倍数：0.44倍

最大转矩倍数：2.29倍

启动电流倍数：5.55倍

（2）AV63-14压缩机配套电机的参数如下（共一台）：

电机型式：异步电动机，YGF1000-4

额定功率：18500 kW

电压：10kV

（3）AV71-15轴流风机参数：

额定速度：4500RPM

启动力矩：9444NM     折算到电机端32000NM

静力矩：678NM        折算到电机端4500NM

转动贯量：3210kg.m²     折算到电机端35000kg.m²

（4）AV63-14-轴流风机参数：

额定速度：5250RPM

启动力矩：5750NM     折算到电机端22000NM

静力矩：1469NM       折算到电机端8000NM

转动贯量：1807kg.m²     折算到电机端26000kg.m²

3.3  变频器的选型

4  启动过程

以启动M1为例：

（1）确保压缩机空载起动；

（2）母线M1起动。

合变频器输入开关KG1和输出开关V1，变频器带M1电机开始工作，其输出频率从0Hz逐步升到50Hz（升速时间可设定）。变频器（含输出变压器）的输出电压对应的从0V升到10kV，M1电机已经开始在额定转速下运行。

在变频器输出接近50Hz以后，接受并网命令，变频器调整其输出逐步达到输出电压和输入电网电压同相位，在系统确认变频器输出和电网电压同频同相以后合电网开关L1，由于这时电机的频率和相位以及幅值和电网一致，合L1对电机和电网没有任何冲击（切换过程在10秒内自动完成）。这时电机由变频器和电网共同供电，电机的负载由变频器转移到电网，最后变频器自动断开V1，整个M1电机负载由电网承担，电机M1起动完毕。

启动顺序图如图1所示。



     

5  启动过程仿真结果

根据电机拖动系统的基本方程为

故  

仿真的思路就是在0-100%速度范围内，将风机空载启动负载曲线按2.5%增幅为一小段进行线性化处理，用很多段直线来逼近负载曲线。对于每段内的加速转矩，也基本按线性化原则进行处理。

依据上述方法所得的仿真结果如下：

（1）电机及变频在启动过程中的转矩-时间曲线(注意转矩的单位为kg.m)，如图2所示。

图2  电机及变频在启动过程中的转矩-时间曲线

在启动点，启动转矩为1156kg.m²，即11329NM，在50Hz点变拼器的输出功率为6743kW，电流为640.2A，整个加速时间为163.3秒，与计算值比较接近.说明选型正确。

（2）启动过程中电机电流及变频器输入电流曲线如图3所示。

图3  电机电流及变频器输入电流曲线

在启动时，电机电流(变频器输出电流)为294.57A，变频器输入电流为85.15A，在启动结束时，电机电流为616.54A，变频器电流为640A。

（3）启动过程中电机与变频的功率曲线如图4所示。

图4  启动过程中电机与变频的功率曲线

在启动初始，电机功率为79.55kW，变频功率为85.15kW，启动结束时，电机功率为6403kW，变频器功率为6743kW。

6  结论

在风机、泵等设备的节能改造过程中，变频调速方式具有很多的优势；对于长期连续运行的重要设备，要设计工频旁路系统，当变频故障时将设备切换到电网运行，为了避免因设备的切换影响机组安全运行，需要设计同步切换（Bypass）控制功能，实现真正的平稳无扰动切换。高压变频的开发利用是实现节能减排的重要支撑和保证，大功率电机的变频软启动，实现了对电网的无扰动切换，具有良好的电网友好性，本文通过对变频系统关键技术的探索，加强大功率电动机变频软启动应用的认识；随着大功率IGBT模块的开发应用，变频技术将更多地应用到清洁能源的并网领域，并积极支撑低碳经济的发展。

作者简介：

吕勇（1985- ）男 工程师，服务于玉溪万达广场，主要从事商业项目工程管理、运营相关工作，并致力于变频技术的研究以及光伏新能源的推广应用。