1、莱钢高压水处理泵站高压变频器节能改造的研究与应用【摘要】：详细介绍了干式移相变压器的移相原理及过程，以及如何获得多脉波整流电路，并简要阐述了 SPWM 控制策略。 【关键字】：高压变频器；移相变压器；高压功率单元 中图分类号：O52 文献标识码： A 1、前言 单元串联式多电平变频器采用多个功率单元串联的方法来实现高压输出。其输出通常采用多电平移相式 pwm，以实现较低的输出电压谐波。输入通常采用多重化隔离变压器以达到抑制输入谐波的目的。近年来，该技术在全球范围内发展迅速，国内也涌现了很多基于该技术方案的高压变频器生产厂家，此次型钢厂中型线水处理泵站节能改造所上高压变频器即为山东某公司生产的单
2、元串联多电平变频器。 2、高压变频器主回路波形分析 水处理泵站所上高压变频器为单元串联多电平 PWM 电压源型变频器，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动机附加发热和转矩脉动等问题、不必加装输出滤波器就可以用于普通异步电动机。此套高压变频器主要由主控柜、旁路柜、变压器柜和功率单元柜组成，下面就变压器柜和功率柜做主要阐述。 2.1 变压器柜 2.1.1 延边三角形移相原理的简单介绍 延边三角形的延边长度取决于移相角 的大小，现以图 1 所示的相
3、量关系分析延边长度 A A1 与移相角 的关系（它们之间的关系只做定性的分析） 。延边三角形的实质就是将同一铁心柱上一次线圈分成两部分：一部分是角接线圈，另一部分是延边线圈。以 B1A1 表征角边电压相量；以 A1A 表征延边电压相量；OA 表征等值星形电压相量；BA 表征电网线电压相量； 角为 OA 与 B1A 的夹角，即为移相角的大小。用极限的方法分析 角的移相范围：当延边 A1A 缩短至 A 点与 A1 点重合则 角为 30，当 A1 点向 O 点移动直至 A1 点与 O 点重合则 角为 0，所以延边三角形的移相范围为 030。 a）相位角前移电压相量图 b）相位角后移电压相量图 图 1
4、 2.1.2 移相干式变压器的形成 此套变频器整流部分为 30 脉波整流电路以达到降低输入谐波电流的目的，因此变压器二次侧设计为十五套绕组，联接组别为 Y,d11 或 Y，d1在此基础上采用延边三角形接法，分别给功率单元提供电源以实现移相的目的，5 组串联组间二次绕组相位互差 12电角度。变压器的二次侧联接组别分别为Y,d11+24；Y,d11+24；Y,d11+24；Y,d11+12；Y,d11+12；Y,d11+12；Y,d11；Y,d11；Y,d11；Y,d11-12；Y,d11-12；Y,d11-12；Y,d11-24；Y,d11-24；Y,d11-24。因变频器每个功率单元的整流部分
5、为三相桥式不控整流，因此三相桥式输出的是变压器二次线电压的整流电压，即为线电压的包络线，其在一个周期内脉动 6 次，5 组串联组间二次绕组之间互差 12电角度，则在一个周期内便脉动 30 次，即为 30 脉波整流电路。图 2 所示： 图 2 2.2 功率单元柜 1.2.1 单元串联多电平变频器拓扑结构介绍 功率单元柜每相是由五组功率单元串联组成，其中五组功率单元是有多个 H 桥全控逆变电路串联而成，各单元的控制逻辑相互独立。其拓扑结构如图 3 所示：此种拓扑结构为单元串联多电平变频器，其相电压的电平数 NP 与每相的功率单元数 NS 之间存在关系为：NP=2NS+1，即为11 电平变频器。 图
6、 3 2.2.2 载波移相控制策略 多电平功率变换电路是由两电平控制策略推广得来，此套高压变频器是用移相载波 PWM 控制方式。每个功率单元模块的 SPWM 信号均由一个三角载波与一个正弦波比较产生。所有模块的正弦波都相同，但每个模块的三角载波与其相邻模块的三角载波之间有一定相移，使各模块最终叠加输出的 SPWM 波的等效开关率提高，大大减小了输出谐波。 2.2.3 载波移相控制的分析 根据以上对概念的理解和分析，载波移相控制的实现主要有两部分完成：一部分是通过正弦调制波和等腰三角载波进行比较从而得到 SPWM波形。单元串联型多电平逆变器单个功率单元如图 4 所示。功率单元的输出有三种可能：Q
7、1,Q4 导通，Q2，Q3 关断时输出电平为+Uab； 图 4 Q2,Q3 导通，Q1,Q4 关断时输出电平为+Uba，即为-Uab；Q1,Q2 导通，Q3,Q4 关断或 Q3,Q4 导通，Q1,Q2 关断时 Uab 等电位输出电平为 0。其中Ud=1.35UL=850.5V1,(变压器副边绕组 UL 为 630V)，每个功率单元输出有效值 Uab=0.816Ud=694.008V690V。如图 3 所示每相相电压UU=690*5=3450V,线电压 UUV=3*3450V6000V。依照以上输出的三种电平加之有效的控制两桥臂的导通与关断，便能得到每个功率单元的 SPWM波形。首先 SPWM
8、参考信号为标准的正弦波， 其次，建立左、右桥臂互差 l80相角的三角载波。左桥臂 Q1 的控制信号由参考波与正相载波(图 5-a 中实线三角波)比较得到。当参考波大于正相载波时 Q1 导通、Q3 截止输出高电平；反之 Q1 截止、Q3 导通输出低电平。将 Q1 的控制信号反相得到 Q3 的控制信号。右桥臂 Q2 的控制信号由参考波与反相载波(图 5-a 中虚线三角波)比较得到。当参考波小于反相载波时 Q2 导通、Q4 截止输出高电平；反之 Q2 截止、Q4 导通，输出低电平。将 Q2 的控制信号反相得到 Q4 的控制信号。左、右桥臂控制信号之差便得到了 SPWM 波形2（如图 5-d 所示）
9、；另一部分主要任务是对第一级功率单元 H 桥左、右桥臂控制信号进行移相，进而得到以后各级功率单元的左、右桥臂的控制信号。对于五组功率单元串联来说它们的参考波是相同的，两个相邻功率单元之间的载波互差一定的角度，相位差 由以下公式计算：=180/N,其中 N-单元串联个数。将图 d）波形一次移相 36电角度并叠加便形成一相十一电平的输出电压波形。 图 5 用同样的方法生成另两相电压波形空间互差 120电角度则便形成了非常接近正弦波的三相交流电压。 3、现场运用 高压变频器改造于 3 月底全部调试完毕投入运行，改造之前水处理泵站高压泵组是在电网工频 50HZ 状态下运行，无法实现调速功能，如需调节流
10、量只能通过调节阀门开口度强行改变管道中的阻力来改变流量，此种运行方式对水泵来说耗能较高。改造后高压变频器投入运行将管道阀门全部打开以减少管路中的管道阻力，通过调节频率进而改变电机速度来调节流量。次套变频器通过调节操作面板上的频率旋钮来实现对电机速度的控制，操作非常简单明了。在实际运行中为满足现场生产的需求频率可下降 3 至 4HZ 左右，电网的进线电流随之下降 5 至 6 安培左右节能效果有了明显的改观。通过改造前后水处理泵站用电量的比较（见表 1）可知：一月份（改造前）水处理泵站两段共计耗电 709800Kwh，四月份（改造后）共计耗电 624888Kwh，节约共计 84912Kwh。节电量
11、是非常可观的，为今年型钢厂中型线完成电耗指标打下了坚实的基础。 表 1 水处理泵站 1 月份与 4 月份耗电量比较表 4、结论 此高压变频器采用整个功率单元串联，器件承受的最高电压为单元内直流母线的电压，可直接使用低压功率器件，器件不必串联，不存在器件串联引起的均压问题。当然，采用这种主电路拓扑结构会使器件的数量增加，但功率单元采用低压 IGBT 功率模块，驱动电路简单，技术成熟可靠。另外，功率单元采用模块化结构，同一变频器内的所有功率单元可以互换，维修也非常方便。 采用单元串联结构后，整个装置的等效开关频率是单个单元的 5 倍，而单元的开关频率可以做得更高， 从这个角度出发， 输出电压的高次谐波含量也相当低。但由于单元输入采用二极管整流电路，能量不能回馈电网，变频器不能四象限运行。此次水处理泵站所上高压变频器自运行至今节能效果非常明显，在大型水泵风机类负载上的应用有很好的发展前景。
