大中容量电动机调速方案的选择

王宏艳

摘 要：本文将常用调速方案作简单介绍，以供参考。

关键词：电动机；调速；变频

中图分类号： TM32 文献标识码： A 文章编号：

一、调速方案的分类和内容

从20世纪80年代开始，调速步入了变频调速时代，目前使用最多的是变频调速和串级调速中的斩波内馈型功率调速，由于电流型变频器是全控桥整流，谐波较大，对电网公害大，抑制谐波的措施比较复杂，在价格和可靠性上失去了优势，已很少采用了。现将常用调速方案简介如下。

1、高一高型变频调速

该方案用高压变频器直接对电网的高电压(6～10kV)进行整流、滤波和逆变，输出高压变频电源供给高压电动机变频调速。当功率较大时，电源输入侧需要设置隔离用的三绕组变压器，变压器二次侧采用D和Y接法，可输出12相或18相脉冲整流电压，使得电源输入侧谐波大为降低。

2、高一低一高型变频调速

该方案是在低压通用变频器输人侧加一台降压变压器，又在变频器输出侧加一台升压变压器，再向高压电动机供电进行变频调速。该方案的变频器电压等级可根据不同的具体情况选择380V或者690／1140V，实质上还是属于低压变频器。

3、高一低一低型变频调速

该方案是采用降压变压器将高压电源变成低压电源，再向相应电压等级的低压变频器和低压电动机供电。该方案的变压器和电动机既可采用非标准产品，也可以利用原有的设备改制。

4、“中一低一中”变频器

用一台降压变压器把中压变为低压，经低压变频器变频，再由输出变压器升为中压，优点是变频器价格低，缺点是增加了占地面积和成本，增加了两级变压器损耗，升压变压器的采用是技术上的失误，可靠性大大降低了，在低速时，变压器效率更低，功率因数也低。

5、低压大功率变频器

国产低压变频器已做到1000kW，国外已做到2000kW。然而，用低压变频器去拖动6kV的电动机是不合理的，改变电动机接线方法，电压就变成了3．47kV，使用3．3kV变频器就没问题了。建议尽量选用1.7、2.3、3.3kV电动机。

6、中一低压大功率变频器

优点是中压输电损耗小，低压变频效率高，输入变压器一侧采用三角形(△)接法，可吸收变频系统中的高次谐波。

7、中一中压变频器

(1)中压IGBT PWM变频器。电压为2.3、3.3、4.16kV，容量为800～4000kW，额定效率为98.5％，额定功率因数≥0.96，中压IGBT是低压IGBT基础上发展的新品种，系统器件由60支减为24支，使电路简化，可靠性提高。

(2)中压IGCT PWM变频器。电压为2.3、3.3和4.16kv，容量为315～6500kW，额定效率>98％，额定功率因数>0.95。

中压IGCT是在GT0元件基础上发展起来的新产品，保留了GTO导通压降小，电压和电流高的特点，又克服了GTO开关性能差的缺点，是一件非常理想的兆瓦、中压开关器件。GTO体积大，损耗大，而IGCT芯片厚度减小到与二极管差不多，这就大大简化了电压变频器结构，其触发功率小，开关一致性好，可方便串并联，又进一步扩大了功率范围。一台4.16kV变频器，使用6kV的IGCT只需要12支器件，是低压IGBT的1／5件，中压IGBT的1／2件。由于器件电压提高，数量减少，使得变频器电路更加简化，可3电平、4电平或5电平电路，变频器输出端装有滤波器及dv/dt限制器，可配普通6kV电动机，也可配用较低电压的多相电动机，为了限制高次谐波，变频器输入端为12相整流，也可18相或24相整流。

8、多重式多级串联中压变频器

美国ROBICON公司、日本安川、富士、东芝公司、我国利德华福等公司，都先后推出了多重式多级串联中压变频调速装置。采用多电平结构和多级低压小功率IGBT PWM变频单元串联输出中压变频器，实现了大功率集成。其输入电压在2.3—13.8kV之问，输出电压2.3～6kV，容量为800～5600kW，国内为315～2500kW，额定效率≥96％，额定功率因数≥0．95。但必须指出，同一容量采用中压设备不但价格贵得多且可靠性也下降了。

9、斩波内馈型功率调速

该方案是在高压绕线转子电动机的定子内部设置特殊的内馈绕组，以便通过斩波内馈的功率调速控制装置来接收转子移出的电磁转差功率，使内馈绕组处于发电状态来抵消定子绕组等量的输入功率，从而达到电动机的节电和调速目的。

二、调速方案的选择比较

上述几种高压变频调速方案都是直接控制电动机定子来达到调速的目的，变频器的额定功率必须大于等于电动机的额定功率，不仅其自身消耗的功率大，而且变频器的输入和输出电流中谐波含量十分可观。尤其是这几种方案几乎都需要变压器升高或降低电压，才能向变频器送电，使电动机的调速系统效率也有所降低。

其中高一低一高型变频调速方案的系统效率最低，并且占地面积大和基建安装费用高，目前该方案的应用已经越来越少。而高～低一低型调速方案是针对原有的高压电动机系统进行节能改造时，采取的一种特殊处理方式，即对中、高压(3～10kV)电动机通过改变相间绕组联结结构(丫形、△形或延边三角形)、极间绕组联结结构(串联和并联支路)和极内绕组联结结构(串联和并联支路)，以便适应中低压(380—1140V)通过变频器输出电压等级的要求，该方案还需要一台非标准的降压变压器将原6—10kV的电源电压变成与变频器相匹配的电压等级。对于原有设备的技术改造项目来说，该变压器的安装位置选择也要受到原有条件的限制。

与上述几种变频调速方案比较，斩波内馈型功率调速方案是直接控制电动机转子的电磁转差功率，虽然控制电流中含有一定分量的谐波，但是由于最大控制功率仅为电动机额定功率的15％左右以及电力传输中充分地利用了旋转变压器的电磁隔离机理，有效地抑制了谐波的影响和降低了控制装置的电压等级。因此，该方案不仅使电动机传动系统效率大为提高，而且由于控制装置电压等级降低，使其运行可靠性大为提高。目前，该方案的6～10kV YQT型内馈凋速电动机虽然参照JR系列和YR系列高压中型绕线转子异步电动机的标准型谱设计和制造，其功率、外形尺寸和安装尺寸与JR系列和YR系列高压电动机完全一致，但是仍然属于非标准产品，而且转子上安装的集电环和电刷是磨损件，有一定的维修工作量，因此在原有高压电动机系统工程上进行节能改造时，可考虑采用此方案。

总之，异步电动机调速性能可从调速范围、平滑性、稳定性、调速前后电动机的效率、功率因数和过载能力等性能指标及调速糸统的投资成本和可靠性来衡量。笼型异步电动机本身调速比较困难，在需要调速时一般还需配置专门的调速装置。每种调速方案都各有自己的特点，用户可根据具体情况选用适用的方案。

参考文献：

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[2]刘克湘,刘利明.浅析火电厂继电保护.中国高新技术企业，2011年第13期

[3]薛玉林.沙湾电站发电机继电保护系统配置方案研究.机电信息，2010年第6期