西门子高压变频在空压机节能改造中的应用

[摘 要]高压变频器可以实现对高压电机的无极调速，满足生产工艺过程对电机调速控制的要求，达到提高产量和质量的目的，可以大幅度的节约能源，降低生产成本。高压变频器是一种环保节能产品，用在发电厂的高压电机中可以平均节约电能40%左右。

[关键词]高压变频器 节能 旁路柜

中图分类号：TK01+8 文献标识码：TK 文章编号：1009914X（2013）34054101

1.前言

高压大功率交流电机变频调速技术的发展是我国节能事业的主导方向之一。变频技术的发展始终与电力电子器件的发展密不可分。从大功率可控硅器件到BJT，从IGBT 到IGCT，每一次大功率元器件的发展都会带来变频器技术的一次飞跃。高压变频器可以实现对高压电机的无极调速，满足生产工艺过程对电机调速控制的要求，达到提高产量和质量的目的，可以大幅度的节约能源，降低生产成本。高压变频器是一种环保节能产品，用在发电厂的高压电机中可以平均节约电能40%左右。目前，大功率高压变频器的使用范围基本上覆盖了我国电力、供水、冶金、石油、化工、采矿、煤炭、造纸、建材等等诸多主要行业，是其它调速设备所无法比拟的一种新型高压交流电动机调速装置。

2.西门子高压变频器工作原理和特点

西门子高压变频器采用高压变频器采用直接高压输入，直接高压输出（高-高）的方式，省去了输出升压变压器，简化了系统结构，降低了系统成本。采用目前国际流行的功率单元串联多电平技术，每个功率单元都是一台三相输入、单相输出的脉宽调制型低压变频器，技术可靠，结构和性能完全一致，极大的提高了高压变频器的可靠性与维护性；采用叠波技术，最大限度的消除了高压变频器输出电压中的谐波含量，电压波形接近于标准的正弦波，大大改善了变频器的输出性能，是真正的“完美无谐波”。

西门子完美无谐波高压变频采用若干个低压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极小，输入功率因数高，输出波形质量好，不存在谐波引起的电机附加发热、转矩脉动、噪音、dv/dt及共模电压等问题的特性，不必加输出滤波器，就可以使用普通的异步电机，包括国产电机。

6KV电网电压经过副边多重化的隔离变压器降压后给功率单元供电，功率单元为三相输入、单相输出的交直交PWM电压源型逆变器结构，实现变压变频的高压直接输出，供给高压电动机。以6KV输出电压等级为例，每相由6个额定电压为630V的功率单元串联而成，输出线电压达6KV，每个功率单元分别由输入变压器的一组副边供电，功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘。二次绕组采用延边三角形接法，实现多重化，以达到降低输入谐波电流的目的。对于6KV电压等级变频而言，就是36脉冲的整流电路结构，输入电流波形接近正弦波。由于输入电流谐波失真很低，变频器输入的综合因数可达到0.95以上。下图为该变频器的输入电压、电流。

逆变器输出采用多电平移相式PWM技术，6KV输出相当于13电平，输出电压非常接近正弦波，dv/dt很小。

电平数的增加有利于改善输出波形，由谐波引起的电机发热，噪音和转矩脉动都大大降低，所以这种变频器对电机没有特殊要求，可直接用于普通异步电机，不需要输出滤波器。下图为变频器输出电压电流波形。

与采用高压器件直接串联的变频器相比，由于不是采用传统的器件串联的方式来实现高压输出，而是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。功率单元中采用的低压IGBT功率模块，驱动电路简单，技术成熟可靠。

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。这一系列变频器目前正在全世界得到广泛应用。

3.空压机节能改造方案

为了保证空压机节能运行，其中一台空压机加变频控制。两台空压机并联运转，一台工频运行保证输出最大压力。另一台变频运行，闭环调节变频器的运行频率保证压力满足井下用风的要求。

西门子提供的高压变频器串接在原有的系统中。原有高压电源（原有高压直接接在空压机高压输入端）接到高压变频的输入端。高压变频输出接到空压机的高压输入端。改造后一次系统图如图1所示。

系统图中虚框中表示高压变频器。当工频运行时KM3 闭合，KM1、KM2断开，当变频运行时KM1、KM2闭合，KM3断开。KM1、KM2、KM3变频系统自动控制动作。在变频器面板上可以实现工频/变频选择转换。综合考虑空压机的机械系统可靠稳定运行，保证空压机的油压系统正常变频器有最低频率限制。空压机的保护系统还以原有空压机系统保护为准。

当变频系统控制时，以空压机操作为核心。确保空压机和变频器没有故障，手动合上级高压开关。变频器选择为远程控制方式。高压变频器开始充电，变频器到达就绪状态。在空压机的控制面板上点击启动按钮，空压机给变频器发出一个启动信号。变频器启动直接驱动空压机内的高压电机。变频器自动升速到最低频率，根据压力传感器检测的实际压力调节运行频率。变频器运行后会给空压机一个运行反馈信号，相当于原系统的工频运行信号。空压机停止时，空压机给变频器发停止信号，使变频器停止输出。变频控制系统框图如图6所示。

空压机系统故障时，空压机给上级高开柜发出分闸指令，直接分上级高压开关。变频器有故障时，停止对空压机的驱动。可以根据实际情况改为工频模式。变频器选择为工频控制时，可以直接在空压机的面板上启动，变频系统旁路运行。远程监控系统分别与空压机和变频器进行MODBUS通讯，可以实现远程操作和数据监控。在远程上位机可以监视到变频器运行、停止、就绪、故障、报警、运行频率、运行电流、输出电压、变压器温度等信息。

4.结束语

空压机变频改造主要注意几个问题：原则上保留空压机原有控制逻辑，不要更改空压机的保护逻辑；变频器的启动时间一定要满足空压机的要求。通过加速时间分段和适当放大功率器件的容量来满足空压机短时间启动的要求；空压机属于大转动惯性负载，空压机不允许低频运行。速度过低会使空压机缸体降低会增加磨损；空压机变频运行时要保证在工作在安全区域内，避免空压机喘振。

参考文献

[1] 苏春等. 数字化设计与制造[J].机械工业出版社，2010第一版

[2] 满永奎等. 通用变频器及其应用[M].机械工业出版社，2012