试析高电压大功率异步电机变频调速应用技术

秦正兵

（贵州金元黔西发电有限责任公司贵州黔西551500）

摘要：随着高电压大功率异步电机在国民经济各部门的需求量和耗电量逐渐增加，节流损耗问题比较严重。对高电压大功率异步电机进行调速，能够有效解决节能问题。本文对国内高电压大功率异步电机变频调速应用技术进行分析。

关键词：高压变频；异步电机；调速

目前看来，我国电力资源比较短缺，节能作为重要的技术政策，直接关系着国民经济的发展。高电压大功率异步电机广泛应用于国民生产中，对异步电机进行调速，能够取得很好的节能效果，提高经济效益。相同节电率下，电动机功率越大，节能效果越明显，这也是高电压大功率异步电机变频调速应用技术受到广泛关注的重要原因。

一、高压大功率电机变频发展概述

高压大功率电机主要通过在转子侧采用串级调速装置和在定子侧采用高压变频器进行调速。在大功率电子变流装置发展初期，将变流器或功率器件进行简单的并联、串联，达到扩充功率的效果，采取对某个单器件进行控制的方式达到控制装置本身。然而，在并联、串联在一起的多个变流器或功率器件中，对某个单器件进行控制，无法充分发挥各变流器或功率器件的性能，分别对各个变流器和功率器件进行控制，能够有效提高器件的控制自由度，充分发挥器件本身的性能，达到更好的控制效果。

随着门极自关断器件的应用逐渐成熟，PWM技术在电机变频调速中得到了广泛应用。PWM技术主要应用于抑制消除谐波、控制传输信号等方面，对器件工作频率的要求较高，大功率器件无法满足PWM技术对开关频率的要求，可以利用载波相移SPWM技术解决这一矛盾，在较低的开关频率下保障谐波和传输信号的良好。

二、异步电机主要调速系统

（一）转差功率消耗型

在转差功率消耗型调速系统中，将全部转差功率转换成热能，并消耗在转子回路中，降低调速系统的效率，当调速越低时效率越低，使得转差功率消耗型调速系统逐渐在高压大功率异步电机变频调速方面遭到淘汰。该类型主要包括定子侧低压调速、转子串电阻调速、转差离合器调速及液力耦合器调速等多种方式。

（二）转差功率馈送型

在转子侧，大部分转差功率通过变流装置以馈送的方式进行调速，当转速越低时馈送功率越多，但可能会导致一定的转子铜损。随着转差功率的馈送，抵消了变流装置本身的损耗，使功率有效，具有较高的调速效率。电机的串级调速就是以这种方式进行运作，在有效提高调速效率的同时，将电子测高压调速转化为转子侧低压调速，可采用低压设备对高压电机进行控制，从而达到更好的控制效果。这种调速方式成为现代高压电机调速的主流存在，在学术研究和未来发展前景中受到高度重视。

（三）转差功率不变型

转差功率不变型调速系统只会带来转子铜损，不因转速高低而改变转差功率，达到更高的调速效率。主要包括变极对数调速和变压变频调速等方式，相对来说变极对数调速应用场合比较有限，而变压变频调速却得到了广泛应用，具有效率高、节能好、潜力大等诸多优点。高压大功率变压变频调速技术在异动电机调速方面受到了广泛关注，成为目前高压大功率研究的主要方向，但美中不足的是高压变频器价格比较贵。

三、电机转子侧串级调速

对调速要求性能较低、范围较窄的高压大功率异动电机来言，串级调速作为一种经济实惠的调速方式存在。早在20世纪30年代，串级调速就被相关学者提出，直到20世纪60年代，随着可控电力电子器件出现，串级调速得到了广泛应用。串级调速主要经历了以下几个发展阶段。

（一）传统串级调速

传统串级调速系统主电路图如图1所示。

传统串级调控主要是通过改变晶闸管移相角度来改变附加直流电动势大小，从而达到调节电机转速的效果。但传统串级调速系统器件容量较大，功率因数较低，谐波含量较大，还需要外界逆变变压器，这些缺点在异动电机的发展和广泛应用中都逐渐暴露出来。

（二）内馈串级调速和静止无功补偿

内馈串级调速和静止无功补偿的主电路图如图2所示。

在电机定子绕组中添加辅助电源绕组，由辅助电源绕组向逆变器提供电源，同时还接受转子返还的能量，将电机和变压器连接为一个整体，达到简化串级调速主电路的目的。

（三）内馈斩波串级调速

内馈斩波串级调速系统主电路图如图3所示。

在传统串级调速机上，于直流回路部分增加一个斩波器，通过斩波器占空比大小的变化来调节电机转速，且保证逆变器触发角固定允许最小逆变角保持不变。主要优点表现为消耗功率小、功率因数高。但相对来说比较容易发生逆变颠覆故障，这一点需要引起重视。

（四）PWM技术

PWM整流技术应用到内馈串级调速系统中时，不仅保留了串级调速的优点，还利用PWM技术有效减小了谐波补偿串级调速系统产生的无用功，提高了整个系统的功率因数，客服了逆变颠覆的缺点。主要包括电压型、电流型及双PWM整流技术串级调速系统。

四、高压大功率电机调速方法

（一）间接性高压变频

高压主要是通过高压断路器送至降压变压器，根据电网要求来改变谐波，在12脉冲整流中，减小输出直流电压中的脉动，降压变压器为三绕组变压器，将电压降至低压变频器可接受范围内。间接性高压变频主要结构特点如下。

（1）降压变压器设计制造要求采用三绕组变压器连接方式，与整流变压器相似，有效减小谐波对电网的污染。

（2）升压变压器额定V/f条件下，变压器工作范围5~50Hz；变压器铁芯磁通密度在1.25T以下，无空隙；变压器连接组别采用Dy11。

（3）如果采用电压源型变频器，采取PWM进行控制，有效减少变频器输出电压谐波分量。

（二）三电平PWM电压源型变频器

采用矢量转换磁场定向的控制原理，优化空间矢量、脉宽调制模式、高压IGBT以及三电平技术，达到改善输出电压特性的效果。

三电平PWM电压源型变频器有三种配置，标准配置采用12脉冲二级管进行整流，成本最低，功率因素达到0.96以上，谐波电流相对较低。第二种配置采用24脉冲二极管进行整流，具有一定的抗干扰能力；第三种采用有源前端，适用于干扰低且没有无功功率要求场合。

（三）低压变频器串联构成高压变频器

通过将低压变频器串联在一起构成高压变频器，将电网电压有效降低至低压变频器许可电压，经次级各相串入由IGBT构成的单相变频器，低压变频器对其进行变频实现高压输出，直接供给高压电机。低压变频器串联构成高压变频器不需要输出变压器，具体结构原理如图4所示。

在多功率串联结构中，每5个690V的功率单元串联组成一相，两相之间产生6kV交流输出。功率单元三相输入、单向输出的PWM电压源型结构，每个功率单元需要承受全部的输出电流，但只需要承受五分之一的相电压和十五分之一的输出功率。每个功率单元IGBT开关频率为6kHz，有效降低了开关损耗，提高变频器效率，高等输出开关及三电平，有效改善了输出波形，降低了谐波污染和噪声，主要应用于风机和水泵等高压大功率电机中。

结束语

对高压大功率异动电机变频调速进行评价，主要是依据包括成本、谐波污染、功率因数等，在大型风机、泵类等方面，高压大功率变频调速技术得到了广泛应用，同时也面临着巨大的挑战。使高压大功率变频调速技术更好的发挥作用，能够有效节约电能，保障经济效益和环保效益。

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