1 引言

　　變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，高壓大功率變頻調(diào)速裝置不斷地成熟起來，原來一直難于解決的高壓?jiǎn)栴}，近年來通過器件串聯(lián)或單元串聯(lián)得到了很好的解決。

　　2 目前現(xiàn)狀

　　前些年，高壓變頻調(diào)速技術(shù)在大功率交流傳動(dòng)中推廣應(yīng)用較慢，其原因主要有兩個(gè)：一是大功率電動(dòng)機(jī)的供電電壓高（筆者所在公司的29臺(tái)三相交流異步電機(jī)均為6kV、單臺(tái)功率185kW），而組成變頻器的功率器件的耐壓水平較低，造成電壓匹配上的難題；二是高壓大功率變頻調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)含量高，難度大，成本也高，而一般的水泵等節(jié)能改造都要求低投入、高回報(bào)，從而造成微觀經(jīng)濟(jì)效益上的難題。在冶金、化工、電力、市政供水和采礦等行業(yè)廣泛應(yīng)用的泵類負(fù)載，占整個(gè)用電設(shè)備能耗的40%左右，電費(fèi)在自來水廠甚至占制水成本的50%.這是因?yàn)椋阂环矫妫O(shè)備在設(shè)計(jì)時(shí)，通常都留有一定的余量；另一方面，由于工況的變化，需要泵機(jī)輸出不同的流量。隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和自動(dòng)化，智能化程度的提高，采用高壓變頻器對(duì)泵類負(fù)載進(jìn)行速度控制，不但對(duì)改進(jìn)工藝、提高產(chǎn)品質(zhì)量有好處，又是節(jié)能和設(shè)備經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的要求，是可持續(xù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。對(duì)泵類負(fù)載進(jìn)行調(diào)速控制的好處甚多。從應(yīng)用實(shí)例看，大多已取得了較好的效果（有的節(jié)能高達(dá)30%-40%），大幅度降低了自來水廠的制水成本，提高了自動(dòng)化程度，且有利于泵機(jī)和管網(wǎng)的降壓運(yùn)行，減少了滲漏、爆管，可延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。

　　3 主電路及控制電路的比較

　　3.1 主電路比較

　　目前市場(chǎng)上的高壓變頻器還沒有低壓變頻器那樣具有成熟的、一致性的主電路的拓樸結(jié)構(gòu)，僅限于采用目前電壓耐量的功率器件。如何面對(duì)高電壓使用條件的要求，國(guó)內(nèi)外各變頻器生產(chǎn)廠家各有不盡一致的主電路結(jié)構(gòu)，但都較為成功地解決了高電壓大容量這一難題。異步電機(jī)高壓變頻器先后出現(xiàn)了電流型高壓變頻器、功率單元串聯(lián)型高壓變頻器、二極管箝位三電平高壓變頻器、電壓型高-低-高式高壓變頻器等多種拓樸結(jié)構(gòu)。大功率高電壓的變頻器尤其以電壓型和電流型二種較為普遍。目前，市場(chǎng)上一些品牌的變頻器屬電壓型或電流型變頻器。

　　（1）電壓型變頻器

　　變頻器的主電路大體上可分為兩類：電壓型是將電壓源的直流變換為交流的變頻器，直流回路的濾波是電容；電流型是將電流源的直流變換為交流的變頻器，其直流回路濾波是電感。這類變頻器的優(yōu)點(diǎn)是性投資略低，但從理論上來講，器件在串聯(lián)使用時(shí)，因?yàn)楦髌骷膭?dòng)態(tài)電阻和極電容不同，而存在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)均壓的問題。如果采用與器件并聯(lián)R（電阻）和RC（阻容）的均壓措施，會(huì)使電路復(fù)雜，損耗增加；同時(shí)，器件的串聯(lián)對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求也大大提高，要盡量做到串聯(lián)器件同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，否則由于各器件開斷時(shí)間不一，承受電壓不均，會(huì)導(dǎo)致器件損壞甚至整個(gè)裝置崩潰。

　　（2）電流型變頻器

　　電流型變頻器目前主要是羅克韋爾公司的產(chǎn)品，尤其以其近年推出新一代的6kV變頻器PowerFlex7000系列，用新型功率器件即對(duì)稱門極換流晶閘管（SGCT）代替原先的GTO,6kV系統(tǒng)每個(gè)橋臂采用三只耐壓為6500V的SGCT.PWM整流器，標(biāo)準(zhǔn)的諧波濾波器及功率因數(shù)補(bǔ)償器，以使其諧波符合IEEE519-1992標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

　　PowerFlex7000系列6kV變頻器的優(yōu)點(diǎn)是易于控制電流，便于實(shí)現(xiàn)能量回饋和四象限運(yùn)行；輸入端采用可控器件實(shí)現(xiàn)PWM整流，該變頻器采用功率器件串聯(lián)的二電平逆變方案，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用的功率器件少。

　　AB PowerFlex7000中壓變頻器對(duì)于您面臨的絕大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合，無(wú)論性能要求如何，羅克韋爾自動(dòng)化Allen-Bradley PowerFlex系列交流變頻器都能為您提供幫助。從低壓到中壓，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，PowerFlex系列變頻器功率范圍從0.2KW（0.25Hp）到25400KW（34000Hp），提供水平的智能電機(jī)控制解決方案。

　　PowerFlex7000的性能與電機(jī)的參數(shù)有關(guān)，具有自適應(yīng)調(diào)整系統(tǒng)，消除了有些品牌變頻器的電流的諧波成分大，污染和損耗較大，且共模電壓高，對(duì)電機(jī)的絕緣有影響等不足。但PowerFlex7000的不足之處是性投資略高。PowerFlex系列不同型號(hào)的變頻器，具有操作的相通性。相同的人機(jī)界面，易于熟悉和方便使用，大大節(jié)省了操作工人的培訓(xùn)時(shí)間。相同的參數(shù)結(jié)構(gòu)參數(shù)結(jié)構(gòu)，相同基于PC的軟件（編程，監(jiān)控和故障診斷），相同的參數(shù)名稱和描述，大大的縮短了用戶從一種型號(hào)轉(zhuǎn)換到另一種型號(hào)的熟悉過程和費(fèi)用。

　　不同型式的6kV變頻器，除主電路拓樸結(jié)構(gòu)不相一致外，還有效率、諧波、和可靠性、冗余設(shè)計(jì)等問題也有所不同。

　　供水行業(yè)的機(jī)組變頻調(diào)速裝量的容量較大，隨著人們節(jié)能意識(shí)的不斷提高，對(duì)系統(tǒng)的效率問題認(rèn)識(shí)也就愈加注重。采用不同的主電路拓樸結(jié)構(gòu)，使用的功率器件的種類、數(shù)量的多少，以及變壓器，濾波器等的使用，都會(huì)影響系統(tǒng)的效率。為了提高系統(tǒng)效率，必須設(shè)法盡量減少功率開關(guān)器件和變頻調(diào)速裝置的損耗。在多種6kV變頻器中，PowerFlex7000屬高-高電壓等級(jí)（6kV進(jìn)線-6kV出線）的電流型變頻器，系統(tǒng)采用了冗余設(shè)計(jì)，脈寬調(diào)制技術(shù)（PWM），電流源逆變器（CSI）作為驅(qū)動(dòng)端逆變器等的運(yùn)用，使系統(tǒng)的性能得到進(jìn)一步的提高。它的功率單元結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性價(jià)比高及穩(wěn)定可靠，能適應(yīng)較寬的電壓和功率范圍。電力半導(dǎo)體器件的額定反向峰值電壓PIV高達(dá)6500V,同電壓等級(jí)、同容量變頻器中，其功率器件少。電壓波形的dv/dt小于10V/ms.困擾電壓型逆變器（VSI）的反射波形和dv/dt的問題在PowerFlex7000根本不存在，同時(shí)還在逆變器中應(yīng)用了諧波選擇消除結(jié)構(gòu)（SHE），消除主要階次的諧波，集成在變頻器中的輸出小電容器消除了其余的高次諧波，使整個(gè)輸出波型接近完美正弦波。該裝置還使用了SGCT.門極驅(qū)動(dòng)器的位置靠近SGCT,控制回路阻抗低，它在降低門極開關(guān)時(shí)電流和電壓的起伏程度方面大大優(yōu)于傳統(tǒng)的功率器件。

　　3.2 控制電路比較

　　早期通用變頻器如東芝TOSVERT-130系列、FUJI FVRG5/P5系列，SANKEN SVF系列等大多數(shù)為開環(huán)恒壓比（V/F=常數(shù)）的控制方式。其優(yōu)點(diǎn)是控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，缺點(diǎn)是系統(tǒng)性能不高。具體來說，其控制曲線會(huì)隨著負(fù)載的變化而變化；轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢，電機(jī)轉(zhuǎn)矩利用率不高，低速時(shí)因定子電阻和逆變器死區(qū)效應(yīng)的存在而性能下降，穩(wěn)定性變差等。對(duì)變頻器U/F控制系統(tǒng)的改造主要經(jīng)歷了以下3個(gè)階段；

　?。?）第1階段：磁通軌跡控制

　　80年代初日本學(xué)者提出了基本磁通軌跡的電壓空間矢量（或稱磁通軌跡法）。該方法以三相波形的整體生成效果為前提，以逼近電機(jī)氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)軌跡為目的，生成二相調(diào)制波形。這種方法被稱為電壓空間矢量控制。典型機(jī)種如1989年前后進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)的FUJI（富士）FRN5OOOG5/P5、SANKEN（三墾）MF系列等。1991年由富士電機(jī)推出的FVR與FRNG7/P7的設(shè)計(jì)中，三菱、日立，東芝等系列中也都有類似的產(chǎn)品。然而，在上述四種方法中，由于未引入轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，系統(tǒng)性能沒有得到根本性的改善。

　?。?）第2階段：磁場(chǎng)定向控制，也稱矢量控制

　　采用矢量控制方式的通用變頻器不僅可在調(diào)速范圍上與直流電動(dòng)機(jī)相匹配，而且可以控制異步電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。由于矢量控制方式所依據(jù)的是準(zhǔn)確的被控異步電動(dòng)機(jī)的參數(shù)，有的通用變頻器在使用時(shí)需要準(zhǔn)確地輸入異步電動(dòng)機(jī)的參數(shù)，有的通用變頻器需要使用速度傳感器和編碼器。鑒于電機(jī)參數(shù)有可能發(fā)生變化，會(huì)影響變頻器對(duì)電機(jī)的控制性能，目前新型矢量控制通用變頻器中已經(jīng)具備異步電動(dòng)機(jī)參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)辨識(shí)、自適應(yīng)功能，帶有這種功能的通用變頻器在驅(qū)動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行正常運(yùn)轉(zhuǎn)之前可以自動(dòng)地對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)，并根據(jù)辨識(shí)結(jié)果調(diào)整控制算法中的有關(guān)參數(shù)，從而對(duì)普通的異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行有效的矢量控制。

　　它是70年代初由西德 F.Blasschke等人首先提出，以直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)比較的方法，分析闡述了這一原理，由此開創(chuàng)了交流電動(dòng)機(jī)等效直流電動(dòng)機(jī)控制的先河。但是，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測(cè)，以及矢量變換的復(fù)雜性，使得實(shí)際控制效果往往難以達(dá)到理論分析的效果，這是矢量控制技術(shù)在實(shí)踐上的不足。此外，它必須直接或間接地得到轉(zhuǎn)子磁鏈在空間上的位置才能實(shí)現(xiàn)定子電流解耦控制，在這種矢量控制系統(tǒng)中需要配置轉(zhuǎn)子位置傳感器或速度傳感器，這顯然給許多應(yīng)用場(chǎng)合帶來不便。因此，矢量控制技術(shù)仍然在努力融入通用型變頻器中，1992年開始，德國(guó)西門子開發(fā)了6SE70通用型系列，通過FC、VC、SC板可以分別實(shí)現(xiàn)頻率控制、矢量控制、伺服控制。1994年將該系列擴(kuò)展至315kW以上。

　?。?）第3階段：直接轉(zhuǎn)矩控制

　　直接轉(zhuǎn)矩控制的特征是控制定子磁鏈，是直接在定子靜止坐標(biāo)系下，以空間矢量概念，通過檢測(cè)到的定子電壓、電流，直接在定子坐標(biāo)系下計(jì)算與控制電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，獲得轉(zhuǎn)矩的高動(dòng)態(tài)性能。它不需要將交流電動(dòng)機(jī)化成等效直流電動(dòng)機(jī)，因而省去了矢量變換中的許多復(fù)雜計(jì)算，它也不需要模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制，從而也不需要為解耦而簡(jiǎn)化交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，而只需關(guān)心電磁轉(zhuǎn)矩的大小，因此控制上對(duì)除定子電阻外的所有電機(jī)參數(shù)變化魯棒性良好，所引入的定子磁鏈觀測(cè)器能很容易得到磁鏈模型，并方便地估算出同步速度信息，同時(shí)也很容易得到轉(zhuǎn)矩模型，磁鏈模型和轉(zhuǎn)矩模型就構(gòu)成了完整的電動(dòng)機(jī)模型，因而能方便地實(shí)現(xiàn)無(wú)速度傳感器控制，如果在系統(tǒng)中再設(shè)置轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，即可進(jìn)一步得到高性能動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩控制了。

　　PowerFlex7000變頻器正是采用了無(wú)速度傳感器的直接轉(zhuǎn)矩控制方法。轉(zhuǎn)矩控制的優(yōu)越性在于：轉(zhuǎn)矩控制是控制定子磁鏈，在本質(zhì)上并不需要轉(zhuǎn)速信息；控制上對(duì)除定子電阻外的所有電機(jī)參數(shù)變化適應(yīng)性良好；所引入的定子磁鏈觀測(cè)器能很容易估算出同步速度信息。因而能方便地實(shí)現(xiàn)無(wú)速度傳感器化。這種控制方法被應(yīng)用于通用變頻器的設(shè)計(jì)之中，是很自然的事，這種控制被稱為無(wú)速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制。然而，這種控制依賴于的電機(jī)數(shù)學(xué)模型和對(duì)電機(jī)參數(shù)的自動(dòng)識(shí)別，通過ID運(yùn)行自動(dòng)確立電機(jī)實(shí)際的定子阻抗、互感、電動(dòng)機(jī)負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等重要參數(shù)，然后根據(jù)的電動(dòng)機(jī)模型，估算出電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)矩、定子磁鏈和轉(zhuǎn)子速度，并由磁鏈和轉(zhuǎn)矩的Band-Band控制產(chǎn)生PWM信號(hào)，對(duì)逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的技術(shù)性能指標(biāo)：轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度已達(dá)到<2ms,在帶PG時(shí)的靜態(tài)速度達(dá)土0.01%,在不帶PG的情況下即使受到輸入電壓的變化或負(fù)載突變的影響，可以達(dá)到土0.1%的速度控制。

　　4 工程實(shí)例

　　揚(yáng)州第四水廠變頻調(diào)速節(jié)電項(xiàng)目改造工程是與泵房改造相結(jié)合進(jìn)行實(shí)施的。為確保該工程的順利完成。從2002年初就進(jìn)行了市場(chǎng)調(diào)研和考察。根據(jù)四水廠改造前的實(shí)際情況，對(duì)部份機(jī)組進(jìn)行變頻調(diào)速節(jié)能改造，使四水廠的供水能力能滿足2005年的供水的峰谷期的變化需求。改造前后四水廠的二泵房機(jī)泵設(shè)備對(duì)照表如表1所示。

　　在揚(yáng)州四水廠變頻器改造項(xiàng)目的調(diào)研、考察、招投標(biāo)的期間，從變頻器的主電路的拓樸結(jié)構(gòu)、裝置的可靠性、控制方式、控制、效率、諧波、性價(jià)比及供水行業(yè)的使用效果等因素方面綜合考慮，終選擇了羅克韋爾公司的PowerFlex7000變頻器。其變頻器室的土建工程按照安裝3臺(tái)套6kV電壓等級(jí)，功率為630kW的變頻器進(jìn)行建設(shè)，全部工程于2005年5月底進(jìn)行調(diào)試并投入試生產(chǎn)。

　　在變頻器的控制方面采用就地和遠(yuǎn)程控制兩種方式，應(yīng)用羅克韋爾公司的MicroLogix500型PLC控制系統(tǒng)，設(shè)置了工作日與節(jié)假日不相同的，每天分24個(gè)時(shí)間段的壓力數(shù)據(jù)表，并可實(shí)時(shí)在線修改其數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了變頻器開停、出水閥門的開關(guān)、壓力調(diào)整等操作，同時(shí)還具有頻率實(shí)時(shí)顯示、曲線跟蹤以及報(bào)警功能。

　　5 改造效果

　　該工程自2005年5月底進(jìn)行調(diào)試并投入生產(chǎn)以來，運(yùn)行情況良好，并具有一定的節(jié)能效果。

　　5.1 微觀經(jīng)濟(jì)效益

　?。?）根據(jù)泵的出口壓力量測(cè)

　　目前機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行情況是將泵的出口壓力從原先的基本維持在0.45Mpa,由變頻器根據(jù)設(shè)定的數(shù)據(jù)表自動(dòng)調(diào)整為0.38Mpa~0.45Mpa,忽略變頻調(diào)整后的短時(shí)間0.45Mpa壓力值，設(shè)泵的出口壓力由0.45Mpa調(diào)整為0.38Mpa,近似計(jì)算如下：

　　水泵的流量與轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系：Q1/Q2=n1/n2

　　水泵的壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比：N1/N2=（n1/n2）2

　　軸功率與轉(zhuǎn)速的3次方成正比：P1/P2=（n1/n2）3

　　0.38Mpa/0.45Mpa=（n1/n2）2

　　n1/n2=0.919

　　P1/P2=（n1/n2）3=0.776=77.6%

　　由計(jì)算可知，電機(jī)消耗的功率為原來的77.6%,節(jié)能22.4%.

　?。?）由實(shí)際功耗測(cè)量節(jié)電效果

　　某季的單臺(tái)630kW變頻機(jī)組的實(shí)際功耗的日平均測(cè)試數(shù)如表2所示。

　　由表2的測(cè)試數(shù)據(jù)得：?jiǎn)闻_(tái)日節(jié)電量為2780kW·h,年節(jié)電量為2780×341=94.8萬(wàn)kW·h（全年以341天計(jì)算，扣除每月2天保養(yǎng)維護(hù)時(shí)間），考慮到變頻器的效率為97.6%,則年實(shí)際節(jié)電量為92.5萬(wàn)kW·h,節(jié)約資金92.5×0.473=43.75萬(wàn)元。

　　5.2 宏觀經(jīng)濟(jì)效益

　?。?）安全性

　　自該工程投運(yùn)幾年來，由于采用了恒壓供水，從未發(fā)生過一起供水管網(wǎng)的主干管爆管事故，有效地保證了城市供水的安全，取得了較好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)維護(hù)城市的安定、和諧發(fā)揮了重要作用。

　　（2）政府獎(jiǎng)勵(lì)

　　由于該工程為揚(yáng)州地區(qū)臺(tái)6kV電壓等級(jí)的大功率變頻器項(xiàng)目，對(duì)本地區(qū)的各行業(yè)的高壓變頻器節(jié)能改造起到了示范作用。另一方面，由于該項(xiàng)目的成功實(shí)施，適應(yīng)了電力需求側(cè)負(fù)荷的調(diào)節(jié)要求，得到市政府和省政府能源主管部門的好評(píng)，并獲得了江蘇省節(jié)能項(xiàng)目獎(jiǎng)。

　　6 結(jié)束語(yǔ)

　　電壓等級(jí)為6kV的變頻器目前市場(chǎng)上有較多的品牌，筆者認(rèn)為，PowerFlex7000型變頻器在供水行業(yè)6kV電機(jī)調(diào)速中應(yīng)用效果較好。揚(yáng)州水司根據(jù)該變頻器在四水廠運(yùn)行情況，于2006年下半年又購(gòu)置了一臺(tái)套PowerFlex7000型變頻器，用于一水廠機(jī)組變頻調(diào)速，以實(shí)現(xiàn)更好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。