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關鍵詞：變頻調速；功率調速；斬波內饋；諧波
崔建生（1965-）
男，高級工程師，注冊電氣師，黑龍江省林業設計研究院熱電規劃設計院總工程師，主要從事火力發電廠、熱源廠、熱網換熱站、生物質發電工程、風力發電項目電氣、儀表及自動化控制專業設計工作。
如今，隨著國家節能政策的漸漸深入人心，交流電動機調速技術的應用已經邁進以變頻調速為主導的發展階段，尤其在低電壓、中小容量電動機調速上的應用已經被認定為電力需求側的最佳節能設備，代表著今后電氣傳動的發展方向。在這種信念的支配下，低壓變頻器在大、中容量電動機調速上的應用已不鮮見，單臺的最大功率段的應用已經達到220~560kW，隨之負面效應漸漸出現。
1 變頻器諧波的危害
眾所周知，無論是VVVF控制、矢量控制或直接轉矩控制的低壓變頻器輸入側均為整流回路，具有非線性特性，所產生的高次諧波使輸入電源的電流波形、電壓波形發生畸變；變頻器輸出側為一系列矩形波組成的脈寬調制的接近于三相正弦波形的交流電，輸出電壓和電流波形中均含有高次諧波。在交流電動機的變頻調速工況下，不僅變頻器內部的電力電子器件產生熱損耗和風扇運行消耗電能，而且變頻器輸出側產生的諧波電流與諧波磁勢均能夠使電動機產生脈動旋轉磁場而降低輸出轉矩，在電力電纜和電動機的定、轉子中產生銅損、鐵損及雜散損耗，導致電動機的運行效率下降、電動機發熱、電力電纜發熱和增加線路損耗。尤其是低壓大、中容量電動機的變頻調速，上述諧波的影響將更為顯著，嚴重時將使電動機和電力電纜的使用壽命明顯縮短。
變頻器的運行效率僅見少數使用說明書上有所標示，例如艾默生變頻器說明書注明的運行效率為：45 kW及以下功率段的通用變頻器≥93%；55 kW及以上功率段的通用變頻器≥95%。通常，在變頻器上端都安裝有1至3個冷卻風扇，以便將內部電力電子器件散發的熱量及時排出。在大功率的變頻電控柜上，還應當考慮安裝柜內出風口冷卻風扇。在變頻器輸出電力電纜超過80m或電動機功率較大以及電源電壓波形畸變嚴重或電源變壓器容量較大時，變頻器還需要配置輸入、輸出和直流電抗器，不僅增加電力線路的電壓降（輸入電抗器壓降4.4V左右；輸出電抗器壓降9V左右），使電動機輸出轉矩降低，而且也是變頻電控柜內不可忽視的熱源。同時，變頻器的故障率也將隨之環境溫度升高而成指數上升，環境溫度每升高10℃變頻器使用壽命減半。
2 變頻調速與工頻電力傳動的比較
資料表明，變頻調速與工頻電力傳動比較，由于諧波的存在，電動機的總損耗將增加約30%，電流約增加10%，溫升約提高20%。電動機在低于額定轉速的變頻工況運行狀態下，由于自冷風扇轉速的降低，冷卻風量降低使冷卻效果下降，因此電動機的過熱現象將更加嚴重。同時，由于諧波的影響，電動機繞組上的電壓分布也變得很不均勻，再加上變頻矩形波的電壓變化率很高，極易發生繞組匝間短路事故。另外，諧波產生的噪音對電動機繞組的絕緣也是一種破壞作用。隨著變頻器的大量投入運行，由于諧波污染日益加重，不僅嚴重地影響電能質量，降低電能傳輸和利用效率，而且電動機和供電變壓器的發熱情況也日漸明顯暴露，甚至在額定電流下運行時也能夠超過容許溫升，危及電氣設備運行的安全可靠性。
變頻器在選擇輸出電力電纜時，如果按工頻電源供電條件選擇規定截面積的電力電纜，由于電纜內含有諧波電流分量，則產生附加銅損和雜散損耗使其發熱量明顯增加；若選擇大一檔橫截面積的電力電纜時，則電纜對地電容增大使其對地漏電流增大，截面積每增加一檔，變頻器輸出電流應降低5%的額度使用。
3 變頻器諧波的量化、污染與治理
上述諧波的影響，對于200 kW及以下功率段的的變頻調速傳動系統來說，雖然還不夠十分明顯，但是對于220 kW及以上功率段的變頻器來說，其影響決不可低估。例如日本三菱公司的A240系列變頻器，在額定電壓400V時：額定功率220 kW時，基波電流355A；額定功率250 kW時，基波電流403A；額定功率280 kW時，基波電流450A。可見諧波電流所占份額之大，必然通過變頻器輸入側電源線、輸出側電纜線和接地線向空間輻射與沿線路干擾接在同一電源的電氣設備。特別是空間輻射對臨近的通訊設備、計算機監測控制系統與信號線均產生不同程度的影響，嚴重時將使受干擾的設備不能工作。
目前，雖然有源或無源濾波器能夠補償高壓或低壓變頻器產生的諧波電流，并且已經有通用系列化的小功率產品進入市場，但是畢竟是只能治標而不能治本,況且濾波器本身也要消耗一定的電能，同時還引發一些新的問題。問其根本的原因，均為濾波器和變頻器內的逆變器高速開關動作時，產生的電壓或電流的急劇變化引起的負效應所致。
4 對于大、中容量電力傳動系統應用變頻器的幾點建議
如上所述，可見變頻器的諧波問題必須從源頭控制或治理，但是自從變頻器誕生以來，有關諧波問題卻沒有從源頭得到根本地解決，更沒有從電動機與變頻器一體化的設計理念來比較徹底地解決這些讓人們困惑的問題。因此，為了從源頭降低上述諧波電流對電網、鄰近用電設備、通訊電纜以及變頻調速電動機與其輸入、輸出電力電纜的影響，本文對于大、中容量電動機的工頻電力傳動或變頻傳動系統，在選擇技術設計方案時，提出下述幾點建議：
(1) 對于大中容量電力傳動應用系統來說，首先應當考慮選擇高壓電動機拖動負荷，以便降低電動機的運行電流。表1為相同容量280kW的0.4kVY355L1-4系列低壓三相異步電動機與6kVY系列中型高壓三相異步電動機應用的技術經濟指標比較表。
表1 三相異步電動機經濟指導比較表:
從表1可見，若選用低壓電動機時，不僅線路損耗、電動機銅損和鐵損增大，而且電力電纜投資十分可觀和故障率也將高于同容量的高壓電動機，同時還需要配置一臺電力變壓器提供低壓電源，增加占地面積和基建投資；但要選用高壓電動機時，不僅線路損耗、電動機銅損和鐵損顯著減少，而且高壓電力電纜投資和故障率相對明顯降低，更不需要配置電力變壓器提供低壓電源，增加不必要的基建和安裝費用。
(2) 對于大、中容量的風機和水泵的調速系統來說，在要求調速范圍不寬和調速精度不高的工況下，建議選用高壓內饋斬波調速系統，其中包括交流功率調速器和斬波內饋調速電動機。目前，國產6-10kV的YQT系列內饋調速電動機和ZNT-2000型斬波內饋交流功率調速控制裝置的技術性能指標：調速范圍為（60%-100%）的額定轉速；起動電流為（2.5~3.0）倍的額定電流；控制方式具有開環和閉環兩種控制功能，數字化調節給定參數，可方便地實現壓力和流量的閉環控制。該系統與高壓變頻器調速系統比較的最大優點是控制電動機轉子的電磁功率達到調速目的，因此高壓電動機的交流功率調速控制裝置不僅電壓低、功率小以及電動機定子電流的諧波含量少，而且設備投資少、節能效果十分顯著、電動機的輸出轉矩相對比較穩定以及對電網、鄰近的電氣和通訊設備產生的電磁干擾必然大幅度地降低。高壓變頻器與功率調速系統應用技術經濟指標比較詳見表2。
表2 高壓變頻器與功率調速系統應用技術經濟指標比較表:
(3) 對于大、中容量的電力機車、船舶、軋鋼、起重和造紙等行業的電力傳動調速系統來說，不僅有調速的要求，還有負荷動態響應速度快、穩態精度高和低速力矩大等苛刻條件的要求。目前，國外幾家知名的變頻器生產廠商生產的高性能、大容量高壓變頻器已經具備有比較成熟的技術，但是產品價格普遍存在著極其昂貴的問題，還有些不適合國情的問題，例如技術資料、培訓和售后技術服務工作不到位等；而國內該產品的技術雖然處于研究階段，但是已經有20余家企業具備大、中容量的高壓變頻器的生產能力，國產品牌占到國內市場份額的30%以上，只要在體制改革、人力資源調動、資金投入、生產管理以及經營決策等方面走上軌道，國產大、中容量的高性能高壓變頻器的技術必然能夠迎頭趕上。因此建議在上述電力傳動調速系統中，用戶應當根據各自的具體條件和選擇原則來確定首選對象。
5 結束語
綜上所述，對于大、中容量的電力傳動系統來說，如果從節能和節約資源的理念出發考慮問題，無論是調速或是非調速的電力傳動系統，都應該優先選用高壓電動機拖動負荷，才能稱之為比較完善的技術方案。
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