摘要：由于现代化生产规模化的不断扩大，各类大功率高压电动机广泛应用于生产中，高压电动机的节能技术和生产工艺调速又是生产中关键的问题。随着近年晶闸管（绝缘栅双极功率晶体管—IGBT、门控晶闸管—IGCT以及电力加强注入型绝缘栅极晶闸管—IEGT）技术的发展，高压变频器已普及于工矿企业生产中。本文以我公司原料进料泵电动机的高压变频器为例，对高压变频器在实际生产中的应用进行初步分析。

关键词：高压变频器、晶闸管、高压电动机、原料进料泵、节能降耗

1.前言

我公司装置原料进料泵电动机为355kW/10kV 2极三相异步电动机，平时运行负荷较小，流量主要靠阀门控制，不仅难以控制流量，而且浪费了电能，同时因阀门开度较小，泵内压力较大而不可避免的对泵造成损伤。为了提高机组稳定性及节能降耗要求，经调研和论证，对装置原料进料泵进行了变频器改造，运行平稳、节能效果明显。

2.现场系统情况

现场进料泵采用355kW/10kV电动机传动，工频运行时采用阀门调节方式满足工艺要求的压力和流量。电动机启动采用直接启动方式。

设备工频运行方式将存在以下几个问题：

电能的严重浪费。由于工频运行的电动机转速不可调节，只能通过改变阀门开度进行流量、压力调节，因此造成能源浪费，增加了生产成本。

为了现场安全稳定生产，减少设备的维护量，提高能源的利用率，现制定现场设备高压变频改造节能方案如下。

3.高压变频改造方案

3.1主回路系统方案

现场设备可以采用一拖一自动旁路，采用一台变频器控制一台电动机变频运行，电动机可以变频运行也可以通过旁路方式工频运行，工频运行和变频运行可以根据现场需要切换；

一拖一自动系统旁路方案

图1  一拖一自动旁路

基本原理：它是由3个高压真空接触器KM1~KM3和2个高压隔离开关QS1和QS2组成（如图1）。要求KM1、KM2不能和KM3同时闭合，在电气上实现互锁。变频运行时，KM1和KM2闭合，KM3断开；工频运行时，KM3闭合，KM1和KM2断开。

详细介绍：

1、主回路用真空接触器实现通断，隔离开关实现检修隔离。

2、进线端装有高压带电显示装置；

3、外加输入、输出端子；分别有KM1、KM2、KM3及工频、变频的状态指示。

3.2控制系统方案

现场设备变频调速系统可由现场DCS监控操作系统进行协调控制，根据运行工况按设定程序，实现对负载设备电动机转速控制。

变频系统和现场DCS监控操作系统进行通讯连接，从现场DCS监控操作系统上发出变频器的启动、停机等信号。变频器反馈以下信号接入到现场监控操作系统上：

1、报警及故障信息：重故障报警、轻故障报警；

2、调速装置的状态信息：待机状态、正常运行状态、故障状态、系统旁路状态；

3、电动机电流、转速、电压等。

具体控制接口情况如下：

（一）变频器提供的开关量输出，采用无源接点输出，定义为接点闭合时有效。除特别注明外，接点容量均为AC220V/3A，DC24V/1A。

（二）变频器提供的2路4～20mADC的电流源输出（变频器供电），带负载能力均为250Ω。

（三）现场提供1路4～20mADC二线制电流源输出，带载能力必须大于250Ω，4～20mADC对应低高限，须呈线性关系。

（四）需要提供给变频器的开关量有3路：

1、启动指令：干接点，3秒脉冲闭合时有效，变频器开始运行。

2、停机指令：干接点，3秒脉冲闭合时有效，变频器正常停机。

3、紧急停机指令：干接点，3秒脉冲闭合时有效，变频器紧急停机。

（五）变频器与其他电气设备接口

高压开关柜给变频器的状态信号1路：高压开关处于分断时，辅助节点闭合；1个。

3.3电气安装方案

电气安装主要包括柜体到现场的输入输出高压电缆、柜体之间的连接线、柜体和现场的控制及信号线的配线。

3.3.1电源及电动机线的连接。

输入电源线连接到端子L1、L2、L3；

电动机线连接到U、V、W，并注意相序关系；

确保输入电压满足要求；

确保电源线的线径及耐压满足要求；

确保输入侧高压开关已经采用了有效的防雷措施；

3.3.2控制线的连接。

控制柜连线主要包括控制电源进线、远程控制接线、检测信号线、模拟量输入线、模拟量输出线、现场状态接线、开关量输出接线。如果用户有特殊要求，可以根据用户需求重新配置。

3.3.3电气安装注意事项。

输入和输出的高压电缆必须经过严格的耐压测试；

输入和输出电缆必须分开配线，防止绝缘损坏造成危险；

现场到变频器的信号线，应该与强电电线分开布线，信号线必须采用绞线的方式，最好采用屏蔽线，屏蔽线的一端可靠接地；

现场需确保变频器柜体和厂房大地的可靠连接，保证人员安全；

设备进行电气安装时，应为控制系统埋设专用接地极；

测量变压器的绝缘电阻及进行工频耐压试验之前，必须断开变压器和功率单元。

4.现场高压变频调速系统构成及特征

4.1变频设备技术参数

4.2变压器柜

输入移相变压器的作用是将输入的高压工频电变换成为多组彼此间相互绝缘、电位独立的低压工频电输出，并分别送到各个变频单元中，各变频单元将输入的各组低压交流电分别经整流滤波变换成直流电然后再逆变成单相交流电。

为了确保整个高压变频调速系统的稳定性，不会因为变压器的故障而受到影响，控制系统为变压器提供了相应的测量和保护项目：

（一）变压器配封闭强迫风冷系统，特点：风量大、能耗小、噪声低、外形美观、安装简便、运行可靠，通过该系统，操作人员可随时了解变压器运行温度，还可以设定控制器温度转折点，超温报警，超温跳闸等。

（二）温度保护采用三路巡检温度控制器，可以输出温度轻度过温和严重过热保护。具有就地和远方超温报警功能。

（三）变压器柜内装设了电压、电流检测器件，高压变频调速系统把相关电压检测融入到了功率单元柜的功率单元中，极大限度的减少了日常维护的工作量和缩小了整个设备的体积。

4.3功率单元柜

（一）功率单元柜是高压变频调速系统中非常重要的执行部件，功率单元采用模块化的设计，每一个功率单元可以从机架上非常方便的抽出，移动和更换，所有功率单元是完全一致的，如果某一单元由于故障而不能正常工作，可以在允许设备退出的时间用备用单元将其替换，更换一个单元的时间只需5分钟，无须专用工具。

（二）采用成熟的逆变技术，功率单元柜中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。每个功率单元直接使用大功率功率器件，器件不必串联，不存在器件串联引起的均压问题，结构上完全一致，可以互换，系统为基本的单相逆变电路，整流侧为二极管三相全桥，IGBT逆变桥的控制方式为PWM控制。

功率单元中的主要元器件均采用进口优质品牌，大批量的生产保证了生产所用的元器件可以从外国厂家或大的贸易代理商直接定货，在器件采购管理上以及进口渠道上，保证器件的质量。所有的板级产品为我公司自行开发和生产，大批量的生产保证了所有的板级产品（每批次上百片）可以采用先进的机器焊接技术来生产，使得产品的质量和可靠性有了保证，用户也永远不用担心备件会停产和供货周期。

（三）采用单元串联多电平技术，根据电压等级不同采用级数不同的解决方案，通过每个单元的U、V输出端子相互串接而成星型接法给电动机供电，通过对每个单元的PWM波形进行重组，得到非常好的PWM波形，dv/dt小，可减少对电缆和电动机的绝缘损坏，无须输出滤波器就可以输出电缆长度很长，电动机不需要降额使用，可直接用于旧设备的改造；同时，电动机的谐波损耗大大减少，消除了由此引起的机械振动，减小了轴承和叶轮的机械力。

4.4控制柜

控制柜是整个高压变频调速系统的核心，变频调速系统的所有功能都基于先进的控制理念才得以实现，控制器精心设计的算法可以保证电动机达到最优的运行性能。人机界面提供友好的全中文监控和操作界面，同时可以实现远程监控和网络化控制。控制器还包括一台内置的PLC，用于柜体内开关信号的逻辑处理，以及与现场各种操作信号和状态信号(支持DCS硬连接/RS485/Profibus/Modbus/以太网等)的协调，并且可以根据用户的需要扩展控制开关量，增强了系统的灵活性。控制器结构上采用VME标准箱体结构，各控制单元板采用FPGA、CPLD等大规模集成电路和表面焊接技术，系统具有极高的可靠性。控制器与功率单元之间采用光纤通讯技术，低压部分和高压部分完全可靠隔离，系统具有极高的安全性，同时具有很好的抗电磁干扰性能。采用温度检测模块可以随时监控高压变频器各个部位温度。变频器控制系统各部件间的相互连接关系如下图：

控制柜内部元件采用DIN 导轨安装，柜内元器件的布置充分考虑了散热要求、相互之间的间隔距离、整齐美观以及方便检修等因素；所有布线都充分考虑电磁兼容的要求，信号线与电源线分开布置，保证安全的运行，控制柜的主要特点和相关技术参数如下所述：

（一）控制柜内所有元器件的正常工作离不开控制电源，主要提供的供电种类有以下几种：一路交流供电、一路直流供电、双路交流供电、一路交流+一路直流供电。

（二）变频调速系统用于处理各种柜内开关量逻辑信号、用户控制系统信号、现场各种状态信号的控制器选用了西门子的PLC 系统。（（一）、高压变频器的控制系统标准接口图如下：

4.5高压变频调速系统的特点

我公司所用的合康亿盛高压变频器各功能模块的特点：

1、输入侧的隔离变压器能保护电动机不受共模电压的影响。

2、逆变器侧采用高开关频率的IGBT器件，保证良好的输出波形。

3、变频器的功率单元为模块化设计，可以从机架上抽出，移动和更换，所有功率单元是完全一致的，如果某一单元由于故障而不能正常工作，可以在允许设备退出的时间用备用单元将其替换。即：在变频停机高压切断的情况下，拔掉故障单元的J1、J2两根光纤头；用扳手卸下故障单元的R、S、T、U、V五根连线；拆下故障单元与轨道的固定螺丝；将故障单元轻轻拿下，按拆卸相反的顺序将备用单元装上并接好即可。更换一个单元的时间只需5分钟。更换单元不须专用工具。

4、整个变频系统采用强迫风冷，冷却系统可靠，平均无故障时间≥变频装置本身，每一套冷却装置拆装方便，满足变频装置的安全可靠地运行。

4.6保护功能

（一）过载保护。电动机额定电流的120%，每10分钟允许1分钟，超过则保护。

（二）过流保护。变频器输出电流超过电动机额定电流的150％，3S保护；额定电流200%，在10微秒内保护。

（三）过压保护。检测每个功率模块的直流母线电压，如果超过额定电压的115%，则变频器保护。此保护实际上包括了对电网电压正向波动的保护。

（四）欠压保护。检测每个功率模块的直流母线电压，如果低于欠压保护定值，则变频器保护。此保护实际上包括了对电网电压负向波动的保护。

（五）过热保护。包括两重保护：在变频调速系统柜体内设置温度检测，当环境温度超过预先设置的值时，发报警信号；另外，在主要的发热元件，即整流变压器和电力电子功率器件上放置温度检测，一旦超过极限温度（变压器130℃、功率器件80℃），则保护。

（六）缺相保护。缺相保护设置在每个功率模块上。当变频器输入侧掉相系统发出报警信号,并保护；功率模块的保险熔芯熔断缺相时，系统会发出报警信号。

（七）光纤故障保护。当控制器与功率模块之间的连接光纤出现故障时，会发出报警信号并保护。

以上故障，均在中文用户界面上指定故障确切位置，便于用户采取应对措施。

5变频调速节能分析及计算

5.1现场设备数据

（一）现场技术数据： 

（二）年运行时间： 330×24=7920

（三）电价： 0.7元/kW·H

5.2工频状态下耗电计算

Pd：电动机功率 ； nd：电动机效率 ； U：电动机输入电压 ；I：电动机实际运行电流 ；cosφ：功率因子。                        

    Pd = ×U×I×cosφ

然后将电动机实际工频下运行的电流及各工况点运行时间比代入上面的公式，得出电动机工频状态下的功率Pd

5.3变频状态下年耗电量计算

水泵类负载的运行特性及管路性能曲线的绘制与计算：Pd’：电动机轴功率 ； P′：水泵轴功率 ；：电动机效率 ；：变频器实际效率 ；Q：泵出口流量 ；H：水泵出、入口压力差。

水泵设备属平方转矩负载，其转速n与流量Q，压力H以及轴功率P具有如下关系：Q∝n ，H∝n2，P∝n3；即，流量与转速成正比，压力与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。通过水泵数据，依据公式可依次求得水泵在采用变频调速运行时对应的水泵总功耗 。

另有，电动机效率与电动机负荷率β之间的关系如图所示。

变频器的效率与电动机负荷率β之间的关系如图所示。

综合考虑到电动机效率和变频器的效率，

则网测功率损耗

节电率 =

经计算，可得下表：

5.4实际应用节能分析

工频运行参数取自原4月份开工时电动机运行参数。变频运行参数取自现在运行参数。

原料进料泵运行参数对比：

（一）每小时节约用电:301-129=172kW

（二）年运行时间 300天×24=7200小时，电价按 0.5997元/kW·H计

（三）每年节约电费：172×0.5997×7200= 742668.48元，即每年节约电费74.2余万元

注：投资两台高压变频约120万元，大约使用两年收回投资。

6.应用高压变频调速系统产生的其他效果

1、维护量减少。采用变频调速后，无论哪种工艺条件，随时可以通过调整转速使系统运行在工艺要求的状态下工作。

2、提高设备的使用寿命，大大降低维修费用以及时间。

3、工作强度降低。变频调速系统可由主控系统进行协调控制，根据运行工况按设定程序，实现对负载电动机转速自动控制。大大降低了劳动强度，提高了生产效率，为优化运营提供了可靠保证。

4、减少了对电网的冲击。采用变频调节后，系统实现软启动，电动机启动电流远远小于额定电流，启动时间相应延长，对电网无大的冲击，减轻了起动机械转矩对电动机机械损伤，有效的延长了电动机的使用寿命。

5、提高功率因数。电压源型变频器功率因数可达0.96,采用变频调速系统后，无需无功补偿装置就能满足电网要求。不但提高了厂变及其它相关电气设备的利用率、而且节约了线路能量损失，节约了经费，可谓一举多得。

6、完善的故障诊断和保护功能。变频器具备对电动机和变频器本身完善的保护功能，如过热、过载、过流、过压、缺相、接地等，从而避免设备在不正常状态下长时间运行，保证设备不至于损坏。并且，故障信息可以准确地指示故障点，变频器使用说明书中还有引起故障的原因及排除故障的措施，极大地方便了维护人员排查故障。

作者简介

刘海鹏（1978.10-）高级工程师 山东明宇化学有限公司的电气项目负责人，研究方向：自动控制。