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摘要：著重探討了中功率段（220～1500kW）通風(fēng)機(jī)合理選擇其驅(qū)動(dòng)電機(jī)電壓等級(jí)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)意義。提出了中等功率段通風(fēng)機(jī)節(jié)能調(diào)速在目前階段比較適用的“獨(dú)立供電變壓器+低壓變頻器+低壓中功率電機(jī)”方案（高-低壓方案），并針對(duì)方案應(yīng)用低壓中等功率變頻器需要注意的周邊相關(guān)技術(shù)問題作了簡(jiǎn)要說明。

1  引言

中等功率等級(jí)的風(fēng)機(jī)（220～1500kW）應(yīng)用面很廣。其中很大一部分的風(fēng)機(jī)需要變工況運(yùn)行。以往由于電機(jī)調(diào)速手段的落后，風(fēng)機(jī)的變工況（流量、壓力）調(diào)節(jié)，主要采用出、進(jìn)口導(dǎo)葉擋板調(diào)節(jié)、液力耦合器調(diào)速、電磁滑差調(diào)速、串級(jí)調(diào)速和轉(zhuǎn)子回路串電阻等作為變工況運(yùn)行的調(diào)節(jié)措施，這些調(diào)節(jié)方式不是耗能嚴(yán)重，就是存在調(diào)節(jié)性能差、運(yùn)行可靠性低等缺點(diǎn)。近年來，交流變頻調(diào)速技術(shù)已日趨成熟，并已成為大多數(shù)風(fēng)機(jī)裝置設(shè)計(jì)、運(yùn)行人員的首選節(jié)能調(diào)速運(yùn)行方案。

作為一種高效調(diào)速節(jié)能技術(shù)手段，變頻調(diào)速方案在低功率段（220kW以下）風(fēng)機(jī)裝置中得到了日益廣泛的應(yīng)用，其主要得益于近階段交流低壓變頻技術(shù)的日益成熟和其性價(jià)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(bào)。相比較而言，中功率段風(fēng)機(jī)由于我國(guó)電網(wǎng)配電電壓等級(jí)的單一性，加之用電端功率220kW以上電機(jī)電壓等級(jí)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(duì)應(yīng)電壓等級(jí)的高壓變頻裝置。而目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上中功率段6kV和10kV的高壓變頻器的單位功率價(jià)格通常要達(dá)到（1500 ～2500元/kW），高出同等級(jí)功率低壓變頻器的單位價(jià)格（300～500元/kW）數(shù)倍之多；使中功率段的風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)速的成本甚高，一次投入過高而回報(bào)期又相對(duì)較長(zhǎng)，成為阻礙變頻調(diào)速這一優(yōu)勢(shì)技術(shù)推廣應(yīng)用的價(jià)格壁壘。從技術(shù)層面來考察，高壓變頻器產(chǎn)品目前存在的技術(shù)程度復(fù)雜，技術(shù)成熟度不足，特別是運(yùn)行可靠性方面還有待成熟完善，再加上用戶對(duì)產(chǎn)品技術(shù)認(rèn)識(shí)不足等原因，使高壓變頻器的應(yīng)用也存在著一定的技術(shù)壁壘。這些均成為目前高壓變頻技術(shù)在風(fēng)機(jī)調(diào)速節(jié)能領(lǐng)域推廣應(yīng)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(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的電壓等級(jí)，從而設(shè)計(jì)組合技術(shù)成熟、投資經(jīng)濟(jì)性良好的中功率段風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速。

2  技術(shù)及經(jīng)濟(jì)意義

2.1  技術(shù)意義

交流低壓變頻是現(xiàn)階段成熟的技術(shù)，對(duì)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(gè)電壓等級(jí)的IGBT技術(shù)目前已相當(dāng)成熟穩(wěn)定，并已被作為低壓逆變的主導(dǎo)器件而廣泛應(yīng)用。由于大多數(shù)低壓變頻器的逆變主回路為同一設(shè)計(jì)類型，其輸出功率等級(jí)由IGBT耐壓和工作電流等級(jí)所決定。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)630kW以下低壓變頻器的制造和供貨不存在任何問題；國(guó)外品牌的低壓變頻器普遍已達(dá)800～1500kW的功率等級(jí)，個(gè)別品牌最高可達(dá)2800kW。

低壓變頻器屬于技術(shù)比較成熟的產(chǎn)品，國(guó)外應(yīng)用低壓變頻器在風(fēng)機(jī)調(diào)速運(yùn)行的歷史已將近30余年；國(guó)內(nèi)在這方面的應(yīng)用也有20年以上。根據(jù)某國(guó)外主流品牌低壓變頻器廠商介紹，其目前主導(dǎo)產(chǎn)品的平均無故障工作時(shí)間已達(dá)50000h以上，產(chǎn)品可靠性相當(dāng)高。對(duì)于國(guó)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(shù)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(yùn)行可靠性也達(dá)到了一定的水平。在中功率段風(fēng)機(jī)調(diào)速節(jié)能應(yīng)用方面，國(guó)內(nèi)外各大品牌的低壓變頻器均有著大量成熟的應(yīng)用案例。

表1所列為目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)可提供中功率段低壓變頻器品牌及相關(guān)型號(hào)。

表1 國(guó)內(nèi)市場(chǎng)中功率等級(jí)低壓變頻器主要品牌/型號(hào)

2.2  經(jīng)濟(jì)意義

交流低壓變頻系統(tǒng)應(yīng)用于中功率風(fēng)機(jī)調(diào)速具有良好的經(jīng)濟(jì)性。目前國(guó)內(nèi)除了一些特殊的電力終端用戶（如煤礦、油田）外，用戶設(shè)備終端電壓等級(jí)，不外乎低壓380V和高壓 6kV、10kV三種。我國(guó)現(xiàn)行的低壓等級(jí)通用電機(jī)的最大機(jī)座號(hào)為H355，中功率段風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)通常選用6～10 kV電機(jī)，對(duì)應(yīng)這個(gè)機(jī)座號(hào)的極限電機(jī)功率也就是220kW左右。超過這個(gè)機(jī)座號(hào)通常只能選用6kV或10kV電機(jī)；而風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)和運(yùn)行單位，一般也試圖通過提供終端用電設(shè)備的電壓等級(jí)，降低電機(jī)系統(tǒng)運(yùn)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(jī)座（對(duì)應(yīng)功率等級(jí)～220kW）以上的風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)全采用6kV或10kV的電壓等級(jí)。而對(duì)于許多需要變工況調(diào)速運(yùn)行的風(fēng)機(jī)而言，正是這種不恰當(dāng)?shù)剡x擇，成為應(yīng)用變頻調(diào)速這一高效節(jié)能調(diào)節(jié)手段的技術(shù)障礙。由于高壓變頻器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造技術(shù)難度高，同一功率等級(jí)的高壓變頻器與低壓變頻器價(jià)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(bào)周期相應(yīng)也要長(zhǎng)得多。這也使一些有著應(yīng)用低壓變頻節(jié)能經(jīng)驗(yàn)并產(chǎn)生實(shí)際經(jīng)濟(jì)收益的用戶，難以確立采用高壓變頻器應(yīng)用于風(fēng)機(jī)節(jié)能調(diào)速的信心。同時(shí)技術(shù)程度的相對(duì)復(fù)雜，部分廠家產(chǎn)品實(shí)際運(yùn)行中所反映性能不甚完善，甚至影響系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行等因素，也成為高壓變頻器推廣應(yīng)用的主要障礙。

因?yàn)槭艿侥孀児β势骷圃焖较拗?，高壓交流變頻核心部分的高壓逆變的實(shí)現(xiàn)要比低壓變頻逆變困難和復(fù)雜得多。目前比較成熟的高壓逆變實(shí)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(shí)現(xiàn)高壓逆變，其構(gòu)成與低壓逆變相比復(fù)雜得多。由此也就不難理解為什么相同功率等級(jí)的高壓變頻器與低壓變頻器的市場(chǎng)價(jià)格要相差3～5倍甚至更多。同時(shí)由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，從系統(tǒng)工程角度來講，要使高壓變頻器產(chǎn)品達(dá)到一定可靠性，實(shí)際要比低壓變頻器困難得多。大量運(yùn)行實(shí)踐的總結(jié)也印證了這一點(diǎn)。另外對(duì)于類似于不允許計(jì)劃外停機(jī)的某些高可靠性要求場(chǎng)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(jì)地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)備用冗余（如工頻應(yīng)急旁路）。

表2是一個(gè)500kW風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用3種常用典型調(diào)速方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的簡(jiǎn)單比較。從中得出，“獨(dú)立供電變壓器+低壓變頻器+低壓電機(jī)”方案（所謂“高—低方案”）是最佳選擇的結(jié)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(dòng)態(tài)維護(hù)費(fèi)用的支出，低壓變頻器方案的優(yōu)勢(shì)將更為突出。

表3所列，是國(guó)內(nèi)幾位從事電氣傳動(dòng)行業(yè)知名專家，比較一致提出的對(duì)中功率交流變頻調(diào)速系統(tǒng)推薦采用的電壓等級(jí)，從技術(shù)經(jīng)濟(jì)性角度考察是相當(dāng)合理的。

綜上所述，對(duì)于220～1500kW的中功率段風(fēng)機(jī)調(diào)速，采用“獨(dú)立供電變壓器+低壓變頻器+低壓電機(jī)” （高—低方案）的技術(shù)方案，其在技術(shù)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(jì)性，也較其他方案具有明顯的成本和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

3  注意的相關(guān)問題

中功率段風(fēng)機(jī)采用低壓變頻器調(diào)速方案實(shí)際應(yīng)用中，必須充分考慮中功率段低壓變頻器的技術(shù)特點(diǎn)及其應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)條件和用戶對(duì)諸如電磁兼容性方面的要求，采取適當(dāng)必要的周邊技術(shù)保障措施，以使方案得到可靠和完美的實(shí)施。

3.1  諧波和干擾問題

諧波和干擾是應(yīng)用變頻器必須要關(guān)注的問題。每個(gè)變頻器都是工作時(shí)的一個(gè)諧波源，如果不采取相應(yīng)的技術(shù)措施，變頻器運(yùn)行時(shí)會(huì)對(duì)電源系統(tǒng)和周邊設(shè)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(qiáng)度與變頻器的功率密切相關(guān), 對(duì)于功率在220kW以上的中功率段變頻器，抑制其對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)的諧波注入和對(duì)周邊設(shè)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(shè)備和周邊的電磁敏感設(shè)備（典型的如弱電控制設(shè)備）的工作異常。以下技術(shù)措施可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件和要求獨(dú)立或組合使用，對(duì)于中功率段低壓變頻器的諧波和干擾抑制相當(dāng)有效。

表2  典型500kW風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)調(diào)速方案經(jīng)濟(jì)技術(shù)性能比較

表3  中、大功率段風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)交流變頻調(diào)速系統(tǒng)推薦的工作電壓等級(jí)

   (1)單獨(dú)設(shè)置變壓器,使變頻器電源與用戶其他設(shè)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(cè)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(dǎo)。

(2)變壓器多相運(yùn)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(yīng)用變壓器的多相運(yùn)行，可降低變頻器輸入的電流諧波分量。根據(jù)實(shí)測(cè)采用12脈波輸入變頻器后，變頻器輸入端總諧波分量將達(dá)到THD≤8%，基本達(dá)到電網(wǎng)對(duì)電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的要求。

(3)增設(shè)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(shè)輸出電抗器或?qū)Ｓ脼V波器。輸出端設(shè)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(duì)電機(jī)絕緣的影響，降低電機(jī)的電磁運(yùn)行噪聲。

(5)變頻器輸出電纜采用專用屏蔽電纜。經(jīng)驗(yàn)證明，采用專用動(dòng)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(duì)于采用變頻器供電的電動(dòng)機(jī)，由于電壓波形中存在著相當(dāng)多的高頻分量，這些高頻分量除了通過變頻器與電機(jī)繞組構(gòu)成回路外，還會(huì)通過繞組與定子鐵心間以及轉(zhuǎn)軸、端蓋、機(jī)座和接地線等之間形成寄生電容而構(gòu)成高頻通路。由于這些電容容量有限，在工頻市電供電時(shí)其充放電過程形成的容性電流很小，可以忽略不計(jì)。當(dāng)采用變頻器供電且電機(jī)容量較大（110kW以上）時(shí)，由高頻分量形成的軸電流密度可達(dá)數(shù)10A/mm²，軸電流將會(huì)引起電機(jī)軸承的嚴(yán)重電蝕。由于軸承的滾珠與滾道上有可能存在凸出點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)時(shí)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(huì)引起軸承的損壞。

實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于中等功率等級(jí)以上的電機(jī)應(yīng)通過保持軸承良好潤(rùn)滑而維持內(nèi)外圈間潤(rùn)滑膜較高的絕緣電阻、軸承外圈與機(jī)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(jī)的可靠運(yùn)行。

3.3  工頻運(yùn)行冗余問題

變頻器應(yīng)用的許多場(chǎng)合，通常不允許設(shè)備發(fā)生非計(jì)劃停機(jī)。這種情況的經(jīng)典設(shè)計(jì)是提供一套獨(dú)立的工頻應(yīng)急旁路。對(duì)于采用獨(dú)立供電變壓器的低壓變頻方案，由于變壓器負(fù)載的單一性，無需考慮電機(jī)在工頻電源下啟動(dòng)時(shí)，由于啟動(dòng)電流沖擊而造成低壓母線跌落的影響。如果經(jīng)驗(yàn)算，變壓器高壓側(cè)母線在工頻旁路直接啟動(dòng)時(shí)的電壓在允許范圍內(nèi)，就可以采用直接啟動(dòng)。此時(shí)獨(dú)立供電變壓器類似于一個(gè)啟動(dòng)電抗，可以起到降低電機(jī)啟動(dòng)電流沖擊的良好效果。對(duì)于雙低壓繞組的12脈波供電變壓器方案，電機(jī)實(shí)行工頻旁路運(yùn)行時(shí)，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(jī)工頻旁路運(yùn)行的供電電源。

對(duì)于用戶希望盡量減小啟動(dòng)電流沖擊和機(jī)械沖擊的場(chǎng)合，工頻旁路電機(jī)啟動(dòng)時(shí)仍可采用軟啟動(dòng)器、降壓?jiǎn)?dòng)等傳統(tǒng)成熟的啟動(dòng)方式，這可以在方案設(shè)計(jì)時(shí)一并予以總體考慮細(xì)化。

3.4  配套電機(jī)問題

如前所述，目前國(guó)內(nèi)低壓電機(jī)定型規(guī)格的最大機(jī)座號(hào)為H355，并由于大功率風(fēng)機(jī)配套電機(jī)的極數(shù)通常均在6～10極，對(duì)應(yīng)的最大電機(jī)功率也就在220kW以下。除了少數(shù)廠家有H355以上機(jī)座低壓電機(jī)生產(chǎn)外，一般均需特別訂制，生產(chǎn)批量小、供貨價(jià)格高及交貨周期長(zhǎng)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(yīng)用。

建議作為風(fēng)機(jī)行業(yè)大用戶的中大功率風(fēng)機(jī)的主導(dǎo)生產(chǎn)企業(yè)，與電機(jī)制造行業(yè)內(nèi)具有生產(chǎn)基礎(chǔ)的單位合作，對(duì)H355機(jī)座以上的低壓電機(jī)進(jìn)行定型設(shè)計(jì)，以期降低生產(chǎn)成本和縮短交貨周期，并有利于技術(shù)成熟且經(jīng)濟(jì)性良好的中功率低壓變頻系統(tǒng)在風(fēng)機(jī)及相關(guān)行業(yè)的推廣應(yīng)用。這在技術(shù)上應(yīng)不存在任何問題。對(duì)于老系統(tǒng)改造而言，用戶可以采用將風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的高壓電機(jī)，通過繞組重繞或是更簡(jiǎn)便的串/并聯(lián)改接等方法改造為低壓電機(jī)，而使中功率低壓變頻系統(tǒng)應(yīng)用在老風(fēng)機(jī)系統(tǒng)節(jié)能改造時(shí)，可以用比較經(jīng)濟(jì)的方法得以實(shí)現(xiàn)。對(duì)此，國(guó)內(nèi)已有很多成功應(yīng)用的案例可供借鑒參考。

   變頻供電的電動(dòng)機(jī)，由于其供電電壓波形為非完全正弦波，同時(shí)電壓波形的毛刺突波比較大，因此對(duì)其絕緣有抗電暈處理和適當(dāng)增加絕緣設(shè)計(jì)裕度的要求，這在低壓電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)選型時(shí)應(yīng)予以一并考慮。

4  結(jié)論

    大中型風(fēng)機(jī)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門中是數(shù)量眾多，分布面極廣，耗電量巨大的設(shè)備。據(jù)權(quán)威資料顯示，目前在用風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的能源利用效率比國(guó)際先進(jìn)水平相差20%；差距是巨大的。這其中除存在風(fēng)機(jī)本體設(shè)計(jì)效率低之原因外，很大的因素是高效能的調(diào)速設(shè)備應(yīng)用不足，風(fēng)機(jī)系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行于低效區(qū)所致。因?yàn)橹泄β识物L(fēng)機(jī)存在著巨大的社會(huì)在役保有量，并且隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，其應(yīng)用量將不斷增加，因而，在這個(gè)功率段推廣應(yīng)用經(jīng)濟(jì)技術(shù)性能良好的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)，其現(xiàn)實(shí)的節(jié)能意義無疑是相當(dāng)巨大的。從目前階段的技術(shù)水平和各類變頻方案的經(jīng)濟(jì)性考察，采用“獨(dú)立供電變壓器+低壓變頻器+低壓電機(jī)”技術(shù)方案（所謂“高-低方案”），并輔以必要的周邊技術(shù)措施，是目前可應(yīng)用在（220～1500kW）中功率段風(fēng)機(jī)節(jié)能調(diào)速中首選的技術(shù)方案。