【正文】 ．２主流變頻器的性能比較１．高壓變頻器的類型高壓變頻器根據(jù)其高壓組成方式可分為直接高壓型和高．低．高型。在交．直．交變頻器中，按中間直流濾波環(huán)節(jié)的不同又可分為電壓源型和電流源型。電流源型變頻器是在電壓源型變頻器之前發(fā)展起來的早期拓撲，它在逆變器直流供電側(cè)串聯(lián)大電感，能抑制短路等故障時電流的上升率，故電流源型變頻器的過流和短路保護容易實現(xiàn)；電壓源型變頻器在直流供電輸人端并聯(lián)有大電容，一般電壓源型變頻器的過流和短路保護實現(xiàn)起來則較為困難，只有二電平電壓源型變頻器設(shè)有直流電感，可抑制ｄｉ／ｄｔ的上升速率，易實現(xiàn)過流保護和短路保護。圖２＿４是功率器件串聯(lián)二電平電流源型變頻器結(jié)構(gòu)示意圖，采用大電感作為中間直流濾波環(huán)節(jié)，整流電路采用晶閘管（ｓｃＲ）作為功率器件，根據(jù)電流電壓的不同，每一個橋臂需由ＳＣＲ串聯(lián)，而逆變器采用ＳＣＲ或ＧＴＯ、ＳＧＣＴ等功率器件串聯(lián)。但由于是電流源型，其輸入側(cè)功率因數(shù)較低，對母線電壓的適應(yīng)能力差（如電壓驟降、周波缺失）；另外，其輸出側(cè)電壓電流波形不如單元串聯(lián)多電平變頻器好，對網(wǎng)側(cè)諧波的影響也較單元串聯(lián)多電平ＰＷＭ電壓源型逆變器大。三電平高壓變頻器又稱“中性點鉗位式”高壓變頻器，是近幾年才開發(fā)和推出的一種高壓變頻器，高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)采用中性點鉗位三電平技術(shù)。整流電路一般采用二極管，鉗位采用高壓快恢復(fù)二極管，逆變部分功率器件采用ＧＴＯ、ＩＧＢＴ或ＩＧＣＴ。當(dāng)變頻器故障時，又改回去，工頻運行。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是器件少，具有電壓源型調(diào)速范圍寬、動態(tài)響應(yīng)速度快、功率因數(shù)高等優(yōu)點，但是有如下缺點：需有ｙ／Ａ變換裝置，才能實現(xiàn)工頻／變頻切換。但在進行了Ｙ／△改接后，電機的電壓與電網(wǎng)的電壓不一致，無法實現(xiàn)旁路功能，當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時，為了保證生產(chǎn)的正常進行，必須首先將電機改回Ｙ型接法，再投入６ｋＶ電網(wǎng)。由于三電平變頻器低速區(qū)變頻器的波形極差，基本上不能滿足工況的要求，因此，在變頻器的輸出側(cè)必須配置ＬＣ濾波器才能用于普通的鼠籠型電機。輸出電壓諧波１１次、１３次諧波達到２０％以上，會引起電動機諧波無功發(fā)熱、轉(zhuǎn)矩脈動，這對電纜和電動機都是致命的影響。４．多單元串聯(lián)電壓源型變頻器采用這種技術(shù)的有ＲＯＢＩＮＣＯＮ的Ｐｅｒｆｅｃｔ Ｈａｒｍｏｎｙ系列、利德華福的ＨＡＲＶＥＳＴ系列、ＴＯＳＨＩＢＡ、廣東金智、東方日立等。各功率單元由一個曲折多繞組的移相主變壓器降壓供電。３ｋＶ有１２個功率單元，每４個功率單元串聯(lián)構(gòu)成一相。１０ｋＶ系列有２１個功率單元，每７個功率單元串聯(lián)構(gòu)成一相。變壓器輸出為外部星形的延邊三角形接法。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個二次繞組分成五組，每組之間存在一個１２。以中間△接法為參考（ｏ。、＋２４。、－２４。所需相差角度可通過變壓器的不同聯(lián)接組別來實現(xiàn)。其特點是由低壓的功率器件所組成的功率單元相串聯(lián)，從而實現(xiàn)高壓的輸出。若考慮變頻器故障后的工頻運行，可增設(shè)一個簡單切換裝置，可方便地通過倒切開關(guān)，切換到工頻運行；由于單元串聯(lián)多電平變頻器采用了必要的移相變壓器，實現(xiàn)多組整流，間接地獲得了輸入端的低諧波含量指標(biāo)；最為難得的是單元串聯(lián)多電平變頻器可適用于普通電機及舊電機，且不必降額使用，缺點是需制造復(fù)雜而昂貴的移相變壓器，存在一定損耗。功率較大（一般指超過２００Ｋｗ）的電動機基本上都采用高壓電動機，這些電動機的能耗是電廠用電的主要部分，高壓變頻指的就是這些電動機的變頻調(diào)速。目前國內(nèi)６ＫＶ高壓電動機采用的變頻調(diào)速方案主要有如下兩種：１．高．低．高變頻調(diào)速系統(tǒng)此種調(diào)速控制方案是將高壓通過降壓變壓器，使變頻器的輸入電壓降低，這樣可以采用一般的交流變頻器，然后，將變頻器的輸出電壓通過升壓變壓器再提高到６ＫＶ，以滿足高壓交流電動機的電壓要求。高．低．高變頻調(diào)速系統(tǒng)普遍采用可控硅整流逆變電路，從７０年代問世以來，逐步走向成熟，也有很多應(yīng)用成功的例子，但此種系統(tǒng)存在著較多的問題：（１）高．低．高變頻調(diào)速系統(tǒng)需要用升壓和降壓兩個變壓器，以實現(xiàn)６ＫＶ電壓直接輸出，從而降低了效率，會增加損耗，并且降壓變壓器和升壓變壓器不能互換，升壓變壓器需要特制，以減弱高次諧波的影響。由于送風(fēng)機經(jīng)常工作在低轉(zhuǎn)速狀態(tài)，可控硅的導(dǎo)通角較小，使系統(tǒng)的功率因數(shù)很小，系統(tǒng)需要消耗大量的無功功率，導(dǎo)致６ＫＶ母線電壓下降，影響６ＫＶ母線電壓質(zhì)量；同時可控硅整流在送風(fēng)機低速范圍運行時，導(dǎo)通角很小，波形畸變大，逆變部分大多采用６脈沖或１２脈沖，輸出波形失真，有大量高次諧波存在，使輸出波形不是正弦波，為解決諧波的影響，需要加裝濾波器，增加投資。（４）高．低．高變頻控制系統(tǒng)需要兩臺變壓器，變壓器需要裝設(shè)相應(yīng)的保護，成本也會有所上升，另外，使用高．低．高變頻系統(tǒng)占地面積較大。直接高壓變頻系統(tǒng)，簡稱高．高變頻調(diào)速系統(tǒng)，它是九十年代末針對高．低．高變頻調(diào)速系統(tǒng)缺陷研制成功的新一代變頻調(diào)速系統(tǒng)。該調(diào)速系統(tǒng)一般使用一臺變壓器與電網(wǎng)隔離，變頻器輸出直接到電機，由于采用了橋式整流電路，在整個調(diào)速系統(tǒng)中功率因數(shù)較高，不需要裝設(shè)無功補償裝置，又因為高．高變頻調(diào)速系統(tǒng)采用多重化脈寬控制，通過模塊輸出串聯(lián)疊加消除高次諧波的影響。高．高變頻調(diào)速系統(tǒng)改善了系統(tǒng)的動態(tài)特性，變頻器中逆變器的輸出頻率和電壓，都在逆變器內(nèi)控制和調(diào)節(jié)，因此調(diào)節(jié)速度快，調(diào)節(jié)過程中頻率和電壓的配合好，系統(tǒng)的動態(tài)性能好。變頻器的逆變器輸出電壓和電流波形接近正弦波，從而解決了由于以矩形波供電引起的轉(zhuǎn)矩降低問題，改善了電動機的運行性能，高．高變頻調(diào)速系統(tǒng)適用于常規(guī)電機和電纜的絕緣要求，現(xiàn)有的電機和電纜可以繼續(xù)使用。但這種系統(tǒng)最大特點是：價格比較低廉，并且產(chǎn)品的挑選余地比較大。高．高變頻系統(tǒng)在整個調(diào)速范圍內(nèi)效率穩(wěn)定在９５－９７％之間，而高低．高變頻系統(tǒng)在整個誦速范圍內(nèi)在８１－－９３％之間變化，高低高變頻系統(tǒng)可以采用不使用變壓器的方案，則滿負荷運行時，又可節(jié)約３％左右的能量（變壓器的損耗隨負荷變化不大）。因此，本文是針對高．高變頻調(diào)速方案展開的。一般來說，每種變頻器都有以下幾種保護功能：過流保護、欠壓保護、過壓保護和過載保護?？刂齐娐贰Ⅱ?qū)動回路誤動作或誤配線，都會造成逆變器上、下橋臂直通等短路事故。短路電流的整定值一般設(shè)置為逆變器輸出額定電流的２００％～３００％。當(dāng)逆變器發(fā)生內(nèi)部短路時，電流變化非?？欤仨毧焖贆z測出過流信號。２．欠壓保護欠壓產(chǎn)生的原因主要有：①輸入交流電壓長期低于標(biāo)準(zhǔn)值的９０％以下，或發(fā)生缺相斷相；②電容不足或電容損壞。另外，當(dāng)逆變器直流側(cè)大電容兩端出現(xiàn)欠壓時，也應(yīng)立即關(guān)閉逆變器，否則也會導(dǎo)致ＩＧＢＴ永久損壞。電壓源型變頻器采用大容量的高壓電容器作為整流濾波環(huán)節(jié)。所以，欠壓檢測應(yīng)該采用中問直流采樣，即在大電容兩端采樣。３．過壓保護過電壓產(chǎn)生的原因主要有：①電網(wǎng)輸入電壓長時間過高；②減速太快，引起泵升電壓過高。過壓信號采樣點與欠壓采樣點相同。４．過載保護變頻器的過載保護是指由于電動機過載，逆變器的電流達到逆變器額定輸出電流１５０％以上時，采取相應(yīng)措施對ＩＧＢＴ施加的保護。過載電流越大，允許繼續(xù)運行的時間越短，保護動作的時間也越短。過載信號采用霍爾電流檢測元件檢測，信號數(shù)值取自中間直流母線。由于發(fā)熱時間常數(shù)較長，所以，電動機的所謂短時間過載，一般都在數(shù)分鐘以上：而變頻器所允許的過載能力，通常只有１分鐘（過載１５０％）。２．５變頻系統(tǒng)中的電動機保護分析２．５．１變頻系統(tǒng)中接線方式的比較與選擇高壓變頻系統(tǒng)通常由６ＫＶ電源進線開關(guān)、移相變壓器、高壓變頻器、６ＫＶ輸出接觸器和電動機構(gòu)成，作為一種萬全措施，變頻器在發(fā)電廠應(yīng)用中，還要配備工頻旁路，一旦變頻器出現(xiàn)嚴(yán)重故障或正常情況下例行檢修維護時，通過旁路斷路器，電動機可以直接掛在電網(wǎng)上運行，不影響機組的正常發(fā)電。一種是自動旁路，采用旁路開關(guān)或旁路接觸器結(jié)構(gòu)，工／變頻切換既可以手動進行，又可以自動進行。方式一中變頻器輸入側(cè)、工頻旁路采用真空斷路器小車，變頻器輸出側(cè)采用高壓限流熔斷器＋真空接觸器，旁路控制方式為手／自動旁路；方式二中變頻器輸入腧出側(cè)均采用手動隔離刀閘＋真空接觸器，工頻旁路采用真空接觸器，旁路控制方式為手／自動旁路：方式三中變頻器輸入／輸出側(cè)、工頻旁路均采用手動隔離刀閘，旁路控制方式為手動旁路；方式四中變頻器輸入側(cè)采用手動隔離刀閘．輸出側(cè)及工頻旁路采用手動單刀雙擲隔離刀閘，旁路控制方式為手動旁路。但隔離刀閘另一側(cè)依然帶高壓電，一旦檢修時人員誤碰或誤合閘，以及運行中誤切刀閘，都將會發(fā)生嚴(yán)重的人身設(shè)備損壞事故。若考慮自動旁路方式，如方式一、二，一般采用斷路器或接觸器，方式一采用小車開關(guān)，變頻器檢修時將輸入／輸出側(cè)小車?yán)黾纯僧a(chǎn)生明顯斷開點，還可以方便同時進行開關(guān)檢修工作，另ＱＦｌ、ＱＦ２開關(guān)均具備切斷故障電流的能力。所以方式一、二設(shè)備相對較多，但防誤操作性能較好，便于維護檢修工作。故電機變頻一次系統(tǒng)設(shè)計推薦方式一，其中ＱＦｌ、ＱＦ２為小車真空開關(guān)，ＫＭＩ為小車Ｆ＋Ｃ開關(guān)。 ２．５．２變頻系統(tǒng)的工、變頻切換方式選擇對于電動機變頻起動方式，變頻器輸入的電網(wǎng)電壓經(jīng)歷了整流、逆變后，變頻器輸出電壓的相序、相位與電網(wǎng)電壓已經(jīng)無關(guān)。因此，電動機由變頻切換到工頻時，投入瞬間定子繞組中感應(yīng)電壓的大小、相位將影響到能否平穩(wěn)切換。變頻器常用的輸出切換方式如圖２．１０所示。這種方式最為簡單，只要增設(shè)兩個適當(dāng)容量的斷路器或接觸器即可，切換過程既可以手動也可由ＰＬＣ控制。（２）熱切換：在變頻器運行中進行帶電切換，具體又可以分異步切換和同步切換。當(dāng)電機在變頻器的控制下，轉(zhuǎn)速達到額定值且變頻器輸出電壓的頻率與電網(wǎng)頻率（５０Ｈｚ）一致時，將電機從變頻器驅(qū)動切換到工頻電源驅(qū)動。但是必須防止切換時電網(wǎng)電壓對變頻器功率器件的沖擊，以免造成變頻器跳閘或器件的損壞。這種方式要求系統(tǒng)能夠容許切換時的沖擊和轉(zhuǎn)矩變化，一般只用于小功率低壓變頻系統(tǒng)。如果相位相差較大，會造成對電網(wǎng)和變頻器雙方的沖擊，不僅達不到軟啟動的效果，還會影響電網(wǎng)上其他設(shè)備的正常工作并損壞變頻器。發(fā)電廠中使用的各種電機容量較大，而且許多風(fēng)機、水泵在生產(chǎn)過程中是不允許停機的，一旦發(fā)生故障會造成嚴(yán)重后果，建議在切換時采用同步切換方式，功能時所錄的電動機定子電流波形。下面對此種方式的切換過程做詳細分析。由于進行了同步操作，變頻器的輸出參數(shù)與電網(wǎng)參數(shù)保持一致，在接入電網(wǎng)時對變頻器和電動機都不會有什么影響。為了使變頻器能全身而退，應(yīng)該逐漸減小變頻器的負荷，可以稍微降低變頻器的輸出電壓幅值，然后封鎖變頻器的輸出，再進行切換操作。為了盡量減小切換過程中對變頻器的沖擊作用，在鎖定狀態(tài)變頻器合閘之前，應(yīng)稍稍調(diào)低變頻器輸出電壓的幅值，以免合閘時造成對變頻器過大的沖擊電流。２．５．３工頻方式下電動機的保護配置方案雖然火電廠重要輔機采用高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)能節(jié)能降耗、實現(xiàn)軟啟動和減少磨損，但對于發(fā)電廠而言，設(shè)備運行的可靠性是絕對第一位的，高壓變頻器節(jié)能降耗所產(chǎn)生的效益與因廠用輔機故障停機而導(dǎo)致發(fā)電機組減負荷甚至非正常停機、鍋爐熄火等事故所造成的損失是無法相提并論的。另外要注意當(dāng)切換供電方式時，保護裝置也要及時地切換保護配置和整定值選取。工頻運行方式下，電動機的故障形式主要分為繞組損壞和軸承損壞兩方面。繞組相間短路時，對于２ＭＷ以下的高壓（３ＫＶ以上）電動機一般裝設(shè)兩相式電流速斷保護；為了迅速切斷電源，《繼電保護及安全自動裝置技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，２ＭＷ及以上的電動機，或２ＭＷ以下但電流速斷保護靈敏系數(shù)不符合要求時，應(yīng)裝設(shè)縱聯(lián)著動保護。當(dāng)單相接地短路電流大于５Ａ?xí)r應(yīng)裝設(shè)零序電流型接地保護。若接地電流小于１０Ａ，保護可以作用于信號也可以作用于跳閘。當(dāng)供電系統(tǒng)電壓太低時，引起電動機的過電流甚至堵轉(zhuǎn)，會燒壞電動機。一些因生產(chǎn)工藝過程不允許或不需要自啟動的電動機也必須裝設(shè)低電壓保護，出口跳閘停機。將雙金屬盤式繼電器或熱敏電阻、熱電偶等測溫元件安裝在電動機內(nèi)部，當(dāng)溫度達到整定值時動作。利用慣性熔斷器、配電用低壓斷路器、各種型式的反時限特性過電流繼電器，這些保護電器的動作特性應(yīng)與電動機的熱特性相配合，使電動機既得到安全保護，又不致過早動作而影響電動機的使用。電動機啟動時間過長會使電動機在啟動時間過后運行電流仍保持較大值，造成轉(zhuǎn)子過熱。啟動時間過長保護可作為電動機啟動過程中短路保護的后備保護。按照上述分析，可得出電動機工頻運行方式’Ｆ的保護配置圖如圖２．１２所示。明確系統(tǒng)變頻、工頻兩種不同運行方式下的差異，是區(qū)分兩種運行方式下保護配置、整定發(fā)生變化原因的關(guān)鍵。電動機可以在較小的電流下實現(xiàn)加速、減速，發(fā)熱較小，同時啟動時間有所延長。在高壓變頻器、一電動機組啟動瞬間，根據(jù)實驗實測，移相變壓器將會產(chǎn)生５＂－７倍勵磁涌流。４．對于變頻調(diào)速系統(tǒng)，由于附加了變頻器裝置，變頻器的輸入電流和輸出電流在頻率和相位上沒有必然的聯(lián)系．明確系統(tǒng)在變頻、工頻兩種不同方式下運行時的差異后，我們下面對變頻運行方式下電動機保護面臨的問題做出分析。其次，由于目前常規(guī)相量差動保護都是針對工作頻率為工頻附近設(shè)計的，不適用于寬頻率工作范圍，這是影響電動機繼續(xù)使用相量差動保護的最大障礙；電動機相量差動保護的工作原理是基于比較電動機兩端電流的大小與相位的。綜合以上兩方面可以知道，變頻改造后電動機差動保護的裝設(shè)位置、配置形式都會有很大的差別。另外由于其它諸多區(qū)別，還會造成電動機變頻運行方式下的保護會不同于工頻運行方式下。但是，對于電動機的輸入和輸出電流，它們的頻率和相位是一致的，因此可以考慮對電動機單獨進行差動保護，差動保護所需電流取自電動機的輸入側(cè)和輸出側(cè)，如圖２．１３所示。變頻改造后，可以在ｂ、Ｃ兩處使用差動原理來單獨保護電動機的安全運行。目前，國內(nèi)變頻電機保護的配置方案通常是：根據(jù)高壓電機的容量、用途和負荷特性，選擇差動保護或電流速斷保護作為主保護，以長啟動保護、低電壓保護、過電流保護、接地保護等保護作為后備保護。在電流中含高次諧波成分的干擾下，使用傅氏算法并不能得到準(zhǔn)確的電流值，具體分析見４．３．１節(jié)。類似于工頻方式下電動機的保護配置，對于三相異步電動機，應(yīng)裝設(shè)電動機綜合保護測控裝置，電動機綜合保護測控裝置裝設(shè)在母線出口斷路器ＯＦ的開關(guān)柜中；對于大型（２ＭＷ及以上，或主保護靈敏度校驗不合格）三相異步電動機，還應(yīng)裝設(shè)電動機差