大功率变频调速传动的合理电压等级

    大中功率风机和泵类采用变频调速可节约大量电能，大部分功率在200~ 2000kW范围中。现有的交流电动机200kW是个界限，200kW以下是低压380V；200kW以上为中压：3、6kV和10kV。供电部门从减小线损的角度出发，希望提高供电电压，3kV已取消，6kV正在淘汰中，大力推行10kV，将来还可能提至20kV。用户从简化配置出发，很自然的提出要求，希望200kW以上的电动机和变压器也都采用10kV，但这个愿望在技术上却实现困难，且在经济上价格也高。原因如下：    (1) 10kV电动机从制造角度来说并不困难，但随着电压升高，绝缘等级提高，电动机重量和价格也增加，以YJS系列4极560kW电动机为例：380V重3.6t，价格为11万；6kV重3.9t，价格为15万；10kV重4.4t，价格为20万。    (2)受电力电子器件电压及电动机允许的du/dt限制，10kV变频器必须多电平，多器件串联。这就造成线路复杂，价格昂贵，可靠性差。对于10kV变频器若使用1700V IGBT器件，需10只串联，三相共120支器件（每相4个串联组）。若使用3300V器件，也需5只串联，三相共60支器件，数量巨大。另一方面电流小，器件的电流能力得不到充分利用，仍以560kW为例，10kV电动机电流仅40A左右，现1700V的IGBT电流已达2400A，3300V器件电流达1600A，即使电动机功率达2000kV，电流也只有140A左右，电动机额定电流与开关器件额定电流相比仍很小。    为了电平隔离，改善输入电流波形及减小谐波，现在所有的中压“直接变频”器都不是真正的直接变频，其输入侧都装有输入变压器，这种结构短时间内不会改变。既然输入侧有变压器，变频器和电动机的电压就没有必要和电网一样，非用10kV和6kV不可，因此就有了变频器和电动机的合理电压等级选用问题。另外，过去电动机中低压的200kW分界是考虑电动机直接起动，起动电流5~7倍额定电流，10kV/380V电力变压器容量2000kVA，短路阻抗6%左右，电动机起动时380V母线压降限制在5010左右而定的。再加大变压器，短路电流太大，低压开关难以承受。采用变频器调速后，起动电流被限制在额定值内，中低压分界条件也应随之变化。现在660V低压电动机容量已达1000~ 1200kW，它也为讨论合理电压等级提供了基础。在分析合理电压等级及应用中应注意的是：    (1)低压变频器采用1200V或1700V IGBT，器件额定电流小于1800~ 2400A，并联数不大于2。并联再多实现麻烦，就不如改为多电平串联的中压变频。    (2)中压变频采用器件种类及电压等级很多，相应线路方案也不同。基于目前市场上流行的产品，它们是基于1700V IGBT的分离直流电源多重化（SDM、H桥串联）方案及基于3300、4500V和6000V的IGBT或IGCT或IEGT三电平方案(THL)。    (3) 800~ 1200kW以下的变频调速宜选用380V或660V电压等级。它线路简单、技术成熟、可靠性高、du/dt小、价格便宜。仍以560kW电动机为例，630kW 660V的低压变频器约50万，而同容量2300V的中压变频器约90万。实现的方法有低-低，低-高，高-低和高-低-高等几种形式。由于电动机、变压器的价格远低于变频器，即使更换电动机、变压器也是合理。    (4)1000~ 1500kW以上的电动机调速可以采用中压变频，国外的中压变频器有多个电压等级：1.1、2.3、3、4.2、6kV，它们主要由电力电子器件的电压等级所确定。在THL中器件不串及SDM中桥不串联情况下，器件电压与变频器电压间的关系如表9-2所示。    表9-2    在不串联情况下，器件电压与变频器电压间的关系
    目前器件最高电压为6000V，在不串情况下变频器最高电压4.2kV。6kV变频器必须串联，线路复杂，器件多，可靠性受影响。国外很少做6kV变频器，10kV基本不做。从原理上说SDM通过H桥单元串联，变频器输出电压不受器件电压限制，可以较高，但提高电压的代价是器件大量增加，可靠性降低。对于同样输出功率的变频器，使用较高电压、较多单元串联所花的代价大于用较低电压、较少数量、电流较大单元的代价，也就是说在器件电流允许条件下应选用尽可能低的电压等级。    许多应用场合都要求旁路功能，即在变频器故障时将电机旁路，直接接入电网恒速工作。为降低变频器造价，电动机电压低于电网电压后，如何旁路是一个需要解决的问题。对于不同的变频器旁路方法不同，如果电动机电压和电网电压一致，旁路不成问题。为了降低变频器造价，电动机电压低于电网电压后，如何旁路，是所要讨论的问题。    如果采用低压变频，变频器输入交流电压与额定输出电压一样，电动机可以绕过变频器直接接低压380V或660V电源。    如果采用THL中压变频，可以把输入变压器两副边串联起来向电动机供电，输入变压器的两组二次侧线电压各等于1.5 Um/2（Um为电动机额定输入电压），并互差300，把它们串起来后电压为    1.5 Um cos150=1.01 Um    (9-2)    正好供电机恒速工作。    如果采用SDM变频器，输入变频器二次侧太多，无法通过改变接线来旁路变频器，只能旁路出故障的单元，经触点将故障单元输出短路，单元中IGBT封锁。在这类变频器设计时已考虑了旁路单元的工况。如果一定要旁路变频器，只能另加一台备用降压变压器，这对于在一个电网上接有多套变频器时是合理的。    设计旁路电路时需注意校验电动机直接起动时的起动转矩。例如变压器短路阻抗为6%，容量为1.1倍变频器容量，电动机起动电流为7倍，则电动机起动电压为0.72Um，起动转矩为0.52倍额定起动转矩，它应大于负载转矩。若起动转矩不够，只能加大变压器容量或选用小短路阻抗的变压器。