摘要：進行高壓電動機的變頻調(diào)速改造，可降低能耗。但是，由于高壓電動機一般容量較大，使用場合重要，因此對變頻器的可靠性要求較高

摘要：進行高壓電動機的變頻調(diào)速改造，可降低能耗。但是，由于高壓電動機一般容量較大，使用場合重要，因此對變頻器的可靠性要求較高。文章分析了高壓變頻的可靠性要求，重點闡述了單元串聯(lián)多電平方式的高壓變頻器的可靠性及其實現(xiàn)方式.以及為達到高可靠性所采取的技術(shù)措施，并對高、低壓變頻器的可靠性進行了比較。文章同時對高壓變頻器的節(jié)能效果，以及選用時的注意事項作了介紹。

1 概述

我國高壓電動機總?cè)萘吭?.5億kW 以上(不包括低壓電動機)，大部分為風機泵類負載。覆蓋電力、石油、化工、冶金、制造、環(huán)保、市政等行業(yè)，其耗電量占全國總用電量的25 左右。由于設(shè)計余量較大、系統(tǒng)負荷波動大等原因，運行中不得不對風機或泵的流量進行調(diào)節(jié)。由于技術(shù)或工藝的限制，這種調(diào)節(jié)大多為節(jié)流調(diào)節(jié)，能耗浪費嚴重，系統(tǒng)效率低。

進行高壓電動機的變頻調(diào)速改造，可以降低系統(tǒng)能耗，優(yōu)化系統(tǒng)的整體性能，為企業(yè)贏得可觀的經(jīng)濟效益。同時可以節(jié)約資源，減少環(huán)境污染，優(yōu)化工作環(huán)境等，具有很好的社會效益。另外，由于高壓電動機一般都容量大，使用場合重要，系統(tǒng)故障時造成的損失非常大，如火力發(fā)電廠的風機設(shè)備，故障后引起的直接損失將會達數(shù)十萬元，間接損失可能更加嚴重，因此對可靠性的要求也就更高。

變頻調(diào)速是通過改變電動機供電電源的頻率來改變交流電動機轉(zhuǎn)速的一種調(diào)速方式，因其調(diào)速范圍大、調(diào)速平滑性高、性能優(yōu)異而得到廣泛應(yīng)用。變頻調(diào)速的應(yīng)用主要體現(xiàn)在兩個方面。

(1)工藝需要：生產(chǎn)工藝需要高性能的調(diào)速，用其他方式要么不容易實現(xiàn)，要么調(diào)速性能達不到工藝要求，因此需要使用變頻調(diào)速來滿足工藝要求。這種變頻器對調(diào)速性能要求較高，主要應(yīng)用在軋鋼、造紙、機車驅(qū)動、紡織和印刷等行業(yè)。

(2)節(jié)能需要：主要針對風機、水泵類變轉(zhuǎn)矩負載，通過變頻調(diào)速調(diào)節(jié)流量比通過其他方式進行流量調(diào)節(jié)能夠節(jié)省大量電能，實現(xiàn)節(jié)能降耗。這種變頻器對調(diào)速性能要求較低，主要應(yīng)用在電力、冶金、礦山、石化、市政等行業(yè)的風機、水泵類負載流量調(diào)節(jié)。

低壓變頻器市場應(yīng)用廣泛，國內(nèi)外品牌眾多，用戶也普遍接受。而在高壓變頻器領(lǐng)域，高性能的變頻器主要被進口品牌所壟斷。在節(jié)能型高壓變頻器領(lǐng)域，則呈現(xiàn)出國內(nèi)外品牌并舉的局面。變頻器的逆變功率元件主要采用絕緣柵門控雙極晶體管(IGBT)，其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)主要有三電平方式、元器件直接串聯(lián)兩電平方式、單元串聯(lián)多電平方式等。單元串聯(lián)多電平方式的高壓變頻器因其有諸多優(yōu)點逐漸被用戶接受，成了節(jié)能型高壓變頻器的主流方式，在節(jié)能領(lǐng)域正在被廣泛應(yīng)用。

高壓變頻的應(yīng)用可以帶來巨大的經(jīng)濟效益，本應(yīng)得到廣泛的推廣應(yīng)用，但是廣大用戶對其可靠性信心不足，因此需要我們對高壓變頻的可靠性進行認真的探討。

2 高壓變頻的可靠性要求

對高壓變頻的可靠性，除了要求高壓變頻自身的質(zhì)量可靠以外，還需要其具備應(yīng)對電網(wǎng)異常工況、對電動機的正常運行無附加影響、應(yīng)對局部故障的能力及應(yīng)用維護方便等性能。

(1)應(yīng)對電網(wǎng)電壓的異常波動

電網(wǎng)電壓的異常波動通常有兩種情況，一種是由于連接在高壓電網(wǎng)上的大負載啟動時引起的電網(wǎng)電壓瞬時跌落，另一種情況是母線間的快速切換。在工頻運行時，因電動機本身具有較強的抗異常電壓波動能力，因此對電動機的運行并不會產(chǎn)生很大的影響。采用高壓變頻后，因為高壓變頻器的過流能力較小，這就要求高壓變頻具備應(yīng)對這種電網(wǎng)電壓異常波動的能力，具體來說就是輸入電源的允許波動范圍要大，一般要求最低電壓可達8O 的額定電壓，甚至7O 的額定電壓;對母線快速切換的情況，要求高壓變頻能夠在電動機旋轉(zhuǎn)的情況下快速恢復(fù)輸出，盡量減小電動機轉(zhuǎn)速降低對系統(tǒng)的擾動。

(2)高壓變頻裝置諧波對電動機的影響普通異步高壓電動機都是按照工頻電源的工況進行設(shè)計，正常工頻電源的諧波很小，dv/dt的值也很小。為了適應(yīng)普通電動機的運行工況要求，要求高壓變頻器采取措施使輸出的電壓電流諧波小、dv/dt小，減小電動機因諧波造成的發(fā)熱及絕緣影響。

(3)高壓變頻器本身的可靠性問題

高壓變頻產(chǎn)品的整體系統(tǒng)復(fù)雜，應(yīng)用場合重要，因此對產(chǎn)品的可靠性要求也高，同時要求產(chǎn)品自身具備應(yīng)對局部故障的能力，以保障產(chǎn)品出現(xiàn)局部偶然故障時不至于突然跳機，擴大故障影響范圍。這就要求高壓變頻產(chǎn)品采用冗余設(shè)計，允許局部故障而不會停止運行。

高壓變頻的產(chǎn)品現(xiàn)在主要有3種方式，即元器件串聯(lián)方式、三電平方式及單元串聯(lián)多電平方式。前兩種方式的高壓變頻產(chǎn)品因主電路拓撲結(jié)構(gòu)的原因，很難實現(xiàn)冗余設(shè)計。單元串聯(lián)多電平方式的高壓變頻產(chǎn)品容易實現(xiàn)冗余設(shè)計，允許某個單元出現(xiàn)故障時繼續(xù)運行。如果能夠?qū)崿F(xiàn)故障單元的在線維護或更換，即高壓變頻產(chǎn)品在不停止運行的情況下排除故障，產(chǎn)品的可靠性將大大提高。

單元串聯(lián)多電平方式的高壓變頻器主要由3部分組成，主回路的輸入端是一個移相整流變壓器，它給每個逆變單元提供一個獨立的電源。每個逆變單元均是一個三相交流輸入、單相交流輸出的低壓變頻器，數(shù)個逆變單元的交流輸出依次串聯(lián)，形成單相的高壓輸出，由3組這樣的逆變單元組形成了三相高壓逆變電源。這3組單元的其中一端短接形成三相電源Y型接法的中性點，另一端形成了高壓電源的輸出端;所有的單元由一個主控制器協(xié)調(diào)工作，同時實現(xiàn)變頻器和外部設(shè)備的接口。單元串聯(lián)多電平方式高壓變頻器的電路示意圖如圖1所示。

單元串聯(lián)多電平方式的高壓變頻器獨特的電路拓撲結(jié)構(gòu)使其具有許多優(yōu)點：

1)主回路中間不存在低壓大電流環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了直接的高一高變頻。

2)每個單元都是一個低壓的變頻單元，元器件耐壓要求低，避免了功率元器件的串聯(lián)，電路簡單、技術(shù)成熟可靠。

3)每相中各個逆變單元的輸出采用移相式脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)，使相電壓實現(xiàn)了多個電平疊加，電壓非常接近正弦波，輸出電壓諧波很小，不會使電動機因諧波產(chǎn)生附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動，可以適用于普通異步電動機。

4)輸入側(cè)的移相變壓器可以使整個變頻器實現(xiàn)多脈波整流，減小輸入電流諧波對供電電網(wǎng)的諧波污染，不需要采取其他措施即可滿足國標對諧波的要求。

5)輸出電壓每個電平臺階大小僅為單元直流母線電壓，所以dv/dt很小，可以實現(xiàn)輸出電纜的長距離傳輸。

6)逆變單元之間容易實現(xiàn)冗余設(shè)計，局部故障時可以繼續(xù)運行。如某一相的某個功率單元因故障退出運行，則此功率單元將自動旁路，變頻器仍可繼續(xù)運行，此時此相的輸出由其余功率單元承擔，采取自動平衡技術(shù)后，整個裝置的輸出仍可達到三相平衡。

7)所有的功率單元都完全一樣，便于進行模塊化設(shè)計。

8)通過其他一些設(shè)計措施，整個變頻器還可以實現(xiàn)在線更換、單元自動投入等其他可靠性功能。正是因為單元串聯(lián)多電平方式的高壓變頻器具有這些特點，國內(nèi)外許多廠家都進行此類產(chǎn)品的開發(fā)研究，推出了各種品牌的產(chǎn)品，市場上應(yīng)用也比較多，已經(jīng)被用戶認可。

(4)如何用好高壓變頻

高壓變頻產(chǎn)品除了需要設(shè)備可靠性高以外，還需要維護方便，便于用戶使用。高壓變頻產(chǎn)品是一種電子產(chǎn)品，電子產(chǎn)品要求運行溫度不超過允許范圍，這就要求產(chǎn)品的冷卻系統(tǒng)安全可靠，維護方便。

3 單元串聯(lián)多電平方式高壓變頻器的控制方式

單元串聯(lián)多電平方式高壓變頻器的控制方式主要有兩種：單處理器方式和多處理器方式。

單處理器方式是指整個變頻器的運行全部靠一個主控制處理器來實現(xiàn);多處理器方式是指變頻器的每個單元和主控制器均有自己獨立的處理器，單元之間完全獨立，主控制器通過通信協(xié)調(diào)所有單元協(xié)調(diào)工作。

單處理器方式下，主控制處理器產(chǎn)生所有單元的脈沖，經(jīng)過光纖通信傳輸至各個單元，每個單元自己進行脈沖分配，控制各個功率元件(一般是IGBT);單元對自身的狀態(tài)進行檢測。通過光纖傳送給主控制器進行處理，處理結(jié)果再通過光纖傳輸至單元進行相應(yīng)的動作;同時主控制器還要完成外部接口的工作。一般情況下，主控制器采用多級中斷分別處理不同優(yōu)先等級的工作，要求各個中斷的時序清晰，任務(wù)明確。主控制器和單元之間要求通信速度快，可靠性要求高。

多處理器方式下，各個單元自己完成自身的脈沖產(chǎn)生及分配，控制本單元的功率元件;通過光纖傳輸接受主控制器的指令，進行相應(yīng)的動作;同時檢測本單元的狀態(tài)進行判斷，實現(xiàn)各種保護直至單元退出，并將單元狀態(tài)通過光纖傳送至主控制器，以便主控制器進行所有單元的協(xié)調(diào)工作。主控制器主要完成所有單元的協(xié)調(diào)，通過指令使各個單元進行相應(yīng)的動作，同時完成外部接口的工作。單元處理器承擔了產(chǎn)生波形及保護的主要工作，主控制器的任務(wù)簡單，單元和主控制器之間的通信速度不要求很高，并且可以進行通信容錯設(shè)計，可靠性大大提高。

單處理器方式和多處理器方式各具特點，現(xiàn)就以下幾個方面進行一下比較。

(1)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

單處理器方式系統(tǒng)中單元硬件結(jié)構(gòu)簡單，主控制器硬件較復(fù)雜，軟件功能復(fù)雜、任務(wù)繁重;多處理器方式系統(tǒng)中單元控制部分硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有大量的軟件工作，主控制器軟硬件均比較簡單，功能清晰、任務(wù)較輕。

(2)單元故障處理

單處理器方式下，單元故障的處理需經(jīng)通信傳輸至主控制器判斷處理，然后再傳輸回單元進行動作，環(huán)節(jié)較多、延遲較大;多處理器方式中，單元故障的檢測、判斷、處理均由單元處理器獨立完成，環(huán)節(jié)少、延遲小、動作迅速。

(3)系統(tǒng)功能擴展

單處理器方式下系統(tǒng)功能擴展主要是由主控制器完成的，但主控制器軟件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，占用資源多，功能擴展時工作量大，擴展困難;多處理器方式下系統(tǒng)功能擴展主要靠單元來實現(xiàn)，主控制器主要完成指令的添加及控制邏輯的優(yōu)化，各種任務(wù)容易實現(xiàn)功能塊分割，利于分工合作。

(4)容錯性

單處理器方式中，單元不具備判斷能力，主控制器的工作必須完全正確，另外對單元和主控制器之間的通信可靠性要求高，容錯能力差;多處理器方式中，單元能夠判斷主控制器的指令是否正確，對錯誤指令可以拒絕執(zhí)行，單元和主控制器之間的通信可以進行校驗，具備容錯能力。

現(xiàn)在，這兩種控制方式的高壓變頻器國內(nèi)都有廠家推出產(chǎn)品。

4 高壓變頻的可靠性措施

為了實現(xiàn)高可靠性，除了嚴格按照生產(chǎn)工藝進行生產(chǎn)、對所使用的元器件進行嚴格把關(guān)、培訓(xùn)

操作人員正確操作使用及維護以外，從技術(shù)層面上，充分有效的可靠性措施是必需的，以下是高壓變頻中使用的幾項可靠性措施：

(1)控制電源冗余設(shè)計

控制電源的冗余設(shè)計保證了在外部控制電源失電的情況下，設(shè)備能夠不受影響連續(xù)運行，一般采取的措施為加裝不間斷電源(UPS)或蓄電池。UPS的輸出為交流電源，和正常的控制電源之間有個切換過程，需采取措施實現(xiàn)無擾切換;蓄電池的輸出為直流電，和控制用的內(nèi)部直流電源可以直接并聯(lián)使用，不存在切換過程，是一種可靠的后備電源措施。

(2)冷卻系統(tǒng)冗余設(shè)計

高壓變頻裝置雖然效率很高，但因其容量大，運行過程中產(chǎn)生的絕對熱量還是很大的，因此可靠的冷卻系統(tǒng)就顯得尤為重要。具有互為備用并且能夠自動切換的冷卻系統(tǒng)是可行、可靠的措施。

(3)功率單元冗余設(shè)計

一般來說，只有單元串聯(lián)多電平方式的高壓變頻裝置能夠?qū)崿F(xiàn)功率單元的冗余設(shè)計。對于單元串聯(lián)多電平方式的高壓變頻裝置來說，功率單元的冗余是在故障單元旁路退出的情況下，通過電壓電流的平衡技術(shù)實現(xiàn)輸出電壓電流的平衡的。為了充分利用系統(tǒng)的冗余性，任何一個功率單元退出運行，不應(yīng)該影響其他單元的正常運行。

(4)功率單元的抗干擾措施

功率單元除了應(yīng)該采取必要的抗干擾措施防止單元因干擾而出現(xiàn)誤動作外，還可以采取措施使因瞬時干擾而退出的單元自動投入運行，保證整套裝置完好運行。

(5)功率單元的在線維護

在線維護是指在變頻裝置帶電運行的情況下對裝置的局部故障進行處理。設(shè)備的在線維修維護是提高裝置運行可靠性的重要手段，對于單元串聯(lián)多電平方式的高壓變頻來說，功率單元的在線更換可以極大地提高裝置的可靠性。

(6)提高系統(tǒng)對電網(wǎng)波動的適應(yīng)性

高壓變頻裝置對電網(wǎng)波動的適應(yīng)，除了需要采取措施使裝置能夠承受更大的電壓波動范圍外，還需要考慮電網(wǎng)瞬時失電時變頻裝置應(yīng)能夠連續(xù)運行，即高壓失電后變頻裝置停止輸出，電動機轉(zhuǎn)速下降，高壓重新上電后變頻裝置需在電動機當前轉(zhuǎn)速下迅速將電動機驅(qū)動至失電前的轉(zhuǎn)速，最大限度地減小對系統(tǒng)的擾動。、

5 高、低壓變頻器的可靠性比較

低壓變頻器是人們熟悉的事物，歷經(jīng)實踐檢驗，被大家普遍接受，認為低壓變頻器無論是在功率器件還是在控制方面技術(shù)成熟，安全可靠;高壓變頻器是個新事物，有觀點認為，高壓功率器件耐壓不夠，串、并聯(lián)技術(shù)不成熟，控制電路復(fù)雜，沒有經(jīng)過市場的應(yīng)用檢驗，可靠性不高，有時為了實現(xiàn)調(diào)節(jié)目的，寧愿通過降壓變壓器降壓并采用低壓電動機驅(qū)動，增加了費用，降低了效率。實際上，這是人們的誤解，以下就幾個方面對低壓變頻器和單元串聯(lián)多電平方式的高壓變頻器的可靠性比較。

(1)元器件

單元串聯(lián)多電平方式的高壓變頻器采用的功率元器件一般是1 700 V等級的IGBT，這個耐壓等級的IGBT是低壓變頻器中常用且被證明是成熟可靠的元器件。

(2)控制技術(shù)

單元串聯(lián)多電平方式的高壓變頻器中的每個功率單元都是一個三相輸入、單相輸出的低壓變頻器，驅(qū)動和控制技術(shù)同樣成熟可靠。

(3)元器件數(shù)量

從理論上講，元器件數(shù)量越多，可靠性越低。在這個意義上講，單元串聯(lián)多電平方式的高壓變頻器元器件數(shù)量大大高于低壓變頻器。但是，在采取了逆變單元冗余設(shè)計及故障單元在線更換等技術(shù)措施后，可最大限度地避免由元器件數(shù)量增多導(dǎo)致的可靠性下降。

(4)電路冗余

有冗余設(shè)計的系統(tǒng)可靠性大大高于無冗余設(shè)計的系統(tǒng)。低壓變頻器一般只有一個逆變橋，很難實現(xiàn)冗余設(shè)計;單元串聯(lián)多電平方式的高壓變頻器的每一相均由多個單元的輸出串聯(lián)構(gòu)成，每個單元均可自身旁路，因此相互之間可以實現(xiàn)冗余設(shè)計，可靠性大為提高。在這個意義上講，單元串聯(lián)多電平方式的高壓變頻器的可靠性遠遠高于低壓變頻器，尤其是實現(xiàn)了單元在線可更換功能的MAXF系列高壓變頻器可靠性更加突出。

(5)對電源波動的適應(yīng)性

低壓變頻器的控制電源一般取自功率電源，對電網(wǎng)電壓的適應(yīng)性差，因電網(wǎng)電壓短時過低或電網(wǎng)出現(xiàn)閃變而引起變頻器跳機的事件時有發(fā)生。單元串聯(lián)多電平方式的高壓變頻器的功率電源和控制電源是各自獨立的，一般控制電源為交直流輸入，同時還有UPS或蓄電池備用輸入，可靠性極高，控制部分不會停止工作，當功率電源電壓短時過低或電網(wǎng)出現(xiàn)閃變時，高壓變頻器停止輸出，在功率電源恢復(fù)至正常范圍內(nèi)后，高壓變頻器可以迅速將電機轉(zhuǎn)速恢復(fù)至原有水平，避免跳機事件的發(fā)生。

綜上所述，應(yīng)該說單元串聯(lián)多電平方式的高

壓變頻器的可靠性比低壓變頻器還要高，只要選用合適，可以放心使用。

6 節(jié)能型高壓變頻器的節(jié)能效果

使用高壓變頻器能夠節(jié)能主要是因為電動機驅(qū)動的負載(主要指風機、水泵類負載)在轉(zhuǎn)速降低的情況下消耗的能量大大減少(此類負載的功率消耗與轉(zhuǎn)速百分比的3次方成比例)，因此電動機消耗的能量自然就減少了。風機和水泵類負載調(diào)節(jié)流量的方法很多，但消耗能量最少的調(diào)節(jié)方法是調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的方式也很多，但綜合效率、調(diào)速性能、實現(xiàn)手段等方面來看，變頻調(diào)速是最好的調(diào)速方式。采用高壓變頻器的目的主要是為了調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，減少能耗，同時采用變頻調(diào)節(jié)還帶來功率因數(shù)提高、噪音減小、維護工作量減少等附帶好處。

變頻調(diào)節(jié)節(jié)能特別適合于需要進行流量調(diào)節(jié)的場合。和通過節(jié)流調(diào)節(jié)相比，在風機系統(tǒng)中，采用變頻調(diào)節(jié)比采用擋板或風門調(diào)節(jié)一般可節(jié)能30%～50 ;在水泵系統(tǒng)中，采用高壓變頻調(diào)節(jié)比采用閥門調(diào)節(jié)一般可節(jié)能20 ～30 ，節(jié)能效果很好。

7 高壓變頻器的使用

高壓變頻器一般可以根據(jù)電動機的額定功率或額定電流來相應(yīng)配置。在選用變頻器時，根據(jù)估算的使用功率來選配變頻器是不合適的，這是因為采用變頻器以后所消耗的電功率是在轉(zhuǎn)速降低的情況下得出的，根據(jù)變頻器設(shè)計的原則，為了維持氣隙磁通量基本不變，應(yīng)使定子端電壓和頻率成比例地調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速(即頻率)降低的情況下，變頻器的輸出電壓也相應(yīng)地降低，定子電流變化較小。按照使用功率選用的變頻器額定電流是在50 Hz、額定電壓時的功率，其額定電流較小。這樣選用的變頻器在實際使用過程中容易出現(xiàn)過電流故障，因此不建議這種選配方法。通常情況下應(yīng)該按照電動機的額定功率或額定電流來配置變頻器。高壓變頻器選用的功率元器件都是半導(dǎo)體器件，使用時的溫度限制很嚴格，過溫的情況下很容易損壞元器件，因此使用環(huán)境要求充分考慮通風和降溫措施，采用室外循環(huán)通風時尤其要考慮進風通道的設(shè)計。在使用過程中，維護好通風和降溫設(shè)備是保證變頻器正常工作的一項重要工作。

8 結(jié)語

單元串聯(lián)多電平方式的高壓變頻產(chǎn)品歷經(jīng)十多年的發(fā)展，實現(xiàn)手段更加完善，功能更加齊全，對電網(wǎng)波動的適應(yīng)能力更強，可靠性更高。國內(nèi)的高壓變頻產(chǎn)品已經(jīng)在不同程度上具備了上述的可靠性，有的甚至具備上述的所有功能，可以滿足用戶對高可靠性的要求。單元串聯(lián)多電平方式的高壓變頻器的國內(nèi)生產(chǎn)廠家已經(jīng)很多，產(chǎn)品在市場上的應(yīng)用也很多，技術(shù)已經(jīng)比較成熟，使用后節(jié)能效果非常明顯，已經(jīng)可以進行大規(guī)模推廣使用。