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摘 要：随着高压变频器技术的日益成熟，越来越多的高压变频器在生产实际中得到应用。从制造工艺和使用效果来看，国产变频器已经能满足相关要求。本文主要是从西三线应用的国产上广电变频器的实际出发，对变频器的结构原理、调速形式以及谐波分析进行探讨。
关键词：变频器；原理；谐波
西气东输三线是继西气东输二线之后，我国第二条引进境外天然气资源的陆上通道，主供气源为来自中亚国家的天然气，补充气源为疆内煤制天然气。西气东输三线工程建成后，进一步增强我国的天然气供应保障能力。近年来随着高压变频器技术的成熟，越来越多的高压变频器在工业生产中得到应用。变频调速系统已经不仅能够提高生产设备的运行的精准度，而且是被普遍认为最为理想的调速系统，西三线上应用的上海广电电气（集团）股份有限公司变频器总共有6台。
本文以上广电的Innovert10/10-25000S高压变频调速装置为研究对象，探讨国产变频器在西三线的应用情况。该装置采用单元串联多电平主电路结构，全数字无速度传感器矢量控制。Innovert10/10-25000S变频器功率单元采用标准的配置10kV：24个功率单元组成，每相8个功率单元串联组成一相，三相构成Y型接，直接给10kV电机供电。本文主要探讨变频器的构成、原理及相关分析。
一、变频器的基本构成和原理
变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。变频器的发展已有数十年的历史，在变频器的发展过程中也曾出现过多种类型的变频器，现在使用的变频器主要采用交—直—交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。
一般的三相变频器的整流电路由三相全波整流桥组成，对外部电源进行整流后提供所需要的直流电源。直流中间电路的作用是对整流电路的输出进行平滑，逆变电路的主要作用是在控制电路的控制下，将平滑电路输出的直流电源转化为频率和电压都任意可调的交流电源。变频器的控制电路包括主控制电路、信号检测电路、门极(基极)驱动电路、外部接口电路以及保护电路等几个部分。控制电路的优劣决定了变频器性能的优劣。
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变频调速在调速中从高速到低速都可以保持较小的转差率，因而消耗转差功率小，效率高，是异步电动机的最为合理的调速方法。由电动机拖动原理可知交流异步电动的转速表达式为：
其中，n为电动机转速，r/min；f为电源频率，Hz；p为电动机磁极个数，s为转差率。
因此，异步电动机的调速方式可有以下三种：改变供电电源的频率、改变电动机的极对数、改变转差率。异步电动机的旋转磁场的转速和输入电流的频率成正比，改变供电电源的频率，可以改变旋转磁场的转速，进而改变电动机的转速，故将这种方式称之为变频调速。用这种方式调速的范围大，精度高，效率也较高，具有优良的静态及动态特性，调速效果很好。目前变频调速已成为异步电动机最主要的调速方式，在很多领域都获得了广泛的应用。近年来，由于电力电子技术的蓬勃发展，为变频电源的实现提供了新的途径，从而极大地促进了变频调速的开发和应用，为变频器的大量应用提供了可能。
二、高压变频调速装置形式
根据高压组成方式,变频器可分为高-低-高型和直接高压型；高-低-高型变频器,由于技术上的种种限制,仅用于中小容量的高压电动机进行调速；直接高压型变频器分为交-交变频器和交-直-交变频器；交-交变频器因输出最高频率的限制,适用于低速、大容量的特殊场合。
交-直-交变频器根据中间直流环节,可分为电压源型和电流源型。电流源型变频器直流环节为大电感,电机需要的无功电流需与电网交换,进线采用隔离变压器型的电流源型变频器的功率因数低,且随着电机负载的降低而降低,而进线采用PWM型的电流源型变频器的功率因数高,电流源型变频器一般适合于大功率、低转速的场合。对于电流源型变频器,进线采用PWM型的虽然克服了传统隔离变压器型功率因数低的缺点,但由于电流源型变频器产生的共模电压较大,在有输入变压器时,大部分的共模电压都被输入变压器所吸收,而没有输入变压器时,共模电压就全部施加到电动机定子绕组中心点与地之间,这一点对电动机的绝缘影响很大,必须采用提高绝缘等级的电动机。同时由于进线采用PWM型,需要增加电源控制,也增加了变频调速系统的不稳定性。因此,对于本工程输油泵运行要求而言,比较适合的变频调速装置是交—直—交电压源型变频器。根据隔离变压器二次侧绕组数量的不同,相应的整流电路所产生的脉冲数也有不同,一般可分为6脉冲、12脉冲、24脉冲、36脉冲等。高压变频器的冷却可采用空冷、水—空冷,也可采用水—水冷(须设室外冷却器)。
三、变频调速系统对电网的影响和谐波分析
采用高压变频调速装置驱动具有无级调速、适于变工况运行、节约大量电能等优点,并可限制电动机的起动电流低于额定电流,不会对电网造成大的冲击,但是该变频调速装置对电网有一定的谐波污染。变频调速装置采用可控或不可控的电力电子设备,从本质上而言,或多或少必然会产生谐波污染,对电网的影响就取决于变频调速装置整流电路的结构和特征。高压变频调速装置,对电网的谐波污染都是不能忽略的,对于这一点,生产厂家可采用增加输出滤波器或者采用增加脉冲数的方法来抑制输出谐波,也可采用专用变频电动机来克服谐波的影响。
不同类型变频器所产生的谐波构成不同、谐波大小也不同。采用整流电路的多重联结可以减少输入电流谐波,在大容量变频装置中应用较为普遍。根据理论分析,脉冲数越多,则谐波含量越低。具有脉冲数为m的整流电路,理论上在电网中仅产生m-1次的谐波。国外大多数变频器生产厂执行的标准是IEEE519标准,而IEEE519标准要求低于GB/T14549-93《电能质量公用电网谐波》的要求。因此,作为国产变频器生产厂,在变频调速装置生产制造商,必须以满足国家标准为前提,配备相应的抑制谐波设备。
参考文献
[1]徐殿国,刘晓峰,于泳. 变频器故障诊断及容错控制研究综述[J]. 电工技术学报,2015,(21):1-12.
[2]韩焦. 通用变频器调速系统关键技术研究[D].南京理工大学,2014
论文作者:钱想军
论文发表刊物:《电力设备管理》2017年第5期
论文发表时间:2017/7/17
标签：变频器论文; 谐波论文; 电动机论文; 电路论文; 变频调速论文; 高压论文; 电流论文; 《电力设备管理》2017年第5期论文;