摘要：指出了發電廠風機水泵調速運行的必要性和巨大的節能潛力；討論了各種調速方式的優缺點，并作出了詳細的技術經濟分析。
關鍵詞：風機；水泵；液力耦合器；變頻調速；串級調速；無刷雙饋電機
Techno economics Analysis of Energy Saving for
Adjusting Speed of Blower and Water Pump in Power Plant
XU Fu-rong
Abstract:This paper introduces the necessity of adjusting speed saving energy of blower and water pump in the power plant and the large latent capacity of saving energy; It also introduces the advantages and disadvantages of various bbbbbbs for adjusting speed and make a detail techno-economics analysis.
Keywords:Blower; Water pump;Fluid coupler;Variable frequeney adjusting speed;Cascade adjusting speed;Brushless double fed machine
4 風機水泵的高效調速節能方案
由電機學原理可知，交流電動機的同步轉速n0與電源頻率f1、磁極對數P之間的關系式為：
n0=60f1/P(r/min)
異步電動機的轉差率s的定義式為：
s=(n0－n)/n0=1－n/n0
則可得異步電動機的轉速表達式為：
n=n0(1－s)=(1－s)60f1/P
可見，要調節異步電動機的轉速，可以通過下述三個途徑實現：
——改變定子繞組的磁極對數P（變極調速）；
——改變供電電源的頻率f1（變頻調速）；
——改變異步電動機的轉差率s調速。
改變定子繞組磁極對數調速的方法稱為變極調速；改變電源頻率調速的方法稱為變頻調速，都是高效調速方法。而改變異步電動機轉差率的調速方法則稱為能耗轉差調速（串級調速除外），它是一種低效的調速方法，因為調速過程中產生的轉差功率都變成熱量消耗掉了，上一章提到的繞線式電機轉子串電阻調速和定子調壓調速就屬于這種調速方式。
4．1 變極調速
改變電動機定子的極對數，可使異步電動機的同步轉速n0=60f1/P改變，從而改變異步電動機的轉速n。大中型異步電動機采用變極調速時，一般采用雙速電動機。變極調速通常只用于鼠籠式異步電動機，而不用于繞線式異步電動機。這是因為鼠籠型電動機轉子的極對數是隨著定子的極對數而變的，所以變極調速時只要改變定子繞組的極對數就行了，而繞線式電動機變極時必須同時改變定子繞組和轉子繞組的極對數，這就使得變極復雜多了。
用于風機水泵調速節能的雙速電機一般不采用4／2、8／4等倍極比的雙速電機，而采用6／4、8／6、10／8極的雙速電機，這與風機水泵的調速范圍一般不需要很大有關。另外，對于非倍極比的雙速電動機在極數比較小時（如8／6、10／8、12／10極等），由不同的繞組接線方式，分別近似為平方轉矩型、恒轉矩型和恒功率型三種特性的雙速電機。由于葉片式泵與風機在管路靜揚程或靜壓為零的情況下，近似為平方轉矩負載，所以應選用平方轉矩型特性的雙速電機，以便在高速及低速運行時都有較高的效率與功率因數，具有更為顯著的節能效果。
雙速電機的優點是調速效率高，可靠性高，投資省。其缺點是有級調速，不能在整個調速范圍內保證高效運行，有時還要配合節流調節手段調節流量，增加了部分節流損耗。雙速電動機在變速時電力必須瞬間中斷，對電動機及電網都有沖擊作用；高壓電動機若需經常進行變速切換時，其切換裝置的安全可靠性尚需進一步完善和提高。
4.2 變頻調速
由上述可知，通過改變電動機供電電源頻率的方法而達到調節電動機轉速的調速方式稱為變頻調速。變頻調速用的變頻器是由可關斷的功率器件如：GTO、GTR、IGBT、IGCT等，再加上控制、驅動、保護電路等組成的。變頻器的種類按變流和控制方式可分為電流型變頻器、電壓型變頻器、PWM變頻器、空間電壓矢量控制變頻器和直接轉矩控制變頻器等，按主電路結構形式又可分為多重化變頻器及多電平變頻器等。
由于發電廠風機水泵的電動機功率都很大，一般采用3kV、6kV供電，所以必須采用高壓變頻器進行調速運行。與低壓變頻器不同，目前高壓變頻器尚無成熟的、一致性的拓撲結構，限于目前有限電壓耐量的功率器件，又要面對高壓使用條件，而國內外各變頻器生產廠商又各有高招，因此主電路拓撲結構不盡一致，但都較成功地解決了高耐壓、大容量這一難題。如美國羅賓康（ROBICON）公司生產的第三代完美無諧波變頻器；羅克韋爾（AB）公司生產的BULLETIN1557和PowerFlex7000變頻器；瑞典ABB公司生產的ACS1000變頻器；德國西門子公司生產的Simovert變頻器；意大利ANSALDO公司生產的SILCOVERTTH變頻器；以及日本的三菱、富士公司生產的完美無諧波變頻器和國內的凱奇公司、先行公司、利德華福公司和成都佳靈公司生產的高壓變頻器等。歸納起來主要有兩類：一類是采用低耐壓器件的多重化技術；另一類是采用高耐壓器件的多電平技術。
4.2.1 多重化技術
所謂多重化技術就是每相由幾個低壓PWM功率單元串聯組成，各功率單元由一個多繞組的隔離變壓器供電，用高速微處理器實現控制和以光導纖維隔離驅動。多重化技術從根本上解決了一般6脈沖和12脈沖變頻器所產生的諧波問題，可實現完美無諧波變頻。圖12為6kV變頻器的主電路拓撲圖，每相由5個額定電壓為690V的功率單元串聯，因此相電壓為690V×5=3450V，所對應的線電壓為6kV。每個功率單元由輸入隔離變壓器的15個二次繞組分別供電，15個二次繞組分成5組，每組之間存在一個12°的相位差。圖13中以中間△接法為參考（0°），上下方各有兩套分別超前（＋12°、＋24°）和滯后（－12°、－24°）的4組繞組。所需相差角度可通過變壓器的不同聯接組別來實現。
圖12 多重化變頻器拓撲圖
圖13 五功率單元串聯變頻器的電氣連接
圖12中的每個功率單元都是由低壓絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）構成的三相輸入，單相輸出的低壓PWM電壓型逆變器。功率單元電路見圖14。每個功率單元輸出電壓為1、0、－1三種狀態電平，每相5個單元疊加，就可產生11種不同的電平等級，分別為±5、±4、±3、±2、±1和0。圖15為一相合成的正波輸出電壓波形。用這種多重化技術構成的高壓變頻器，也稱為單元串聯多電平PWM電壓型變頻器。采用功率單元串聯，而不是用傳統的器件串聯來實現高壓輸出，所以不存在器件均壓的問題。每個功率單元承受全部的輸出電流，但僅承受1/5的輸出相電壓和1/15的輸出功率。變頻器由于采用多重化PWM技術，由5對依次相移12°的三角載波對基波電壓進行調制。對A相基波調制所得的5個信號，分別控制5個功率單元A1～A5，經疊加可得圖15所示的具有11級階梯電平的相電壓波形，它相當于30脈波變頻，理論上19次以下的諧波都可以抵消，總的電壓和電流失真率可分別低于1.2％和0.8％，堪稱完美無諧波（Harmony）變頻器。它的輸入功率因數可達0.95以上，不必設置輸入濾波器和功率因數補償裝置。變頻器同一相的功率單元輸出相同的基波電壓，串聯各單元之間的載波錯開一定的相位，每個功率單元的IGBT開關頻率若為600Hz，則當5個功率單元串聯時，等效的輸出相電壓開關頻率為6kHz。功率單元采用低的開關頻率可以降低開關損耗，而高的等效輸出開關頻率和多電平可以大大改善輸出波形。波形的改善除減小輸出諧波外，還可以降低噪聲、du/dt值和電機的轉矩脈動。所以這種變頻器對電機無特殊要求，可用于普通的籠型電機，且不必降額使用，對輸出電纜長度也無特殊限制。由于功率單元有足夠的濾波電容，變頻器可承受－30％電源電壓下降和5個周期的電源喪失。這種主電路拓撲結構雖然使器件數量增加，但由于IGBT驅動功率很低，且不必采用均壓電路、吸收電路和輸出濾波器，可使變頻器的效率高達96％以上。
圖14 功率單元電路
圖15 五功率單元串聯輸出電壓波形
4.2.2 多電平技術
我國標準規定中壓電壓等級為6kV和10kV，若直接變頻，即使用4.5kV～6kV耐壓的功率器件，仍需串聯使用，使器件數量增加，電路復雜，成本加大，可靠性大為降低。為了避免功率器件的串、并聯使用，世界上很多公司致力于開發高耐壓、低損耗、高速度的功率器件。如西門子公司研制的HV－IGBT耐壓可達4.5kV，ABB公司研制的新型功率器件——集成門極換流晶閘管（IGCT），耐壓可達6kV，并在致力于研制耐壓9kV的IGCT器件。在研制高耐壓器件的同時，對變頻器的主電路拓撲的研究也有所突破，典型的例子——多電平技術就是使用有限耐壓的功率器件，直接應用于6kV電壓的主電路拓撲技術。圖16是ABB公司ACS1000型12脈波輸入三電平高壓變頻器的主電路結構圖。
整流部分采用12脈波二極管整流器，逆變部分采用三電平PWM逆變器。由圖16可以看出，該系列變頻器采用傳統的電壓型變頻器結構，通過采用高耐壓的IGCT功率器件，使得器件總數減少為12個。隨著器件數量的減少，成本降低，電路結構簡潔，從而使體積縮小，可靠性更高。
圖16 三電平IGCT變頻器主電路結構圖
若采用6kV耐壓的IGCT，變頻器輸出電壓可達4.16kV，采用5.5kV耐壓的IGCT，變頻器輸出電壓可達35kV，將Y型接法的6kV中壓電動機改為△接法，剛好適用此電壓等級，同時也滿足了IGCT電壓型變頻器對電機的絕緣等級提高一級的要求，因此這個方案可能是最經濟合理的。若要輸出6kV電壓，還必須進行器件串聯。由于變頻器的整流部分是非線性的，產生的高次諧波將對電網造成污染。為此，圖16所示的ACS1000系列變頻器的12脈波整流接線圖中，將兩組三相橋式整流電路串聯起來，整流變壓器初級繞組接成三角形，次級繞組一組接成三角形，另一組接成星形，兩個次級繞組的線電壓相同，但相位則相差30°，這樣5次、7次諧波在變壓器的初級將會有180°的相移，因而能夠互相抵消，同樣的17、19次諧波也會互相抵消。這樣經過2個整流橋的串聯疊加后，即可得到12脈波的整流輸出波形，比6脈波更平滑，并且每個整流橋的二級管耐壓可降低一半。采用12相整流電路減少了特征諧波含量，由于N=KP±1(P為整流相數、K為自然數、N為特征諧波次數)。所以網側特征諧波只有11、13、23、25次等。如果采用24脈波整流電路，網側諧波將更進一步被抑制。兩種方案均可使輸入功率因數在全功率范圍內保證在0.95以上，不需要功率因數補償電容器。
變頻器的逆變部分采用傳統的三電平方式，所以輸出波形中不可避免地產生比較大的諧波分量，這是三電平逆變方式所固有的。輸出線電壓波形見圖17。因此在變頻器的輸出側必須配置輸出濾波器才能用于普通的籠型電動機。同樣由于諧波的原因，電動機的功率因數和效率都會受到一定的影響，只有在額定工況點才能達到最佳的工作狀態，隨著轉速的降低，功率因數和效率都會相應降低。
圖17 三電平PWM變頻器輸出線電壓波形圖
4.2.3 兩種類型變頻器的性能比較
現對多重化變頻器（CSML）和三電平(中性點鉗位)變頻器（NPC）進行性能比較，兩種高壓變頻器各有優缺點，分別體現在以下各方面：
1）器件數量
以6kV輸出電壓等級的變頻器為例，采用NPC方式，逆變器部分需36個耐壓為33kV的高壓IGBT，或者采用24個耐壓為5kV的IGCT。采用CSML方式，需要15個功率單元，共計60個耐壓為1.7kV的低壓IGBT。從器件的數量上看，CSML方式要多于NPC方式，但CSML方式采用的是低壓IGBT，相對于高壓功率器件而言，低壓器件的技術更加成熟、可靠，成本也較低。
2）均壓問題
均壓問題（包括靜態均壓和動態均壓）是影響高壓變頻器可靠性的重要因素，采用NPC方式，當輸出電壓等級較高（如6kV）時，單用12個器件不能滿足耐壓要求，必須采用器件直接串聯，器件直接串聯必然帶來均壓問題，失去三電平結構在均壓方面的優勢，大大影響系統的可靠性。采用CSML方式，不存在均壓問題，唯一存在的問題是當變頻器處于快速制動時，電動機處于發電制動狀態，機械能轉化為電能，導致單元內直流母線電壓上升，各單元的直流母線電壓上升程度可能存在差異，但這個問題很容易解決，通過檢測功率單元直流母線電壓，當任何單元的直流母線電壓超過某一閾值時，自動延長減速時間，以防止直流母線電壓“泵升”，即所謂的過電壓失速防止功能，這種技術在低壓變頻器中被廣泛采用，非常成功。
3）對電網的諧波污染和功率因數
由于CSML方式輸入整流電路的脈波數超過NPC方式，前者在輸入諧波方面的優勢是明顯的，因此在綜合功率因數方面也有一定的優勢。
4）輸入波形
NPC方式輸出相電壓是三電平，線電壓是五電平。而6kV等級的CSML方式輸出相電壓為11電平，線電壓為21電平。而且，后者的等效開關頻率（6kHz）大大高于前者，所以后者在輸出波形質量方面優勢也是明顯的。
5）du/dt
NPC方式的輸出電壓跳變臺階為高壓直流母線電壓的一半，對于6kV輸出變頻器而言，為4kV左右，CSML方式輸出電壓跳變臺階為單元的直流母線電壓，不會超過1kV，所以二者在輸出du/dt方面的差距也是明顯的。
6）系統效率
就變壓器與逆變電路而言，NPC方式和CSML方式的效率非常接近，但考慮到輸出波形質量的差異，若采用普通電機，前者必須設置輸出濾波器，后者不必。而濾波器的存在大約會影響效率0.5％左右。若采用特殊變頻電機，兩種變頻器的效率基本接近，但由于輸出波形方面的優勢，采用CSML方式時，電機運行效率相對較高。但由于IGBT導通壓降大，器件效率較低，而IGCT損耗較小，器件效率較高。
7）四象限運行
NPC方式當輸入采用對稱的PWM整流電路時，可以實現四象限運行，可用于軋機、卷揚機等設備；而CSML方式則無法實現四象限運行，只能用于風機、水泵類負載。
8）冗余設計
NPC方式的冗余設計很難實現。而CSML方式可以方便地采用功率單元旁路技術和冗余功率單元設計方案，大大地有利于提高系統的可靠性。
9）可維護性
除了可靠性以外，可維護性也是衡量高壓變頻器優劣的一個重要因素，CSML方式采用模塊化設計，更換功率單元時只要拆除3個交流輸入端子和兩個交流輸出端子，以及一個光纖插頭，就可抽出整個單元，十分方便。而NPC方式就不那么方便了。
綜上所述，三電平電壓型變頻器結構簡單，且可做成四象限運行的變頻器，應用范圍較寬。如電壓等級較高時，采用器件直接串聯，帶來均壓問題，且存在輸出諧波和dv/dt等問題，一般要設置輸出濾波器。在電網對諧波失真要求較高時，還要設置輸入濾波器。多重化PWM電壓型變頻器不存在均壓問題，且在輸入諧波輸出諧波及dv/dt等方面有明顯的優勢，但只能二象限運行。
從負載類型而言，對于風機、水泵等一般不要求四象限運行的設備，CSML變頻器有較大的應用前景；對軋機、卷揚機等要求四象限運行的設備而言，適合采用NPC型變頻器。從電壓等級來看，在目前的電力電子功率器件的耐壓水平下，考慮到器件串聯帶來的均壓問題，6kV以上電壓等級（含6kV），宜優先考慮CSML方式。
4.2.4 變頻調速系統的主要優缺點
主要優點是：
1）調速效率高變頻調速的特點是在頻率變化后，電動機仍在該頻率的同步轉速附近運行，基本上保持額定轉差率，轉差損失不增加。變頻調速時的損失，只是在變頻裝置中產生的變流損失，以及由于高次諧波的影響，使電動機的損耗有所增加，相應效率有所下降。綜上所述，變頻調速是一種高效調速方式。圖18為采用典型的電流型變頻器、PWM型變頻器及電壓型變頻器時變頻器效率ηV、電動機及調速裝置綜合效率ηZ及電源功率因數cosφ特性指標的實測值示例。
圖18 變頻調速電動機的特性指標（實測）
(a) 電流型變頻器 (b) PWM型變頻器 (c) 電壓型變頻器
2）調速范圍寬一般可達10∶1（50～5Hz）或20∶1（50～2.5Hz）。并在整個調速范圍內均具有較高的調速裝置效率ηV。所以變頻調速方式適用于調速范圍寬，且經常處于低轉速狀態下運行的負載。
3）必要時，變頻裝置可以退出運行，改由電網直接供電。這對于泵或風機的安全經濟運行是很有利的。如萬一變頻裝置發生故障，就退出運行，不影響泵與風機的繼續運行；又如在接近額定頻率（50Hz）范圍工作時，由變頻裝置調速的經濟性并不高，變頻裝置可退出運行，由電網直接供電，改用節流等常規的調節方式。
4）變頻裝置可以兼作軟起動設備，即通過變頻裝置將電動機起動到某一轉速，再由工頻電源切換變頻裝置，把電動機加速到全速。
變頻調速主要缺點是：
1）目前，變頻調速技術在高壓大容量傳動推廣應用中存在的主要問題有兩個：一個是我國發電廠輔機電動機供電電壓高（3～10kV），而功率開關器件耐壓水平不夠，造成電壓匹配上的問題；二是高壓大功率變頻調速裝置技術含量高、難度大，因而投入也高，而一般風機水泵節能改造都要求低投入，高回報，從而造成經濟效益上的問題。這兩個問題是它應用于風機水泵調速節能的主要障礙。
2）電流型變頻器輸出電流的波形和電壓型變頻器輸出電壓的波形均為非正弦波形，從而產生的高次諧波，對電動機和供電電源會產生種種不良影響：如使電動機附加損耗增加、溫升增高，從而使電動機的效率和功率因數下降，出力受到限制，噪聲增大以及對無線電通信干擾增大等；同時，高次諧波會引起電動機轉矩產生脈動，其脈動頻率為6kf(k=1，2，3…)，當轉矩脈動頻率較低并接近裝置系統的固有頻率時，可能產生共振現象。因此，裝置系統必須注意避免在共振點附近運行。如采用PWM變頻器或采用多重化技術的電流型和電壓型變頻器，其輸出波形大為改善，高次諧波大大減少，使這個問題可以得到大大的改善。
4.2.5 火電廠輔機電動機全功率變頻調速節能方案
我國標準中壓電壓等級為6kV和10kV，火電廠中壓輔機電動機以6kV居多，少數小容量機組有3.3kV電壓等級。除電動給水泵以外，大量的風機和水泵電動機的容量都在500～2000kW以下，額定電流僅100～200A左右或更小，若采用高壓變頻器，器件的電流利用率很低，出現“大馬拉小車”的現象，投資偏高，不合理。建議開發1.7kV、2.2kV、3.3kV、4.16kV等級的中壓電動機，簡化變頻器、降低造價、提高可靠性。由此在變頻器前需加一臺網側降壓變壓器將6kV電壓降為所需的電壓等級，雖然增加了投資，但可形成多脈波整流，對減輕網側諧波污染有利。
1）高—低—低方案
當電機的功率在800kW以下時，最好的方案是選用新的低壓電機（如國產380V，660V電機）取代原有的高壓電機，經輸入降壓變壓器降壓后，用低壓變頻器直接驅動電機調速。此方案性能優越，低壓變頻器技術成熟，不含高壓器件，維護使用方便，變頻器選擇余地很大，投資最低。
2）高—低—高方案
當電機的功率在800～1500kW，用輸入變壓器將6kV高壓降為600V（或460V），用低壓電流型變頻器變頻后再用一臺升壓變壓器升壓至6kV，驅動電機調速。此種方案價格比較合理，調速平穩，使用可靠。缺點是增加了輸出升壓變壓器，而升壓變壓器是一臺變頻變壓器，與試制變頻電機一樣，須研究整個調頻范圍內的各種技術參數的變化問題。另外由于變頻器的輸出不是正弦波，所以存在諧波問題、直流分量問題，總之存在一連串的技術問題，不是可以輕易解決的。并且系統設備增加，不僅效率降低，成本增加，占地面積也大。一臺升壓變壓器與一臺同容量的電機價格差不多，而且變頻器容量還要大一些。因此不如更換一臺電壓匹配的電機更為合算。
3）高—中—中方案
對于電機功率在1000～2500kW，如果將6kV高壓電機改為1.7kV、2.2kV、3.3kV或4.16kV的中壓電機，（如果是6極以上的高壓電機還可以簡單地將繞組由串聯改為并聯，花很少的費用把原來的電機改為中壓電機，而且對舊電機的絕緣有利），就可使用高耐壓的功率器件如45kV的IGBT或55kV的IGCT，不串不并用6只或采用三電平技術用12只組成變頻器，成本低，可靠性高，也提高了系統的效率。也可選用采用多重化技術的單元串聯式變頻器，但其在3kV電壓下，輸出波形上已無優勢。
4）高—高方案
若功率在3000kW以上，且電壓在6kV或更高時，則首選方案應是采用多重化技術的單元串聯式高壓變頻器。但只適用于象風機、水泵類不需要四象限運行的負載，若需四象限運行，如軋機、卷揚機設備等，則應考慮可四象限運行的變頻器方案。該方案除使成本成倍增加外，而且電機的絕緣問題也總是讓人放心不下，因為電壓型變頻器有對電機絕緣提高一級的要求，不考慮這個問題有可能會出事，因為現役電機大多存在不同程度的絕緣老化問題。
：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
