大功率風機和泵的調速傳動

馬小亮  王春杰

天津大學  天津電氣傳動設計研究所

摘要：大功率風機和泵采用調速傳動有巨大效益，現有的調速方法有兩大類：定子側中壓直接變頻和轉子側串調。前者性能好，但復雜，價高；后者可用較小容量的低壓裝置控制全功率中壓電機轉速，特別適合風機和泵類應用。文中介紹了6種調速方法，談了個人看法，重點在如何改進串調性能。

關鍵詞：大功率風機和泵調速  定子側中壓直接變頻 轉子側串調

High Power Variable Speed Drives of Fans and Pumps

Xiaoliang Ma ,  Chunjie Wang

Tianjin University

 Tianjin Design &Research Inst. of Electrical Drives

Abstract: A lot of benefits will be achieved if variable drives are employed for high Power fans and pumps. There are two sets of adjusting speed methods: stator side medium voltage variable frequency one and rotor side cascade one. The stator side one has better performance but more complicated and costly. The rotor side one is more suitable for fan and pump drives, where a less power low voltage equipment is used to control the speed of a full power medium voltage motor, but its performance is worse than the stator side one. Six kinds of drive systems are introduced in this paper and personal viewpoints are mentioned. The focus is how to improve performance of the cascade one.

Keywords: high power fan and pump drives，stator side medium voltage variable frequency drive, rotor side cascade drive.

1. 引言

    我國發電總量60％以上是通過電動機消耗的，其中一半以上用于各種風機和泵。以調速傳動代替原有的不調速傳動，通過改變轉速來調節流量和壓力，取代傳統的用風擋和閥門調節的方法，平均可節電30％左右，估計全年可節電數百億千瓦小時。調速傳動用于鍋爐風機還可改善鍋爐燃燒，節約大量燃料，減少污染；若用于化工生產還可優化工藝過程，提高產品產量和質量，減少設備維修，效益巨大。

    現在許多中小功率（＜200 kW）的風機和泵采用低壓IGBT變頻調速傳動，取得很好效果，正大量推廣。200 kW以上的大中功率風機和泵傳動量很大，用電量占整個風機和泵用電量的大部分，節電潛力巨大，但由于缺少合適的調速裝置，調速傳動用的很少，只有少量試點。

    在200 kW以上各功率段占市場比例中0.2～2 MW占55％，2～5 MW占22％。本文著眼于這兩個功率段、特別是0.2～2 MW功率段。

     我國現有的交流電動機，200 kW是個界線， 200 kW以下是低壓380V，200 kW以上是中壓6 kV和10 kV。電力部門從減小線損角度出發，希望提高供電電壓，6 kV正在淘汰中，大力推行10 kV供電。用戶從簡化配置出發，很自然地希望200 kW以上的電機和調速裝置都能適應10 kV電網，不幸這合乎情理的要求技術上難以實現，經濟上價高，特別是在0.2～2 MW功率范圍內。

    現有的中壓（6 kV，10 kV）電機調速裝置主要有兩大類：定子側直接變頻和轉子側串調或雙饋，每類又有幾種方案。本文介紹這些方案，并給出一些個人看法，希望對用戶選擇調速方案有所幫助。

2. 風機和泵對調速的要求

1. 負載特性及調速范圍

風機和泵類負載一般稱二次型負載，轉矩與轉速二次方成比例，功率與轉速三次方成比例，即：

轉矩相對值 m = M/M_N = ω² ,

功率相對值 p = P/P_N= ωm = ω³ ,

式中：ω = n/n₀ —— 轉速相對值。M_N和P_N —— 電機額定轉矩和功率。

由上式，當ω < 0.6 時，轉矩和功率已很小，再往下調已無意義，因此調速范圍一般限制在40％；

2. 調速性能：對靜態精度和動態響應無嚴格要求；
3. 制動性能：除特殊應用場合外，一般對制動力矩無嚴格要求。有的風機慣性大，自由停車時間長，希望有一點制動力矩，減小停車時間。

3. 定子側直接變頻

    定子側直接變頻類調速裝置的核心是6 kV或10 kV中壓變頻器，它的輸入側經主電源變壓器接中壓電網，輸出側接中壓電動機。該方案的特點是：調速范圍寬，能在0～100％ n_N范圍內平滑調節，調速性能好；可適用于各種交流電機（同步機、永磁機、鼠籠和繞線異步機等）；網側輸入功率因數高（> 0.95，異步機的無功不會通過交－直－交變頻器的中間直流環節流到輸入整流側），效率高（> 0.95含變頻器和變壓器）。它的不足是：電壓高，在200～2000 kW范圍內電流小（1000 kW 10kV電機額定電流僅60A左右），需要用許多小電流器件（器件電流已達2000～3000A或更大）串聯（橋串或器件串），線路復雜，可靠性受影響；為安全隔離及減小網側諧波，輸入側需要一臺多副邊移相變壓器，體積重量大，接線復雜；由于電機定子全部功率流過變頻器，變頻器及變壓器的容量按100％功率選取，容量大，價貴。對于風機和泵這類調速范圍不寬，性能要求不高，經濟性要求高的負載，直接變頻的長處沒得到發揮，而短處卻很明顯^[1]。

常用的中壓直接變頻器有三種：

1. 電壓型三電平變頻器

三電平變頻器主電路示于圖1。它的輸入側是12脈動不控整流，輸出側是三電平逆變器。

三電平變頻的特點：

1. 1. 通過中點箝位實現串聯開關器件均壓，比兩電平線路提高輸出電壓一倍；
   2. 輸出電平為正、零和負三個，改善了輸出波形，減少諧波；
   3. 輸入12脈波整流，網側電流諧波不大，一般能滿足工業電網要求，特殊要求也可24脈波整流，諧波更小。多脈波不控整流，功率因數高（> 0.95）；
   4. 電壓型變頻，中間直流儲能元件是電容器，效率高；
   5. 主電路比H橋級聯簡單，器件數少。

三電平變頻器的問題：

1. 使用高壓開關器件，輸出波形dV/dt 高，必須使用變頻專用電機或加接正弦波濾波器，體積大，增加損耗；
2. 輸出電壓達不到6 kV或10 kV。Siemens公司用3300V IGBT器件，在器件不串條件下，最大輸出電壓2300V，若圖1中每個器件為2串，最大輸出電壓4160V。ABB公司用4500V IGCT器件，在不串條件下輸出3000V。我國中山明陽電器公司用4500V IGCT兩串，輸出6 kV，仍達不到10 kV。

2. 電壓型H橋級聯變頻器

H橋級聯變頻器主電路示于圖2.a，每相多個H橋串聯，每個H橋（圖2.b）輸入為三相不控整流，接一組變壓器副邊，輸出為4個1700V低壓IGBT接成的單相橋。

H橋級聯的特點：

1. 使用低壓IGBT，H橋級聯，輸出電壓波形電平數多（每H橋三電平），波形好，dV/dt小，不用專用電機或濾波器；
2. 級聯數越多，輸出電壓越高，Robicon公司用5～6個橋級聯輸出6 kV，我國一些公司用9～10個串聯，輸出10 kV（外國公司認為在這容量范圍內使用10 kV不合理，都不生產10 kV變頻器）；
3. 變壓器副邊多，通過移相20º使網側電流諧波小，功率因數高（> 0.95）；
4. 電壓型變頻，電容儲能效率高。

H橋級聯的特點：

1. 線路復雜，器件數多，影響可靠性；
2. 變壓器副邊繞組數太多，制造接線復雜；
3. 橋太多，提供制動轉矩困難。現開發了諧波注入制動方法，制動力矩僅10％左右，且制動能量消耗在電機中，導致發熱增加。

3. 電流型PWM變頻器

Rockwell公司生產的電流型PWM變頻器主電路示于圖3。它的輸入側是18脈動（也可12脈動）晶閘管可控整流，通過移相控制，控制直流電流，輸出側是由直接串聯的SGCT串（SGCT——正反阻斷電壓一樣的IGCT，稱對稱IGCT）組成的三相橋，控制輸出電流、頻率和相位，輸出電壓6500V。

電流型PWM變頻器的特點是：

1. 直流儲能元件是電感，不怕逆變橋直通（橋直通是電壓型逆變器的問題），但電抗器體積，重量，損耗大，是低效儲能元件；
2. 輸入側18脈動整流，網側諧波小，但移相控制導致功率因數降低；
3. 輸出端接有電容，輸出電壓接近正弦，不用專用電機或加濾波，但這輸出電容是1000 Hz的交流電容，體積大，價高；
4. 電流型逆變器實現制動能量回饋電網容易，不用另加環節。

4. 轉子側串調

    轉子側調速適用于繞線異步機，定子接中壓電網，轉子接調速裝置，有兩種調速方法：只從同步速下調的系統通常稱串調；在同步速兩側都調節的系統稱雙饋。絕大多數風機和泵只需要下調，故本文僅限于串調系統。

串調系統有許多非常適合大功率風機和泵應用的特點：

1. 用低壓設備控制中壓電機

繞線異步機的轉子是低壓

U_R＝SU_R0                             （2）

式中：S＝（n₀－n）/ n₀——滑差，U_R0——轉子不轉時（S＝1）的轉子電壓，通常U_R0 < 1000 V 。風機和泵要求40％調速范圍，S ≤ 0.4，U_R ≤ 400 V。可以用低壓400 V調速裝置控制6 kV 或10 kV電機轉速。

2. 調速裝置容量小

轉子輸出功率

     P_r / P_N ≈ (U_RI_R) / (U_R0I_RN)

式中：I_R和I_RN——轉子電流和它的額定值，I_R / I_RN ≈ m ——轉矩相對值。代入式（2）

     P_r / P_N = S(1－S)²                      (3)

高速時，負載轉矩m大，滑差S小，P_r不大；低速時S大，m小，P_r也不大；最大值出現在S = 1/3時，

     P_r.max ≈ 0.15 P_N                        (4)

調速裝置的功率按P_r.max選取，可以用15％P_N調速裝置控制100％P_N的電機。由于風機和泵的負載特性不嚴格遵循二次方關系，通常按P_r.max = ( 0.2～0.3 ) P_N計算。

3. 旁路和起動容易

旁路指在變頻故障時，去掉變頻器，直接將電機接入電網恒速工作，中壓變頻器旁路需用高壓斷路器，操作不當會引起電流沖擊，跳閘。另外大功率電機直接起動也較困難。串調系統在旁路時不必操作高壓斷路器，只需將電機轉子輸出端短路就行。起動時可通過轉子回路中串頻敏變阻器限制起動電流，起動平穩。

串調系統的不足：

1. 只能用于繞線異步機，有滑環和電刷，大多數現場可接受，但某些場合不能用。現也有無刷雙饋電機，有繞線機的性能，但無刷，這種電機本身性能較差，功率因數低，體積和重量大，非特殊場合不宜推廣；
2. 電網進線功率因數比中壓變頻低，因為由電機勵磁和轉子整流重疊角引起的無功得不到補償或僅部分補償；
3. 高速區（S < 10 ~ 15%）調速困難（一些水泵要求這種工況）。異步機轉子本身電阻很小，直接短路時額定滑差S_N = 4～5％左右，現串入調速裝置后，轉子回路電阻加大，高速區轉子電流又大，小滑差調節難實現。

轉子串調系統有三種：

1. 傳統串調

傳統串調主回路示于圖4

    電機轉子輸出功率經二極管DR整流，平波電抗器L濾波，晶閘管逆變器TI逆變，變壓器TF返回電網，通過晶閘管移相控制改變直流母線電壓來調節電機轉速。

影響傳統串調推廣應用的主要障礙是：

1. 設備多，且龐大

盡管P_r.max只有0.148，但DR和TI都必須按最大電壓和最大電流之積（U_r.max• I_r.max）來選取，留10％電壓裕量后為50％P_N，相應變壓器TF的容量約為60％P_N。電抗器L的體積，重量和價格取決于它的儲能能力。本線路L中流過全部經整流的轉子電流值，很大，電感量L與電感上電壓頻率成反比，該線路中為300H_Z，不高，L不小，所以電抗器也很大。

2. 功率因數低，諧波較大

串調的無功由4部分組成：

• • • 電機的勵磁容量Q_ex。這部分無功與電機運行狀態基本無關，可

視為固定量，約為0.3～0.4 P_N；

• • • 電機漏感使DR整流時出現較大換相重疊角θ_u，導致轉子電流滯

后于電勢產生無功Q_u。在額定轉矩時產生大約為30％P_N的無功；

• • • 諧波引起的無功。這部分較小，粗略計算可以忽略；
    • 逆變器TI移相控制產生的無功Q_TI；

電機轉速越高，S越小，U_R越小，移相角α越接近90º，Q_TI越大。在額定速附近α接近90º，全部逆變電流都是無功，而這時轉子電流又最大，Q_TI.max ≈ 60％P_N，致使整個串調在額定工作點的功率因數降至0.6～0.65左右。

串調的諧波由兩部分組成：

• • • DR產生的諧波。由于換相重疊角θ_u較大，這部分諧波量較小，

但也會通過氣隙影響定子電流，產生低頻諧波；

2. • • TI產生的諧波，由于TI的容量較大，故諧波量仍較大。
3. 流過L和TF中的電流大，損耗較大。

2. 內反饋電機＋斬波式串調

內反饋電機就是在電機定子繞組中加一套輔助電源繞組，由它向逆變器提供電源，接受由轉子返回來的能量，把電機和變壓器合為一體，從而去掉龐大的變壓器，簡化串調主電路。所謂斬波式串調就是在傳統串調基礎上，在直流回路中加入升壓式（Boost）斬波器BC，參見圖5。

BC由斬波開關器件CS，二極管SD，儲能電感L_s及電容C_s（C_s是直流電容，體積較小）組成。當開關器件CS導通時，AB兩端短路，I_DR增加，L_s增加儲能；當CS斷時，I_DR經SD向電容C_s充電，L_s放出剛才增加的儲能。直流母線電壓：

               U_DR＝（1－D）U_D

式中 D——CS導通占空比，0<D<1，U_D>U_DR。

工作時，TI的移相角固定在最小逆變角β＝30º，U_D為固定值。若D大，U_DR小，電機轉子電壓低，滑差小，轉速高；反之若D小，U_DR大，電機轉速低，通過改變D調速。

與傳統串調相比，加入斬波后有如下好處：

1. 1. 無論轉速高低，TI都工作在β＝30º，UD維持最大逆變電壓不變，

逆變器的容量S_TI和電機輔助繞組容量S_aw都按轉子最大輸出功率  P_r.max來算，

 ，   

大大小于傳統串調。這樣小的S_aw可以在不改變電機尺寸情況下將輔助繞組裝入定子（斬波串調中的整流DR，電抗器L_s，斬波開關CS，仍按最大電壓和最大電流選）；

1. 2. 由于TI容量減小及工作時β角小，它產生的無功遠小于傳統串調，

高速時，S小，P_r和Q_TI小，這時串調總無功略低于電機本身產生的無功，功率因數應在0.8左右；

1. 3. 由于S_TI比傳統串調小2～3倍，逆變器產生的諧波也減小相應倍數；
   4. 由于S_TI小，相應電抗器L的體積，重量和價格也減小，但增加了一

臺斬波電抗L_s。

斬波串調的不足是：

1. 有兩臺電抗器，體積、重量和損耗大；
2. 功率因數偏低，特別是在S＝0.2～0.3范圍內（調速風機和泵經常工

作的區域）功率因數下降很快，僅0.6左右；

3. 在定子電流中仍存在TI產生的5、7次諧波及DR產生的低頻諧波。

3. 轉子變頻調速

     轉子變頻調速主電路示于圖6，從原理上說屬斬波串調，只是逆變器為IGBT電壓型PWM逆變器BI。

與圖5系統比，本方法有如下特點：

1. 用IGBT斬波，開關頻率高，圖5中電抗器L_s取消。電壓型IGBT

逆變器直流側有直流電容，無電抗，圖5中電抗器L取消，儲能電容C_s就用逆變器中電容。現在的IGBT模塊已將IGBT斬波器件和二極管做在一起，因此調速裝置主電路就只有DR、BC、BI三大件，非常簡明，實質上是一臺逆向應用的在直流母線中插入斬波開關的標準電壓型IGBT變頻器，故稱為轉子變頻調速；

2. 改用IGBT逆變器后，逆變器產生的無功可以從感性到容性任意調節

（包括無功為零）。在轉子變頻系統中，無功調至容性，無功量設定為

                      （5）

只要P_r < S_BI，BI可產生容性無功去補償由勵磁和整流重疊角產生的感性無功。如果保持內反饋電機輔助繞組和BI容量與晶閘管斬波串調一樣，計算結果表明BI產生的容性無功Q_I可基本上補償掉由整流重疊角引起的感性無功Q_u，總的功率因數在高速時達0.9以上，在n=0.7n_N時仍有0.8；

3. 改用IGBT逆變器后，由于采用正弦波PWM調制，輸出電流為近似

的正弦波，且逆變器容量小，僅為（0.2～0.3）P_N，所以它的諧波對電網影響很小（BI產生一些開關頻率的諧波，但頻率高，可被電機漏感濾掉，影響不大）。二極管整流產生的諧波對電網的影響還可以在不改變主電路前提下，通過在控制電路中增加有源濾波環節，經BI消除。^［3］

5. 參考文獻：

1. 馬小亮，“大中功率節能調速傳動的合理電壓等級”，中國工程科學，NO 11，2001
2. 馬小亮，“串級和轉子變頻調速在大功率風機和泵調速中的應用”，變頻器世界，NO 6，2003
3. G. D. Margues，“A Simple Slip-power Recovery system with a DC Voltage Intermediate Circuit and Reduced Harmonics on the Mains“. IEEE Trans. On IE, NO 1，2000。