摘要：本文较详细地分析了自来水厂应用高、低压变频器的几个问题，包括概况介绍、选用国产佳凌变频器原因。高压变频器特点、主电路介绍、高速功率器件的串联技术、正弦波技术、抗共模电压技术、变频器选型、各种高压变频器性能比较、基本规格和主要参数等内容。1引言启东自来水厂是启东市唯一的一家水厂,担负全市近30万人民的生活用水及生产用水,责任十分重大,因此供水系统的质量、高效、节能是该厂十分关注的一件大事。该厂领导及业务主管早有采用当今先进科技成果，使用变频调速的打算和安排，分别对一次进水泵及二次清水泵实现变频调速的意向。经近年的了解、访问、调研，最后决定选用成都佳灵变频器。从技术交流、方案选定、草签合同、设备制造、安装调试、试运行等过程，历经半年,直至2005年元月中旬,已验收合格，正式投入运行，交付厂方使用。经启东市电力测试所的检测结果，节电率在20～30％之间,合乎对方的要求。故一次性通过验收，是启东市政工程一项较大的节能项目,带来显著的经济效益和一定的社会效益，尤其在目前电力紧张状况下,是实现“开源节流”的“根本技术措施”。2系统介绍2.1二次清水泵二次清水泵即可供应合格的自来水，经水泵加压后，直接送管内供给用户。该厂有3台压10kV，其中2台400kW，一台280kW。平常开400kW一台，晚上开280kW一台。在夏天高峰流量时要开400kW一台，再加280kW一台，供水压力约3.2kg，过去是采用人工方式调节出口阀门来调节流量（或压力），显然这是不经济的运行方式，亦不及时。而采用变频调速后，能自动调速，既能做到压力稳定，节能降耗，又能实现自动闭环PID调节。设备组成及要求:（1）电动机Y500-8，400kW，744r/min，10kV，31.1A，cosφ为0.85;水泵扬程39m，2700m3/h，730r/min;（2）电动机Y500-8，280kW，744r/min，10kV，21.5A，cosφ为0.85;水泵扬程35m，2146m3/h，730r/min;（3）具有工频—变频自动切换功能。2.2一次抽水泵一次抽水泵即将河中的水，经泵打入蓄水池，并经处理合格后将水送出。一般水厂布局是一次抽水泵与二次清水泵相距不远，但启东自来水厂较特别，二者相距约3km，这样又如何按出水量需要，来自动控制抽水量，做到经济合理的运行，不使过大的进水量形成蓄水池的溢出，而浪费电能。过去是靠人工调节阀门控制，以电话联系方式进行操作，采用变频器后可实现自动控制调速的方式，能实现节电功效，同时具有及时、有效、省力的好处。但因远距离通讯信号传输既有一定技术难度，又需要初投资关系，所以分两步走，先解决变频调速，以电话联系方式操作，以后再改为遥控方式。目前已预留4～20mA接口供变频器使用。设备的组成及要求:（1）185kW抽水泵1台,电动机380V,337A,980r/min;抽水泵:扬程22m，2020m3/h，夜间低谷流量1300m3/h;阀门开度约48，出口压力0.26MPa，白天高峰1900m3/h;阀门开度98％，出口压力0.18MPa。根据以上分析，夜间流量较小，节电潜力大，白天相对小，经实测结果平均节电率约10％，全年运行，选用目的以调速为主。（2）280kW抽水泵1台，只有在夏季高峰时使用，时间仅用10天左右，同时亦作185kW的备用泵。根据上述工况要求，给予配置280kW380V变频器一套，其输出可以切换，即“一拖二”方式，既节省投资，又方便使用。（3）具有工频—变频自动切换功能。3选用国产佳灵变频器原因众所周知，目前国内低压变频器在市场上流通的品牌，国外约40种之多，国内约60种之多，可说是琳琅满目，目不暇接，难以抉择。而佳灵牌变频器是国内首家，从1986年就开始生产，至今近20年历史了，在国内有一定声望和市场占有率，具有性价比较高和售后服务周到的优势，故深受用户青睐和欢迎。所以启东自来水厂以慧眼识货的远见和胆略，具有前瞻性的眼光和赏识，采用了佳灵变频器。至于高压变频器，国外的太贵，国内的都是采用国外的拓扑结构，唯独成都佳灵牌高压变频器是国内独创，国外无先例，独辟创新的先进电路，具有电路最简单、价格最低、体积最小、重量最轻、调试最容易、效率高、经济实用的特点，深受用户的欢迎。它于2000年投产以来，已有几十家单位在运行，都取得良好的功效。故首选成都佳凌牌高压变频器。4高压变频器特性介绍4.1GY-JCS-10kV/400kW高压变频器特点目前，在世界上交流电动机的传动领域，低压变频调速技术的运用已经比较成熟，但高压变频调速技术由于组成变频器的功率器件耐压能力所限，也就造成了现在的高压变频器不像低压变频器那样具有成熟的、一致性的拓扑结构。而现今国内的高压大功率的交流传动电动机已经成为各大企业的重要生产设备，也是主要的耗电设备。应用高压变频调速也就成为各大企业势在必行的重要措施。组成高压变频器的功率器件的耐压能力在相当长的时间内还不可能满足高压变频调速的需要。这就导致高压变频调速发展缓慢，远远不如低压变频那样成熟和完善。因此，如何解决高压变频器中的功率器件耐压能力问题，就成了世界性的难题。成都佳灵电气制造有限公司设计生产的GY系列高压变频器是采用该公司变频器的成熟技术，贯以最新的控制理论成功设计制造出来的，世界上独一无二的一种无输入输出变压器，IGBT直接串联逆变的高压变频调速装置。其特点如下:（1）电压等级为3kV～10kV;（2）功率器件选用西门子公司九十年代末推出的高压IGBT功率模块直接串联;（3）系统自带专门设计的高压开关柜，与本身高压变频器高效安全配套，并含电子式真空断路器;（4）高档的GY系列中含有全中文操作界面，基于Windows操作平台，彩色液晶触摸屏，便于就地监控、设定参数、选择功能和调试;（5）变/工频切换装置可按用户选用配备;（6）高压主电路与低压控制电路采用光纤传输、安全隔离，系统抗干扰能力强;（7）控制电路通讯方式采用全数字化通讯,简单、可靠;（8）系统的整流单元、逆变单元的设计,选用组合模块化积木结构,整机占地面积小、重量轻，便于安装、维护;（9）高档的系统控制采用专用的工业控制计算机，结合PLC可编程控制技术，使电动机在变频运行时变流量调节更平滑、稳定，实时过程控制自动化程度高;（10）装置可在本机上操作，也可实现远距离外控，具备完善、方便的操作功能选择;（11）系统具有标准的计算机通讯接口RS-232或RS-422、RS-485，可方便地与用户DCS系统或工控系统组态建立整个系统的工作站，进一步提高系统的自动化控制水平，实现整个工控系统的全闭环监控，从而实现更加完善、可靠的自动化运行;（12）具备全面的故障监测、可靠的故障报警保护功能;（13）输入功率因数高，输出电压谐波含量小，无需功率因数补偿和谐波抑制器;（14）输出电压为标准正弦波形，对电缆和电动机的绝缘无损害，减轻电动机的轴承和叶片等机械部分震动和磨损，延长电动机的使用寿命，变频器输出至电动机的线缆长度可达20km;（15）采用独特的抗共模电压技术,使系统中共模电压≤1000V,无需再提高电动机的绝缘等级,也无需专用电机;（16）易于实现能量回馈和四象限运行，并可直接引出直流进行直流输电;（17）适用于石油、化工、给排水、电力、冶金、建材、军事、矿山等行业的高压电动机变频调速节能运行;（18）对用户的高压异步电动机无任何特殊要求。不但适用于新旧异步电动机，也适用于同步电动机。4.2主电路简介由图1可见，系统由电网高压直接经高压断路器进入变频器，经过高压二极管全桥整流、直流平波电抗器和电容滤波，再经逆变器变频变压，加上正弦波滤波器，简单易行地实现高压变频输出，直接供给高压电动机。图1IGBT直接串联高压变频器主电路原理图IGBT功率器件直接串联的二电平电压型高压变频器是采用低压变频器已有的成熟技术，应用独特而简单的控制技术成功设计出的一种无输入输出变压器、IGBT直接串联逆变、效率达98％的高压变频调速系统。4.3关键的核心技术（1）高速功率器件的串联技术根据查新，世界各国均未生产出IGBT直接串联的高压变频器。佳灵公司运用数十年积累的功底，和为中华民族争光的决心、勇气，认为在重大装备的原创技术上一定要有中国人自己的成果。永远跟在别人后面学，是不可能成为世界大国的。佳灵人用自己的心血和智慧，利用绝对、相对原理，终于解决了高速功率器件的串联问题。这不仅用于高压电机变频调速，而且可用于柔性输电系统、城市无功补偿、有源滤波、城市电网稳压、直流输电等领域。（2）正弦波技术高压电机对变频器的输出电压波形有严格的要求，佳灵公司为解决变频器输出电压波形，从两方面着手:一是优化PWM波形;二是研制出特种滤波器。输出波形如图2和图3所示。图225Hz时输出电压电流波形图340Hz输出电压电流波形（3）抗共模电压技术仅解决IGBT的串联，并不能甩掉输入变压器。原因在于共模电压的存在。在低压变频器领域，近年来发现的电机轴承损坏，共模电压就是影响的原因之一，在高压变频器的领域中，共模电压更是必须解决的关键问题之一。共模电压（也叫零序电压），是指电动机定子绕组的中心点和地之间的电压。以典型的电流源型变频器（不带输入变压器）为例，如图4所示。图4典型的电流源型高压变频器结构图由于上下直流母线的滤波电抗器大小相同，而且流过相同的电流，所以每个电抗器上的压降也相同，因此以接地点G为参考电平，各点电压符合以下关系:所以有:两边都除以2，可得由于整流电路在同一时刻只有两相同时导通，导致整流电路输出的直流中点电压不等于供电电源的中心点电压，即UmG=0。图5是在晶闸管触发延迟角为20°时的各点电压波形。中点电压UmG按照电网电压三倍的频率进行变化，在晶闸管触发延迟角为90°时幅值达到最大。图5电流源型变频器各点电压波形电流源型变频器逆变器的工作原理与整流器大致相同，因此逆变器输入直流中点对电动机中心点的电压EmN波形与UmG波形大致相同,只是EmN的变化频率为变频器输出频率的三倍,会随着变频器输出频率的变化而变化。由于所以，共模电压。由于输出频率一般不等于电网频率，且不断变化，因此其组合可以导致共模电压在某一时刻达到最大值。由于UmG和EmN的最大值都可以达到额定相电压峰值的50％，所以共模电压最大可接近相电压的峰值，如果电源的中心点接地，电动机的机壳也接地，这样共模电压就施加到电动机定子绕组的中心点和机壳之间。这样高的共模电压使电动机绕组承受的绝缘应力为电网直接运行情况下的2倍，严重影响电动机绝缘。图6显示了一输出电压为4160V的GTO电流源型变频器的共模电压波形。图6GTO电流源型变频器的共模电压当没有输入变压器时，共模电压会直接施加到电动机上，增加绕组对地的电应力，引起绝缘击穿，影响电动机的使用寿命。如果设置输入变压器（变压器二次侧中点不能接地），则共模电压由输入变压器和电动机共同来承担，按照输入变压器一次、二次绕组间的分布电容和电动机绕组对机壳间的分布电容（两个容抗串联）进行分配。由于一般输入变压器的分布电容大大小于电动机绕组对机壳的分布电容（比如前者为后者的1/10），这样约90％的共模电压由输入变压器来承担，只要考虑加强输入变压器的绝缘，以承受共模电压即可。比如4160V额定电压的电动机要求采用10kV的绝缘设计，不能使用标准的异步电动机。要求6kV电动机可以承受的共模电压范围为基波相电压峰值和共模电压峰值之和不超过8.7kV。PWM变频器的共模电压含有与开关频率相对应的高频分量，高频的电压分量会通过输出电缆和电动机的分布电容产生对地高频漏电流，影响逆变器功率电路的安全。电动机通过地产生的高频漏电流，一部分通过定子绕组经定子绕组和转子间的分布电容，经过轴承再到机壳，然后到地。后者即为轴电流，会引起电动机轴承的“电蚀”，影响轴承的寿命。由于共模电压含有高频高压成份，在电机线圈与铁芯之间形成交变电场，而其中的绝缘材料被极化，产生电晕放电，并产生出臭氧，而臭氧是强氧化剂，也是腐蚀剂。加速电机绝缘的击穿。这也就是为什么有的变频器只能采用专用电动机。是因为共模电压未处理好，只能以强化电机绝缘性能来解决。共模电压也是对外产生干扰的原因，特别是长线传输设备。许多用户的设备应用变频器后出现了严重干扰，总是找不到原因，可考虑共模电压的问题。无论是电流源还是电压源变频器产生共模电压是必然的。佳灵公司根据共模电压产生的机理，采取了“堵和疏”的办法将共模电压消灭在变频器内部。由于采用了上述三项核心关键技术，使“佳灵”IGBT直接高压变频器的效率达到98％以上。输出电压正弦化。共模电压最小化。适用于任何异步电机。同步电机，无需降容使用，几km的长线传输也无问题。（只是传输距离太长时应考虑线路电压补偿。如提高电压或增大导线截面等）。5GY系列高压变频器类型GY-JCS型:为风机、水泵类负载，完全工作在平方减转矩特性条件下，可直接转矩控制，适用于变流量和恒压力节能调速;GY-JCP型:一般机械传动调速，具有加、减速度，正、反转变化等控制，能耗制动功能等要求，也适合风机、水泵类;GY-JCC型:要求较高的机械传动控制，应具有低速或零速大转矩，准确的移动定位的工况，如起重、轧机、电力机车等重型机械，常常都需用“S”形加、减速曲线特性，保证死区补偿低速大转矩，矢量或直接转矩的准确控制。6各种高压变频器性能比较各种高压变频器性能比较如附表所示。7结束语IGBT直接串联高压变频器拥有安全的自主知识产权，具有许多独特的特点，其应用范围十分广阔，它必将在国民经济中发挥重要作用。