李焦明
摘要针对高压绿色变频器在大型流体机械中的应用实例，介绍了其工作原理、应用性能以及实际应用效果。
变频调速是流体机械最理想的调速节电技术，但至今我国大型风机、水泵、压缩机类流体机械应用变频调速的却屈指可数。这是因为，我国200315KW及315KW以上大型流体机械，大多采用或全部采用高压电动机。而传统的高压变频器谐波污染大。近年来，随着高压绿色变频器的出现，使大型流体机械的节能问题有望得到解决。本文将对这种产品及其应用进行综合介绍，以期对流体机械节能技术进步能有所助益。
一、工作原理
高压绿色变频器又称多重化变频器、单元串联多电平PWM电压源型变频器。它是每相由多个低压PWM变频功率单元相互串联，以实现输入电压多重化。以美国罗宾康公司的HARMONY系列变频器为例，6kv绿色变频器的拓扑图如图1所示。三相共有15个功率单元，分别由输入隔离变压器的15个二次绕组供电。15个二次绕组分成5组，每组之间存在12°相位差，如图2所示。功率单元为一三相输入、单相输出的PWM型变频器，如图3所示，由二极管组成三相桥式整流电路，整流后由4只低压IGBT逆变成单相交流输出。
图1
图2
图3
应当指出，这种变频器并不是真正的直接高压变频器，因它可以直接接入高压电动机和高压电网，我们把它归为高压变频器。
二、性能特点
这种变频器除了具有节能效果显著、平滑无级调速、软启动、工艺调节性能稳定等以往高压变频器优点以外，还具有如下特点。
1.对电网的谐波污染小，功率因数高
由于输入是30脉冲，所以理论上29次以下的谐波都可以抵消，电压总畸变率只有1.2%，电流总畸变率仅为0.8%，能满足IEEE5191992的要求。输入功率因数可达0.95以上，不需要功率因数补偿。表1列出多重化变频器与电流型变频器谐波比较。
表1多重化变频器与电流型变频器谐波比较%
2.可靠性高，维修方便
由于有滤波电容，系统可以承受电源电压下降30%和电源丧失5个周期。功率单元使用常规的低压IGBT，驱动电路简单，技术成熟可靠，又采用模块化结构，可以实现互换，每个功率单元经过I/O端子与系统联系，维修更换十分方便。由于采用串联结构，还可以采取旁路技术和冗余设计。如我国先行HAF高压变频器，设计有热备份、热插拔和主回路直合功能。当某个模块出现故障时，能自动将故障单元切换旁路，使热备份投入。
当整机发生故障时，可在毫秒级的时间内，由变频状态转入工频状态，不会因变频器故障造成电机停机。
3.用于普通高压异步电动机，对输出电缆长度无特殊限制此变频器输出电压跳变台阶为单元的直流母线电压，dv/dt很小，同时由于采用移相式PWM，电机电压的等效开关频率大大提高，且输出电平数增加，降低了输出谐波，由谐波引起的电机发热、噪声、转矩脉动、共模电压都大为减少。所以这种变频器可直接采用普通高压电机，且不必降低额定容量使用，对输出电缆长度也没有特殊限制。
4.损耗小，效率高
此变频器无需功率因数补偿，谐波分量很小，谐波引起的损耗大为减少，IGBT驱动功率很小，峰值功率为5W左右，平均功率不到1W，变频部分效率高达98%以上，整个变频系统的效率高达96%以上。表2列出多重化变频器与CSIPWM变频器效率比较。
表2多重化变频器与CSIPWM变频器效率比较%
三、我国研制开发状况
1997年7月，北京先行新机电技术有限责任公司开发出我国首台具有自主知识产权的高压绿色大功率变频调速系统，同时获得该项技术的国家发明专利。1998年8月通过了北京市经济委员会委托中国电器工业协会和中国电机工程学会主持的专家鉴定。该产品已列入1998年国家科技部火炬计划、国家技术创新项目，并且获得1999年国家重点高新技术产品证书，已在北京燕山石化总公司供水厂、大港油田水电厂、武钢、国华三河电厂、大庆、辽河油田等单位实际应用，综合效益明显。北京利德华福技术有限公司依托清华大学国家重点实验室，研制开发出HARSVERTA系列3kv/6kv/10kv三个电压等级的3002500kw系列高压绿色变频器，一台1000kw/6kv高压变频器在天津新开河水厂成功运行。2000年8月，通过了国家电控配电设备质量监督检验中心的检测，取得了中国电力科学院入网测试报告，并于2000年9月通过原国家机械局组织的产品鉴定。
四、应用实例
上海闵行发电厂9号炉配用两台YA73No.28D型离心式吸风机，额定风量38万m3/h，全压为3973Pa，配用JSQ1566型电动机，额定功率700kw，额定电压6kv。安装了美国罗宾康公司生产的两台750kw高压绿色变频器后，效果显著，与以往的入口导流器调节比较，全年节电267万kW"h，可节省电费64万多元，国家经贸委节能信息传播中心于2000年7月召开现场会进行推广。
1997年7月，燕山石化集团动力厂第三供水车间水泵电机上安装了一台6kv"A的HVF高压绿色变频调速系统。国家电力检测中心对该系统进行了长达两周的变频和直合的对比运行试验，结果表明，系统的总体节电效果平均可达41%。
HVF高压绿色变频器不仅在异步电机上应用成功，在同步电机上应用也同样获得了成功。2001年初，国内首台10kv、400kWHVF高压绿色变频器成功地在武汉钢铁集团大型轧钢厂高速线材车间空压机上运行。该台空压机配用的同步电机型号为TK35014/1430，额定电压10kv，额定电流24.7A，额定转速428r/min。安装了高压变频器后，启动电流以由100A下降到12A，运行频率3540Hz，平均节电40%。