高压变频器在大功率电机节能改造中的应用分析张习文

高压变频器在大功率电机节能改造中的应用分析张习文

张习文

（吉林石油集团吉松质量技术检测有限责任公司138000）

摘要：企业的经济效益是市场经济的最终落脚点，而企业的耗电量随着规模的扩大而增加，所以能耗的支出越来越成为企业高成本的重要因素。这其中大功率电机是产生电力的能源传送构件。本文的观点是使用高压变频器对大功率电机进行改造，从而使其在较优的环境下运行，能够有效提高单位电能生产效率，并实现大功率电机在节能基础上的安全稳定运行。

关键词：高压变频器；大功率电机；节能改造；应用

1节能措施的国内外现状

国外普遍采取的是能量回馈技术，主要是应用高压变频器对大功率电机设备进行调速控制，利用能量转移回原始设备的功率消耗的反馈分量部分，从而达成降低能源损耗的整体效果。德国西门子公司研制的高压电机的四象限运行电压型交流变频技术已经非常成熟，非常普遍。日本富士公司推出的FRENIC、RHR系列再生能量装置，也是十分有效、十分成熟的大功率电机改造的成品。但是国外的高压变频装置总的说来价格偏高、对电网的专业要求也很高，不太适合中国工农业共同发展的现阶段基本国情。我国的技术已经能够支撑高压变频装置的研发，技术上也较为成熟。高压变频器作为一种高效节约性产品，也已经被普遍地使用在中国的各行各业。将变频技术引入到中国工农业的大功率电机设备的节能改造中，能在很大程度上节约电能，提高生产效率，减少单位产品的能量使用成本。高压变频器的应用，为各行业的发展做出了巨大的贡献，也为整个社会带来良好的经济效益。

2高压变频器的工作原理和优势

2.1高压变频工作原理

高压变频器均采用了多重化技术，即电源每相由多个低压PWM功率单元直接串接组成，采用高压功率器件直接串联或二极管箝位组成中性点箝位电路，构成多电平电压型高压变频器，直接输出3kV、6kV、10kV电压，属于高－高式直接变频器，其基本原理如图1所示。

图1多重化变频器拓扑图

图1为多重化的变频器拓扑图，它由几个PWM变频单元串联，实现高压输出。此设备并不依赖输入和输出变压器，所以内部能量损耗相应减少，并且随着材料器件的集成化趋势进一步发展，设备的占地也将越来越小。这种高压变频器具有体积小、效率高、能耗低的优势。

2.2节能原理

随着企业的进一步发展，大功率电机也越来越普及，传统低功率电机在工作时的恒定动力消耗了较大的电能，造成了极大的成本浪费。高压变频调速技术使大功率电机根据负载的增减情况不断地调节原动力，使得输入和输出电能平衡，有效地降低了电能损耗。功率、转矩、转速存在着关系：P=MV，降低大功率电机的原理就是这个式子的具体应用。当电机的负载发生变化时，应用高压变频调速技术，在电机的负载发生变化时就及时通过高压变频器的电机频率调节机制，使得电机转速发生改变来保持输入、输出电能的同步并最终平衡，达到大功率电机节能的目的。

2.3变频调速的优势

三相异步电机主要有3个运行区域：（1）最佳运行区，电机平均负载率高于70%；（2）普通运行区，电机平均负载率介于40%～70%之间；（3）不经济运行区，电机平均负载率低于40%。根据相关能耗规范，大功率电机的平均负载率应不低于70%，所以应当对电机进行改造。高压变频器调频是根据电机负载情况，不断改变输入电压的频率，以达到电能输入、输出平衡，从而保证电机在最佳状态下工作。对电机进行调频，能够保证其在各种电压下都高效运行，这样不仅增强了大功率电机的自我调节能力，从而避免电机遭受过流冲击，也达到了降低单位能源损耗、提高电能利用率的目标。

3高压变频器的实际应用

3.1在大型工业生产上的应用

随着科学技术的发展，高压变频器技术已经越来越成熟。高压变频器的变频装置已经具备超高的预测能力和智能分析能力，对于高压水泵、高压风机等这类对于负载随着时间变化反应较为灵敏的设备来说，它具有十分明显的节能的作用，并还能通过特殊装置起到一定的保护电机的作用。为此，该文对某大型锅炉风机进行的节能改造并对改造前后的能量损耗作出对比，研究高压变频器在大功率电机中的实际应用。以锅炉风机这种相对大功率电机为例进行分析，经调查可知，它在变频前的运行功率大约是1880kW，变频改造之后的功率是1400kW，从得到的数据可以分析，正常情况下它的单位年内的工作天数是300天，单位天内的工作时间是20小时，假设一度电是0.7元，那么变频后的节约电量：

△Q＝P1T1-P2T2＝300×20×1880－300×20×1400＝2880000kW•h；

W＝△Q*0.7＝2016000＝201.6万元；

经过以上的粗略估算，对这台2000kW的电机节能改造后，这家企业每年能节约的费用多达200百万余元。可以想象，对该锅炉厂全部大功率电机都应用高压变频器实行节能改造，那么节约的成本不可估量，高压变频器的应用有效降低了企业在生产上不必要的电能消耗耗，极大地缩小企业成本。此外，大功率电机经过改造后，在很大程度上保证了设备运行的安全性，减轻了噪声污染，延长了电机的使用寿命，减少了维护费用，同时也避免了意外停机带来的损失，环境，提高了企业自动化控制水平，降低了劳动者的工作强度，在创造了良好经济效益和社会效益的同时，也促进了企业市场竞争力的提高。

3.2在电力系统晃电故障中的应用

电力系统在运行过程中，由于雷击、对地短路、故障重合闸、企业的电网故障、大型设备启动等原因，造成电网故障，导致电网电压瞬间增高呈不稳定状态或者造成瞬时断电，但又能很快恢复正常的情况，称为“晃电”。高压变频器在晃电故障中也有很大的作用。通过对变频器的参数调整、增加变频器的直流电源支撑系统及电气控制回路电源改接UPS电源等措施，能有效保证变频器在电网晃电时稳定运行。此外还可以将高压变频器主电路中的直流母线回路引出，并连接到直流支撑装置的直流输出接触器上，在电力系统出现晃电故障时，依靠直流支撑装置蓄电池提供的稳定电流提供给高压变频器，使大功率电机转速不波动或变频器欠电压保护不动作，达到大功率电机不跳停的目的，确保电机在电网“晃电”时的稳定运行。

4结束语

利用高压变频器通过变工况对大功率电机进行调速节能改造，既可有效降低企业的单位能量消耗，减少企业经济成本，也可降低电机的运行、维护及采购成本。目前，大功率电机的节能改造有着广阔的前景和发展潜力，高压变频器在大功率电机节能改造中的应用会越来越受到重视，并在实践中发挥作用。

参考文献：

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[2]徐甫荣.国电四维超大功率高压变频器在高炉鼓风机应用成功[J].变频器世界，2013（4）：7378.

[3]张利军，孙瑞平.超大功率高压变频器的应用研究[J].机械制造与自动化，2011（2）：156-158.

作者简介：

张习文（1966.10.11），性别：男，籍贯：吉林省松原市，民族：汉；学历：大学专科，职称：工程师；职务：节能监测站副站长；研究方向：节能环保；单位：吉林石油集团吉松质量技术检测有限责任公司节能监测站