完美无谐波高压变频器

63完美无谐波高压变频器

63.1 技术背景

虽然电力系统目前推广的大型水泵和大型风机，本身已是高效风机（其额定效率在80%以上）和水泵（其额定效率在80%左右），但是由于设计出力往往是实际出力的120%～130%。在设计时汽轮机出力必须大于发电机的出力，锅炉出力必须大于汽轮机出力。作为锅炉辅机设备，风机和水泵的出力又必须大于锅炉的出力。为此在火电厂的设计规范中，电厂的风机和水泵的出力必须在最大流量和阻力的基础上再增加5%～10%的裕量。主要辅机一般由两台并联，其中一台发生故障或停机检修时，另一台能够满足大部分负荷的要求。另一方面，由于山东、东北等地电力供大于求，许多大型机组处于调峰运行，长期运行在低负荷状态，由于上述原因，电厂风机和水泵的运行效率大大低于额定效率。调查表明，50%的风机运行效率低于70%，12%的风机运行效率低于50%。提高风机水泵低负荷时的运行效率，主要途径是采用适当的调速技术。

63.2 原理及结构

63.2.1工作原理

完美无谐波高压变频器(单元串联多电平PWM电压源型变频器)是一种新型的直接高压输出电压源型变频器。它采用若干个低压PWM变频功率单元串联的方式实现直接高压输出。该变频器具有对电网谐波污染小，输入功率因数高，不必采用输入谐波滤波器和功率因数补偿装置。输出波形质量好，不存在谐波引起的电机附加发热和转矩脉动、噪音、输出dv／dt、共模电压等问题，不必设置输出滤波器，就可以使用普通的异步电机。

电网电压(如6kV)经过副边多重化的隔离变压器降压后给功率单元供电，功率单元为三相输入，单相输出的交直交PWM电压源型逆变器结构，相邻功率单元的输出端串接起来，形成Y接结构，实现变压变频的高压直接输出，供给高压电动机。以6kV输出电压等级为例，每相由5个额定电压为690V的功率单元串联而成，输出相电压最高可达3450V，线电压达6kV左右。改变每相功率单元的串联个数或功率单元的输出电压等级，就可实现不同电压等级的高压输出。每个功率单元分别由输入变压器的一组副边供电，功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘。二次绕组采用延边三角形接法，实现多重化，以达到降低输入谐波电流的目的。对于6kV电压等级变频器而言，给l5个功率单元供电的l5个二次绕组每3个一组，分为5个不同的相位组，互差l2。电角度，形成3O脉冲的整流电路结构，输

入电流波形接近正弦波，总的谐波电流失真可达到1％左右，由于输入电流谐波失真很低，变频器输入的综合功率因数可达到0.95以上。

逆变器输出采用多电平移相式PWM技术，同一相的功率单元输出相同幅值和相位的基波电压，但串联各单元的载波之间互相错开一定电角度，实现多电平PWM，输出电压非常接近正弦波。输出电压每个电平台阶只有单元直流母线电压大小，所以dv／dt很小，功率单元采用较低的开关频率，以降低开关损耗，提高效率，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，以6kV输出变频器为例，输出相电压为ll电平，线电压为21电平，输出等效开关频率为6kHz，电平数和等效开关频率的增加有利于改善输出波形，降低输出谐波，由谐波引起的电机发热，噪音和转矩脉动都大大降低，所以这种变频器对电机没有特殊要求，可直接用于普通异步电机

63.3 应用范围

电站机组泵与风机调速改造。

63.4 技术特点及优势

（1）完美无谐波型变频器可最大限度的不间断运行，变频器可以在承受30%电压下降或完全失去电网电压5个周波内继续运行。

（2）完美无谐波型变频器设置了功率单元旁路。功率单元旁路使得变频器在一个功率单元出故障时，将该单元旁路掉，在承载能力稍微降低的情况下用剩余的单元继续运行。每个功率单元都是相同的，并装在一个可抽出的机架上，便于抽出移动和修理，这种模块化的结构使得调换单元只需15min，换一个功率单元只需断开5个接口和一个光纤插口。

（3）完美无谐波型变频器具有高效率。完美无谐波型变频器本身效率达到98%以上，包括隔离变压器在内的整个变频系统的效率也高达95%以上(20%- 100%负载)，这一效率大大超过其它变频系统的效率。

（4）完美无谐波型变频器具有高功率因数。在正常变速范围内（20%―100%负载）功率因数基本不变，一般可超过0.95，无需任何功率因数补偿电容。

（5）完美无谐波型变频器具有高质量功率输出。由于完美无谐波型变频器采用了多重化的脉宽调制设计，使其不需要任何滤波器，从本质上就能提供正弦输出波，而且即使在低速时也能保持很好的波形，这样不会引起电机的额外噪音，防止了由于变频器输出谐波引起的电机发热，避免产生变频器谐波引起的脉动转矩。

63.5 应用情况及业绩

该产品已应用于浙江镇海电厂、江苏新海电厂、山西阳城电厂等。

63.6 相关技术单位推荐

西门子(中国)电气传动设备有限公司。

63.7 投资估算及经济效益分析

具体投资费用根据电动机的不同而有所差别，一般来讲，完美无谐波型变频器的投资是对应三相交流异步电动机价格的6－8倍左右，根据电动机的实际运行状况，其投资回收期一般在3年左右。

63.8 分析评价及建议

完美无谐波型变频器除性能好，运行可靠，可满足生产要求外，更主要是谐波份量小，因为大中型火电厂，自动化水平高，大多数都要用自动化仪器仪表和计算机控制系统，对厂用电系统的谐波要求很高，因此对于锅炉主要辅机，如磨煤机、送风机、引风机和给水泵等设备，建议选用完美无谐波高压变频器。