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高压变频原理及其在企业中的节能效果
摘要：电机作为企业能耗大户之一，其节能控制技术的研究具有较高的应用价值。节能技术的实施可以很大程度上节省企业的用电费用，对于企业的将本增效有着不可忽视的作用。本文通过对本厂锅炉及熟料窑电机节能改造项目的介绍，阐述了高压交流变频技术的发展历程、工作原理以及其在企业节能改造中的实际效果。
关键词： 高压变频 节能改造 系统构成 工作原理
一、高压变频的发展历程及作用
随着现代电力电子技术及计算机控制技术的迅速发展，促进了电气传动的技术革命。交流调速取代直流调速，计算机数字控制取代模拟控制已成为发展趋势。交流电机变频调速是当今节约电能，改善生产工艺流程，提高产品质量，以及改善运行环境的一种主要手段。变频调速以其高效率，高功率因数，以及优异的调速和启制动性能等诸多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。
以前的高压变频器，由可控硅整流，可控硅逆变等器件构成，缺点很多，谐波大，对电网和电机都有影响。近年来，发展起来的一些新型器件将改变这一现状，如IGBT、IGCT、SGCT等等。由它们构成的高压变频器，性能优异，可以实现PWM逆变，甚至是PWM整流。不仅具有谐波小，功率因数也有很大程度的提高。
根据高压组成方式可分为直接高压型和高-低-高型，根据有无中间直流环节来分，可以分为交-交变频器和交-直-交变频器，在交直-交变频器中，按中间直流滤波环节的不同，可分为电压源型和电流源型。我们习惯称作的高压变频器，实际上电压一般为2.3-10KV，国内主要为3KV，6KV和10KV。
二、高压变频的工作原理（本文以6KV变频器为例）
系统构成：
    高压变频器由移相变压器、功率单元和控制器组成，采用交—直—交直接高压（高—高）方式，主电路开关元件为IGBT。
移相变压器采用干式结构，强迫风冷。变压器原边为Y型接法，直接与高压相连，副边绕组数量依变压器电压等级及结构而定，。延边三角形接法，绕组间的相位差为：移相角度=60°/每项单元数量。
功率单元是由十五相同的单元模块构成，每五个模块为一组，分别对应高压回路的三相，单元供电由移相切分变压器进行供电。由于为功率单元提供电源的变压器副边绕组间有一定的相位差，从而消除了大部分由单个功率单元所引起的谐波电流，并且能保持很高的输入功率因数。

功率单元构成：
    功率单元为基本的交—直—交单相逆变电路，变频器中所有的功率单元，电路的拓扑结构相同，实行模块化的设计。整流侧为二极管三相全桥，通过对IGBT逆变桥进行正弦PWM控制，产生设定的频率波形，得到如图2所示的波形。高压变频器的每个功率单元相当于一个三电平的二相输出的低压变频器，通过叠加成为高压三相交流电，变频器中点与电动机中性点不连接，变频器输出实际上为线电压，由A相和B相输出电压产生的Uab输出线电压可达6000V，为11个阶梯波。
输入电源端R、S、T接变压器二次线圈的三相低压输出，三相二极管全波整流为直流环节电容充电，电容上的电压提供给IGBT组成的单相H型桥式逆变电路。移相变压器的副边绕组分为三组，给每个单元供电，构成30脉冲整流方式，这种多级移相叠加的整流方式可以大大改善网侧的电流波形，使其负载下的网侧功率因数接近1。输出侧由每个单元的U、V输出端子相互串接成星型接法给电机供电，通过对每个单元的PWM波形进行重组，可以得到接近于正弦波的阶梯PWM波形。
    控制系统：控制系统由控制器、IO接口板以及人机界面组成。
控制器由三块光纤板、一块信号板、一块主控板和一块电源板组成，各板之间通过总线底板连接。
IO接口板采用高速单片机，完成对电机控制的所有功能，运用正弦波空间矢量方式产生脉宽调制的三相电压指令。通过通讯端口与人机界面进行数据交换，提供变频器的控制参数，并接受来自人机界面的参数设置。
人机操作界面解决高压变频调速系统本身和用户现场接口的问题，提供友好的全中文监控界面，使用方便、快捷，同时可以实现远程监控和网络化控制。
控制系统与功率单元之间采用光纤通讯技术，低压部分和高压部分完全可靠隔离，
系统具有极高的安全性，同时具有很好的抗电磁干扰性能，可靠性大大提高。
三、高压变频在企业中的应用（以本厂为例：热电厂锅炉及熟料窑高压电机的变频改造）
锅炉及熟料窑系统电机节能改造工程项目建设投资4274.86万元，其中：建筑工程费用143.45万元，设备费2577.11万元，安装工程费1031.05万元，其他费用398.74万元，预备费124.51万元。
其中热电厂锅炉项目高压引风机、排粉风机变频节能改造项目中5台锅炉的引风机全部使用带旁路自动投入的变频器，2台锅炉的排粉风机使用旁路手动投入的运行方式（北京亿盛合康公司出产），熟料窑高压排风机节能改造项目中7台窑的排风机全部使用旁路手动投入方式（北京利德华福公司出产）。下图1、2为热电厂锅炉项目变频器一次回路图，图3为熟料窑项目变频器一次回路图。
对比变频改造前后两月平均输入电流情况，得出分析数据如下：
变频运行一月时输入电压:6KV，平均输入电流:20.3A，功率因数:0.98，平均运行频率:40.67Hz。
工频运行一月时 :电压:6KV,电机电流:42.2A,功率因数:0.8。

P变=1.732×6KV×20.3A×0.98=206.7KW
P工=1.732×6KV×42.2A×0.8=350.8KW
节电率 =（P工- P变）/ P工×100%=（350.8KW-206.7KW）/ 350.8KW×100%=41.1%。
节电率高达 41.1%,节能效果非常显著。
一天节省电量为 ：（350.8KW-206.7KW） ×24h=3458.4KWh
一年按 200天运行计算,每度电按0.45元/ KWh计算,一年节省电费为: 3458.4KWh×0.45×200天=311256元。
有效地利用能源、节约能源是建设节约型社会的具体体现。通过对比变频改造前后电机的耗电量，发现采用变频技术改造后电能消耗得到很大的缓解。大力推广变频调速技术不但可以降低企业的生产成本，有效的节约资源和资金消耗也是实现建设节约型企业这一目标的必要手段，是交流电动机节能改造的工作重点。