大型风机的变频控制

【摘要】本文论述基于单元串联多电平技术的高压风机变频调速技术。利用多单元级联技术，可以采用低压的功率器件组成功率单元，输出级联后组成高系统，从而控制风机的变频运行实现调速和节能的目的。

【关键词】大型高压风机;单元串联;变频控制;调速

一、引言

在风机运行中应用变频调速，其节电率一般可达 20%～60%，节电效果显著，而且对于满足生产工艺的要求也起到重要的作用，经济效益十分显著。大力推广风机变频调速节能技术，不仅是当前企业节能降耗的重要技术手段，也是实现经济增长方式转变的必然要求。

二、风机的基本特性及调速节能原理

对于风机风量的调节，可以通过调节风机入口叶片角度的方法来调节风量，但是一次调整后就固定不变，不能够根据作业状况的需要随时调节风量;也可以采用调节入口风门、出口风门等方式来调节风机的风量，但是电能却消耗在挡板上，很不经济;对风机进行转速调节以代替闸门调节风量的方法，其节能效果十分显著。以往风机多采用不调速的鼠笼式电动机拖动，需改变风量时，通过改变闸门的开启度进行控制，使大量的电能白白消耗在闸门及巷道阻力上;若采用转速控制，当所需风量减少时，根据流体力学的基本原理可知，其轴功率按风量（转速）的立大幅度下降，从而达到节能的目的。由于高压设备功率较大，其功率可能占到电网容量的相当大一部分，因此其开停机和运行可能对电源电压造成影响。另外，变频器如果输出高次谐波成分过高，会造成电机的过热、产生共模电压和dv/dt等问题。为实现风机的调速节能运行，并考虑到高压大容量设备的技术要求，本文设计了单元串联型多电平高压风机变频调速系统。

1.变频控制的基本原理

变频控制是交流调速的一种方式，即变频器调速。根据异步电动机的转速表达式：

n=60f1/p（1-s） （1）

可知，当极对数P不变时，电动机的转速与定子的输入频率成正比，只要改变电动机的输入频率，就可改变电动机的转速，这就是变频器调速的基本原理根据控制方式的不同，变频调速可分为：

（1）保持V/f1为常数，即恒磁通变频调速：

（2）保持输出转矩为常数 即恒流变频调速：

（3）保持输出功率为常数，即恒功率变频调速;

（4）矢量控制。

一般来说，异步电动机的恒磁通变频调速可以获得最大转矩的调速特性，适应能力强。恒流变频调速时的最大转矩相对要小，过载能力低，仅适于小容量负载变化不大的地方。恒功率变频调速可适应于负载随转速的增高而变轻的情况。

2.风机的特性及参数

风机的特性表达式：

H=f（qv） （2）

基本参数如下：

H=f（qv）H=Hs+Hd （3）

式 中：

H――风压，Pa;

Hs――静风压;

Hd――动风压;

qv风流量，m3/min。

风机轴输入功率PF为：

PF=9.8qvH/60ηFλ1000

式中：

ηF――风机效率

拖动风机的电机轴输出功率PM为：

PM=PFηcqvH/6120ηFηc

式中：ηc――传动机构效率，直接传动为1.0，皮带传动为 0.9～0.95，齿轮传动0.9～0.97。

在风机效率不变的前提下，离心式风机，其 H、qv及PF与转速n的关系如下。

qv∝n H∝n2 PF∝n3 （4）

由式（4）可见，当转速n下降时，轴功率PF将迅速下降。

3.管网风阻特性

风流量与管网所形成的通风阻力之间存在着一定的比例关系，我们称之为管网风阻特性。

管网风阻表达式：h=Rqv2

式中：

h――通风 阻力，Pa;

R――风阻系数。

风阻特性曲线与风机特性曲线可画在同一坐标上，两者的交点就是风机在此管网的工作点。如果改变转速使H=f（qv）曲线下移，则相应的交点和q值都将随之发生改变。

三、调速系统的结构及功能

单元串联多电平电压源型变频器采用若干个低压功率单元串联的方式实现直接高压输出，采用的变压器为多重化隔离变压器，一次侧输入高压，二次侧输出相互隔离的低压，供给各个功率单元。

每个功率单元都是一个三相输入、单相输出的一直一交变频器，具有统一的结构。每个功率单元分别由输入变压器的一组二次绕组供电。功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘。

逆变器部分采用多电平移相脉冲宽度调制（PSPWM）技术，同一相的功率单元输出相同的基波电压，但串联各单元的载波依次错开一定的相位，使叠加出来的是阶梯的正弦调制波，输出电压非常接近正弦波，且几乎不含有低次谐波。将相邻功率单元的输出端串接起来，实现变压变频的高压直接输出，供给高压电动机。

每个电平台阶只有单元直流母线电压大小，因而dv/dt很小，使得电动机绝缘不会受到影响。与采用高压器件直接串联的变频器相比，采用这种主电路拓扑结构会使器件的数量增加，对于6kV变频器，六单元串联的结构共使用72个低压IGBT，但低压IGBT门极驱动功率较低，其峰值驱动功率不到5w，平均驱动功率不到lW，驱动电路非常简单。由于开关频率很低，且不必采用均压电路和浪涌吸收电路，所以系统在效率方面仍具有较大的优势，满载时，变频器效率可达98.5%以上，包括输入变压器和变频器的总体效率一般可高达97%。由于功率单元采用电容滤波的电压源型结构，变频器可以承受30%的电源电压下降而继续运行（降额运行），并且在电网瞬时断电5个周期内还能满载运行。功率单元中采用目前低压变频器中广泛使用的低压 IGBT功率模块，技术成熟、可靠。由于采用二极管不可控整流电路结构。

所以变频器对浪涌电压的承受能力较强，雷击或开关操作引起的浪涌电压可以经过变压器（变压器的阻抗一般为8左右）产生浪涌电流，经过功率单元的整流二极管给滤波电容充电，滤波电容足以吸收进入到单元内的浪涌能量。

另外，变压器一次侧安装了压敏电阻浪涌吸收装置，起到进一步保护作用。采用功率单元自动旁路技术可使变频器在功率单元损坏的情况下继续运行，大大提高系统的可靠性。

四、主电路与控制电路的接线

单元串联型高压风机变频调速系统主要由以下几个部分组成，高压开关切换部分，输入隔离变压器，整流部分，逆变部分，主控单元，主操作台以及其他连接设备。

高压开关切换部分主要由高压隔离开关，熔断器，高压真空接触器以及电压、电流互感器等构成，保证变频器的安全投入与切除。变压器的二次侧相互独立，分别绐整流单元供电。整流部分由 18组共 72只整流管组成，整流滤波后的直流电源给各个逆变单元供电。主控单元中，控制系统硬件包括以微机为核心的数字控制电路、电流调节器等模拟控制电路以及可编程控制器等，负责逆变部分的触发控制以及整个系统的保护。多路I/O口接受来自主操作台的命令，对系统进行控制。主操作台设在控制室内供值班人员使用，对系统实施启动、停止、调速等远程控制，并能够监测电压、电流、转速等信号。主操作台的各项动作在主控单元电路面板上也能够实现，通过远程/本地开关的切换。

同时，系统可以实现开环和闭环控制，开环控制时可以由人调节变频调速装置的给定速度来改变电机转速。实现改变风压、风量的目的。无论实际风机负荷需要怎样变化，风机的鼓风量总能够根据设定值变化并自动进行调节。

五、结束语

该变频器对电网谐波污染小、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;输出波形好，不存在由谐波引起的电动机附加发热和转矩脉动、噪声、输出dv/dt、共模电压等问题，可以使用普通的异步电动机，适合风机的调速控制。