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中等功率風機驅(qū)動電機電壓等級的合理選擇

摘要：著重探討了中功率段（220～1500kW）通風機合理選擇其驅(qū)動電機電壓等級的技術經(jīng)濟意義。提出了中等功率段通風機節(jié)能調(diào)速在目前階段比較適用的“獨立供電變壓器+低壓變頻器+低壓中功率電機”方案（高-低壓方案），并針對方案應用低壓中等功率變頻器需要注意的周邊相關技術問題作了簡要說明。

1  引言

中等功率等級的風機（220～1500kW）應用面很廣。其中很大一部分的風機需要變工況運行。以往由于電機調(diào)速手段的落后，風機的變工況（流量、壓力）調(diào)節(jié)，主要采用出、進口導葉擋板調(diào)節(jié)、液力耦合器調(diào)速、電磁滑差調(diào)速、串級調(diào)速和轉子回路串電阻等作為變工況運行的調(diào)節(jié)措施，這些調(diào)節(jié)方式不是耗能嚴重，就是存在調(diào)節(jié)性能差、運行可靠性低等缺點。近年來，交流變頻調(diào)速技術已日趨成熟，并已成為大多數(shù)風機裝置設計、運行人員的首選節(jié)能調(diào)速運行方案。

作為一種高效調(diào)速節(jié)能技術手段，變頻調(diào)速方案在低功率段（220kW以下）風機裝置中得到了日益廣泛的應用，其主要得益于近階段交流低壓變頻技術的日益成熟和其性價的不斷提高，由此也給廣大用戶帶來的良好的節(jié)能收益回報。相比較而言，中功率段風機由于我國電網(wǎng)配電電壓等級的單一性，加之用電端功率220kW以上電機電壓等級通常只有6kV或10kV可供選擇（3kV已逐步淘汰），這使得該功率段若采用變頻調(diào)速，只能采用對應電壓等級的高壓變頻裝置。而目前國內(nèi)市場上中功率段6kV和10kV的高壓變頻器的單位功率價格通常要達到（1500 ～2500元/kW），高出同等級功率低壓變頻器的單位價格（300～500元/kW）數(shù)倍之多；使中功率段的風機采用變頻調(diào)速的成本甚高，一次投入過高而回報期又相對較長，成為阻礙變頻調(diào)速這一優(yōu)勢技術推廣應用的價格壁壘。從技術層面來考察，高壓變頻器產(chǎn)品目前存在的技術程度復雜，技術成熟度不足，特別是運行可靠性方面還有待成熟完善，再加上用戶對產(chǎn)品技術認識不足等原因，使高壓變頻器的應用也存在著一定的技術壁壘。這些均成為目前高壓變頻技術在風機調(diào)速節(jié)能領域推廣應用的主要制約因素。

本文的主要目的是探討如何通過合理的選擇中功率段風機驅(qū)動電機系統(tǒng)的電壓等級，從而設計組合技術成熟、投資經(jīng)濟性良好的中功率段風機變頻調(diào)速。

2  技術及經(jīng)濟意義

2.1  技術意義

交流低壓變頻是現(xiàn)階段成熟的技術，對于變頻器而言，其工作電壓的高低主要取決于變頻器內(nèi)PWM主回路逆變器件的耐壓水平。目前690V以下低壓變頻器主流型逆變器件一般采用的耐壓水平1200/1700V的IGBT模塊。這個電壓等級的IGBT技術目前已相當成熟穩(wěn)定，并已被作為低壓逆變的主導器件而廣泛應用。由于大多數(shù)低壓變頻器的逆變主回路為同一設計類型，其輸出功率等級由IGBT耐壓和工作電流等級所決定。目前，國內(nèi)對630kW以下低壓變頻器的制造和供貨不存在任何問題；國外品牌的低壓變頻器普遍已達800～1500kW的功率等級，個別品牌最高可達2800kW。

低壓變頻器屬于技術比較成熟的產(chǎn)品，國外應用低壓變頻器在風機調(diào)速運行的歷史已將近30余年；國內(nèi)在這方面的應用也有20年以上。根據(jù)某國外主流品牌低壓變頻器廠商介紹，其目前主導產(chǎn)品的平均無故障工作時間已達50000h以上，產(chǎn)品可靠性相當高。對于國內(nèi)變頻器廠商而言，大部分生產(chǎn)廠商目前已渡過了技術有欠成熟、產(chǎn)品質(zhì)量不甚穩(wěn)定的初創(chuàng)期，產(chǎn)品質(zhì)量和運行可靠性也達到了一定的水平。在中功率段風機調(diào)速節(jié)能應用方面，國內(nèi)外各大品牌的低壓變頻器均有著大量成熟的應用案例。

表1所列為目前國內(nèi)市場可提供中功率段低壓變頻器品牌及相關型號。

表1 國內(nèi)市場中功率等級低壓變頻器主要品牌/型號

2.2  經(jīng)濟意義

交流低壓變頻系統(tǒng)應用于中功率風機調(diào)速具有良好的經(jīng)濟性。目前國內(nèi)除了一些特殊的電力終端用戶（如煤礦、油田）外，用戶設備終端電壓等級，不外乎低壓380V和高壓 6kV、10kV三種。我國現(xiàn)行的低壓等級通用電機的最大機座號為H355，中功率段風機驅(qū)動通常選用6～10 kV電機，對應這個機座號的極限電機功率也就是220kW左右。超過這個機座號通常只能選用6kV或10kV電機；而風機設計和運行單位，一般也試圖通過提供終端用電設備的電壓等級，降低電機系統(tǒng)運行線路損耗和提高系統(tǒng)效率。這幾方面的原因，使目前H355機座（對應功率等級～220kW）以上的風機驅(qū)動電機全采用6kV或10kV的電壓等級。而對于許多需要變工況調(diào)速運行的風機而言，正是這種不恰當?shù)剡x擇，成為應用變頻調(diào)速這一高效節(jié)能調(diào)節(jié)手段的技術障礙。由于高壓變頻器結構復雜，制造技術難度高，同一功率等級的高壓變頻器與低壓變頻器價格又相差懸殊。這也意味著如果作為一種節(jié)能投資，采用高壓變頻方案要比采用低壓變頻方案的一次投入大數(shù)倍，投資回報周期相應也要長得多。這也使一些有著應用低壓變頻節(jié)能經(jīng)驗并產(chǎn)生實際經(jīng)濟收益的用戶，難以確立采用高壓變頻器應用于風機節(jié)能調(diào)速的信心。同時技術程度的相對復雜，部分廠家產(chǎn)品實際運行中所反映性能不甚完善，甚至影響系統(tǒng)安全可靠運行等因素，也成為高壓變頻器推廣應用的主要障礙。

因為受到逆變功率器件制造水平限制，高壓交流變頻核心部分的高壓逆變的實現(xiàn)要比低壓變頻逆變困難和復雜得多。目前比較成熟的高壓逆變實現(xiàn)方案不外乎多重化單元串聯(lián)、三電平箝位和功率元件串聯(lián)等幾種。而無論通過哪一種方式實現(xiàn)高壓逆變，其構成與低壓逆變相比復雜得多。由此也就不難理解為什么相同功率等級的高壓變頻器與低壓變頻器的市場價格要相差3～5倍甚至更多。同時由于系統(tǒng)結構的復雜性，從系統(tǒng)工程角度來講，要使高壓變頻器產(chǎn)品達到一定可靠性，實際要比低壓變頻器困難得多。大量運行實踐的總結也印證了這一點。另外對于類似于不允許計劃外停機的某些高可靠性要求場合，低壓變頻器也可以比高壓變頻器更方便、更容易和更經(jīng)濟地實現(xiàn)系統(tǒng)備用冗余（如工頻應急旁路）。

表2是一個500kW風機驅(qū)動電機采用3種常用典型調(diào)速方案的技術經(jīng)濟性的簡單比較。從中得出，“獨立供電變壓器+低壓變頻器+低壓電機”方案（所謂“高—低方案”）是最佳選擇的結論。如果考慮高壓變頻和液力耦合器調(diào)速方案相比，低壓變頻調(diào)速方案較低的動態(tài)維護費用的支出，低壓變頻器方案的優(yōu)勢將更為突出。

表3所列，是國內(nèi)幾位從事電氣傳動行業(yè)知名專家，比較一致提出的對中功率交流變頻調(diào)速系統(tǒng)推薦采用的電壓等級，從技術經(jīng)濟性角度考察是相當合理的。

綜上所述，對于220～1500kW的中功率段風機調(diào)速，采用“獨立供電變壓器+低壓變頻器+低壓電機” （高—低方案）的技術方案，其在技術方面是成熟可行的；如果從投入產(chǎn)出等方面綜合考察方案的經(jīng)濟性，也較其他方案具有明顯的成本和經(jīng)濟優(yōu)勢。

3  注意的相關問題

中功率段風機采用低壓變頻器調(diào)速方案實際應用中，必須充分考慮中功率段低壓變頻器的技術特點及其應用現(xiàn)場條件和用戶對諸如電磁兼容性方面的要求，采取適當必要的周邊技術保障措施，以使方案得到可靠和完美的實施。

3.1  諧波和干擾問題

諧波和干擾是應用變頻器必須要關注的問題。每個變頻器都是工作時的一個諧波源，如果不采取相應的技術措施，變頻器運行時會對電源系統(tǒng)和周邊設備產(chǎn)生不良影響。由于諧波發(fā)生量和產(chǎn)生的電磁干擾強度與變頻器的功率密切相關, 對于功率在220kW以上的中功率段變頻器，抑制其對電網(wǎng)系統(tǒng)的諧波注入和對周邊設備的電磁干擾顯得尤其重要。否則將很可能使接于變頻器同一供電電源下的其他設備和周邊的電磁敏感設備（典型的如弱電控制設備）的工作異常。以下技術措施可根據(jù)現(xiàn)場條件和要求獨立或組合使用，對于中功率段低壓變頻器的諧波和干擾抑制相當有效。

表2  典型500kW風機驅(qū)動電機調(diào)速方案經(jīng)濟技術性能比較

表3  中、大功率段風機驅(qū)動交流變頻調(diào)速系統(tǒng)推薦的工作電壓等級

   (1)單獨設置變壓器,使變頻器電源與用戶其他設備的低壓電源隔離。目的之一是提供足夠的輸入阻抗，與變頻器電纜寄生電容組成LC濾波器，將電網(wǎng)側諧波限制在一定范圍內(nèi)；目的之二是可以抑制諧波與干擾通過同一低壓回路直接向其它低壓用戶端傳導。

(2)變壓器多相運行。通常變頻器的整流部分是6脈波整流器，所以產(chǎn)生的諧波較大。應用變壓器的多相運行，可降低變頻器輸入的電流諧波分量。根據(jù)實測采用12脈波輸入變頻器后，變頻器輸入端總諧波分量將達到THD≤8%，基本達到電網(wǎng)對電能質(zhì)量標準的要求。

(3)增設交流輸入電抗器或直流電抗器。在變頻器輸入端加入交流電抗器或在其直流回路加入直流電抗器，可顯著改善變頻器輸入端諧波含量，穩(wěn)流削波，改善變頻器輸入端功率因素。

(4)變頻器的輸出端增設輸出電抗器或?qū)Ｓ脼V波器。輸出端設置電抗器或?qū)Ｓ脼V波器，可有效降低變頻器輸出電流中的高頻分量引起的高頻輻射干擾，降低電壓突波對電機絕緣的影響，降低電機的電磁運行噪聲。

(5)變頻器輸出電纜采用專用屏蔽電纜。經(jīng)驗證明，采用專用動力屏蔽電纜是抑制變頻器輸出端高頻輻射的有效途徑。

3.2  軸電流抑制

對于采用變頻器供電的電動機，由于電壓波形中存在著相當多的高頻分量，這些高頻分量除了通過變頻器與電機繞組構成回路外，還會通過繞組與定子鐵心間以及轉軸、端蓋、機座和接地線等之間形成寄生電容而構成高頻通路。由于這些電容容量有限，在工頻市電供電時其充放電過程形成的容性電流很小，可以忽略不計。當采用變頻器供電且電機容量較大（110kW以上）時，由高頻分量形成的軸電流密度可達數(shù)10A/mm²，軸電流將會引起電機軸承的嚴重電蝕。由于軸承的滾珠與滾道上有可能存在凸出點，旋轉時通過該處的軸承電流斷開，從而引起電弧，灼傷金屬表面，這種微觀損害的持續(xù)積累將會引起軸承的損壞。

實際應用中，對于中等功率等級以上的電機應通過保持軸承良好潤滑而維持內(nèi)外圈間潤滑膜較高的絕緣電阻、軸承外圈與機座接觸面噴涂絕緣漆、變頻器輸出端加入濾波器等抑制軸電流產(chǎn)生的措施，保障電機的可靠運行。

3.3  工頻運行冗余問題

變頻器應用的許多場合，通常不允許設備發(fā)生非計劃停機。這種情況的經(jīng)典設計是提供一套獨立的工頻應急旁路。對于采用獨立供電變壓器的低壓變頻方案，由于變壓器負載的單一性，無需考慮電機在工頻電源下啟動時，由于啟動電流沖擊而造成低壓母線跌落的影響。如果經(jīng)驗算，變壓器高壓側母線在工頻旁路直接啟動時的電壓在允許范圍內(nèi)，就可以采用直接啟動。此時獨立供電變壓器類似于一個啟動電抗，可以起到降低電機啟動電流沖擊的良好效果。對于雙低壓繞組的12脈波供電變壓器方案，電機實行工頻旁路運行時，將原兩組分別向變頻器兩組串聯(lián)整流器供電的低壓繞組切換成曲折聯(lián)接后，直接作為電機工頻旁路運行的供電電源。

對于用戶希望盡量減小啟動電流沖擊和機械沖擊的場合，工頻旁路電機啟動時仍可采用軟啟動器、降壓啟動等傳統(tǒng)成熟的啟動方式，這可以在方案設計時一并予以總體考慮細化。

3.4  配套電機問題

如前所述，目前國內(nèi)低壓電機定型規(guī)格的最大機座號為H355，并由于大功率風機配套電機的極數(shù)通常均在6～10極，對應的最大電機功率也就在220kW以下。除了少數(shù)廠家有H355以上機座低壓電機生產(chǎn)外，一般均需特別訂制，生產(chǎn)批量小、供貨價格高及交貨周期長是普遍存在的問題。這也一定程度上影響了變頻調(diào)速在中功率段的大量應用。

建議作為風機行業(yè)大用戶的中大功率風機的主導生產(chǎn)企業(yè)，與電機制造行業(yè)內(nèi)具有生產(chǎn)基礎的單位合作，對H355機座以上的低壓電機進行定型設計，以期降低生產(chǎn)成本和縮短交貨周期，并有利于技術成熟且經(jīng)濟性良好的中功率低壓變頻系統(tǒng)在風機及相關行業(yè)的推廣應用。這在技術上應不存在任何問題。對于老系統(tǒng)改造而言，用戶可以采用將風機驅(qū)動的高壓電機，通過繞組重繞或是更簡便的串/并聯(lián)改接等方法改造為低壓電機，而使中功率低壓變頻系統(tǒng)應用在老風機系統(tǒng)節(jié)能改造時，可以用比較經(jīng)濟的方法得以實現(xiàn)。對此，國內(nèi)已有很多成功應用的案例可供借鑒參考。

   變頻供電的電動機，由于其供電電壓波形為非完全正弦波，同時電壓波形的毛刺突波比較大，因此對其絕緣有抗電暈處理和適當增加絕緣設計裕度的要求，這在低壓電動機設計選型時應予以一并考慮。

4  結論

    大中型風機在國民經(jīng)濟各部門中是數(shù)量眾多，分布面極廣，耗電量巨大的設備。據(jù)權威資料顯示，目前在用風機系統(tǒng)的能源利用效率比國際先進水平相差20%；差距是巨大的。這其中除存在風機本體設計效率低之原因外，很大的因素是高效能的調(diào)速設備應用不足，風機系統(tǒng)長期運行于低效區(qū)所致。因為中功率段風機存在著巨大的社會在役保有量，并且隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，其應用量將不斷增加，因而，在這個功率段推廣應用經(jīng)濟技術性能良好的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)，其現(xiàn)實的節(jié)能意義無疑是相當巨大的。從目前階段的技術水平和各類變頻方案的經(jīng)濟性考察，采用“獨立供電變壓器+低壓變頻器+低壓電機”技術方案（所謂“高-低方案”），并輔以必要的周邊技術措施，是目前可應用在（220～1500kW）中功率段風機節(jié)能調(diào)速中首選的技術方案。