高压变频器的节能技术与应用

高压变频器的节能技术与应用
发布时间：2022-08-19T08:31:03.708Z 来源：《当代电力文化》2022年8期作者：朱斌杰[导读] 随着国家对节能减排、环境保护的要求越来越高，人们对生产工艺及设备提出了更高的期望，
朱斌杰
中天钢铁集团有限公司江苏常州 213000摘要：随着国家对节能减排、环境保护的要求越来越高，人们对生产工艺及设备提出了更高的期望，为了满足社会生产需求，高压变频器的节能技术应运而生，其在风机、水泵等方面得到了广泛应用，效益显著。

本文主要从高压变频器的定义，高压变频器的基本结构，高压变频器的工作原理，高压变频器的功能设置，高压变频器在风机上的节能效果，高压变频器的节能效益评价等方面进行阐述。

关键词：高压节能技术大功率变频器1 高压变频器的定义
通常把驱动1KV以上交流电动机的中、大容量变频器称为高压变频器。

按照国际惯例和我国国家标准，电压在10KV以上的称为高压。

但由于大家习惯上把额定电压为3KV、6KV和10KV的电动机称为“高压电机”，所以驱动这个电压等级电机的变频器统称为高压变频器。

2 高压变频器的基本结构
高压变频器是将50HZ（60HZ)固定6KV（10KV）电网频率变换成0-50HZ可调频率的功率变换设备，其一般由三部分组成：整流电路AC-DC；中间直流环节，滤波和能量存储；逆变器DC-AC。

如下图所示：高压变频器整个控制系统由移相变压器、功率单元和控制器构成，然而每种型号规格电压等级的高压变频器系统结构也不尽相同，现参考平常我们使用的10KV电压等级进行详解。

10KV系列有24个功率单元，每8个功率单元串联构成一相。

3 高压变频器的工作原理
高压变频器采用单元串联多重化技术，所谓多重化就是每相由几个功率单元串联组成，各功率单元由一个多绕组的移相隔离变压器来独立供电。

采用多重化叠加的方式，使变频器输出电压的谐波含量很小，不会引起电动机的附加谐波发热，其输出电压dv/dt也很小，不会给电机增加明显的应力，因此可以向普通标准型交流电动机供电，而且无需降容使用。

由于输出电压的谐波和dv/dt都很小，不需要附加输出滤波器，输出电缆也无长度要求。

由10KV高压变频器整个控制系统构成图可以看出，输入侧由移相变压器给每个单元供电，移相变压器的副边绕组分为三组，使每个功率单元的主回路相对独立。

对10KV系列而言，构成48脉冲整流方式。

这种多级移相叠加的整流方式可以大大改善网侧的电流波形，使其负载下的网侧功率因数接近1。

输出侧由每个单元的U、V、W 输出端子相互串接而成星型接法给电机供电，通过对每个单元的PWM对波形进行重组。

控制器采用人机界面并内置一台PLC，用于柜体内开关信号以及与现场各种操作信号的逻辑处理。

控制器与功率单元之间采用光纤通讯技术，低压部分和高压部分完全可靠隔离，系统具有极高的安全性和抗电磁干扰性能。

使系统实现本地、远程操作自由选择，可以实现触摸屏、远程PLC等频率设定方式。

4 高压变频器的功能设置
该系统采用触摸屏进行人机交互进行设置，为了实现用户的多元化要求，考虑不同的控制对象、不同的用户接口、以及不同的用户逻辑而设计。

运行高压变频器系统监控主界面和上位机监控界面之前，可以利用该工具根据用户的要求对系统的现场参数进行配置和操作。

4.1 用户管理以及数据权限的管理设置控制系统基本参数设置以及通讯端口设置以及现场数字接点的定义和显示。

4.2 系统自诊断功能以及自动调度功能系统自动检测高压变频器控制系统核心主控制器、可编程逻辑控制器PLC以及上位机的状态，辅助分析PC机与各设备间的通讯情况，并设计内核检测的功能，协助控制器分析运行性能或解决故障。

用户也可以填入一段时间的调度数据，变频器可在对应的时间内自动采用对应的给定，实现自动调度功能，无需用户到时间去手动调整给定值。

根据此处填写的调度表，高压节电控制系统监控主界面及上位机监控界面将在对应的时间内呈现高压节电控制系统相应的运行方式及给定频率。

4.3 软件控制界面
高压变频器系统的主界面，通过主界面用户可以完成变频器的功能设定、参数设定、实时波形显示、运行记录打印、故障查询。

在本地控制方式下，用户可以通过主界面对变频器直接进行启动、设定运行频率、停机、急停和复位等操作。

5 高压变频器在风机上的节电效果 5.1 风机的调节特性见下图
5.2 风机节电分析
以风机、水泵为代表的平方降转矩负载，风（流）量Q、压力H、转速n之间的关系为：Q ∝ n （风流量与转速的1次方成正比）
H ∝ n2 （压力与转速的2次方成正比）
轴功率 P∝Q.H∝n3 （轴功率与转速的3次方成正比）因此，当负载流量发生降低时，改变电机转速n，便可有效调节流量的变化。

从而，消耗的轴功率会按转速的立方下降，从而真正实现节能。

当实际风（流）量小于额定风（流）量时，若采用高压变频器进行控制，在相同的负载流量下，节电控制方式比传统的档板或节流阀调节方式能耗更小。

也就是说，风机在节电控制方式下运行，具有节能效果。

根据现场使用情况计算如一台电机额定电压6KV、额定功率500KW，实际运行电流约为42A，功率因数COSΦ取0.78，风门实际开度约65%，根据以往改造经验，其实际风量约为额定风量的78%左右。

未使用高压变频器器时输入功率：
P原＝1.732×Ⅰ×V×COSΦ＝1.732×42×6×0.78 ≈340KW 使用后，根据相似定律，输入功率：
P节＝（Q节/Q定）3×P额/(η1×η2)＝0.783×500/(0.96×0.95)≈260KW 其中：η1为变频器效率取0.96，η2为传动效率取0.95；
应用变频器后，挡板将置于全开位置。

考虑目前管网阻力，节电率＝（340-260）÷340≈23.5%
年节电量＝(340-260)×330×24≈63.36万Kwh
由工况数据分析可知，采用调节挡板方式，引风机年（年运行330天计）耗电量约269.28万度，使用变频器后的年用电量约205.92万度，年节电量约63.36万度左右。

6 高压变频器的节能效益评价
显性效益就是指节电效益，采用变频调速器来调节流量、风量，应用变频器节电率为20%-30%。

隐性效益主要体现是：（1）实现了电机的软启软停，消除了电机启动电流对电网的冲击，减少了启动电流的线路损耗。

（2）消除了电机因启停所产生的惯动量对设备的机械冲击，大大降低了机械设备磨损，减少设备的维修，延长了设备使用寿命。

7 结论
高压变频器在风机和水泵上使用一段时间后，明显体现出其优良的节电效果，不仅为公司节能降本，还为设备的使用寿命做了可靠保障，提高了设备自动控制水平和生产效率，而且高压变频器操作简单，维护方便，定会在日后产生巨大的经济效益。

参考文献：
[1] 张选正中高压变频器应用技术自动控制技术应用丛书。

[2] 赵相宾高压变频器应用手册机械工业出版社。

[3] 超级节能高压变频器FSDrive-MV1000使用说明书。