10kV级联式高压交-交变频技术及在城市供水的应用

1 引言

高压变频器已经在我国城市供水行业中得到了广泛应用，这些产品多以级联式交-直-交pwm电路结构为主，主功率半导体器件采用igbt，该技术路线网侧输出入电流谐波小，电机侧输出电压正弦度高，电气性能满足高压大容量电机调速的要求，并取得了很好的节能效益。但是，该技术方案仍然存在诸多问题，例如电路复杂，成本高，寿命短等等。由北京时代金能电气科技有限公司研发生产的级联式高压交-交变频器，是高压变频技术的全新解决方案，该方案使用可控硅作为主功率器件，无需整流滤波环节，电路简单，可靠性高，不存在大容量电容器所引起的运行寿命短问题。
北京自来水集团某水厂一泵房有4台取水泵并联运行，工作方式为2开2备，泵站设置有集中控制室，用于监视并远程控制水泵的运行状况。水泵拖动电机均为10kv，220kw鼠笼式异步电动机，在变频改造前采用调节阀门来控制取水量，造成很大的电能浪费，为此集团进行了变频节能改造，通过对国内外多个厂家的产品及不同的技术路线进行对比，确定采用了以级联式高压交-交变频技术为技术路线的高压变频器产品。

2 级联式高压交-交变频技术介绍
2.1主电路介绍
级联式高压交-交变频技术的原理是，通过输入变压器产生的多路浮动低压电源给各功率单元供电，各功率单元的输出经过串联后，得到了叠加后的高压输出。输入隔离变压器采用移相技术，使输入电流的高次谐波得以抵消，符合ieee std519-1992和gb/t14549-1993的有关标准对谐波的规定。多级低压电的叠加输出，可以实现输出电压电流的高正弦度，无需增加输出滤波装置就可以直接驱动普通高压同、异步电动机，而不会增加电机温升，电机不需因谐波而降额使用，可使主回路电机、电缆绝缘免受dv/dt应力的损伤，也没有谐波引起的脉动转矩，可延长电机和机械设备使用寿命，电机电缆在压降允许范围内无任何长度限制。
该方案主电路结构如图1所示。各功率单元通过光纤与主控制单元连接，同时功率单元内部的控制电路供电取自变压器浮动电源，因此强电与弱电实现了电气隔离，提高了系统的抗干扰能力和可靠性。

图1 级联式交-交变频器主电路结构图

2.2功率单元电路介绍
级联式高压交-交变频技术采用的功率单元原理如图2所示，其以可控硅作为主半导体开关器件，主电路工作在零电流软关断状态，避免了igbt等器件强迫关断产生的应力，这对于工作在高电压大电流状态的高压大容量变频器尤为重要。而可控硅器件则具有通态损耗小，抗过电流能力强的优点，同时该方案工作在工频开关状态，因此不论是导通损耗还是开关损耗，都大大小于pwm交-直-交传统方案。该方案同样有别于以往的相控交-交变频控制技术，由于采用级联方式，在输出低频时，依然可以保持高功率因数输出，且其输出频率可达到甚至超过50hz。
pwm交-直-交方案功率单元的直流环节需要对输入交流电压进行整流、滤波，因此，其中最薄弱的环节，也是最大的安全隐患所在。特别是电解电容器，由于其内部电解液的逐渐挥发，在额定工作状况下，一般长寿命产品标称额定连续工作寿命仅为3000-5000h，即半年左右，通过降额使用，且在工况较好时，其连续使用寿命也只有5年左右，因此，在电解电容超过使用年限，或检测到性能指标下降时，必须立即加以更换。另外，大容量电容器价格不菲，占相当大比例的设备成本，体积也无法减小，致使设备价格高，体积大。
级联式高压交-交变频方案的开关器件工作于低频状态，且为零电流关断，因此dv/dt非常小，其对电机及导线绝缘的影响可以忽略。同时其工作于四象限状态，避免了在电机减速或者故障时产生反充电，而这一问题对于pwm交-直-交方案，容易引发电容器击穿事故。
3 设备状况
北京自来水集团某水厂一泵房的4台取水泵，变频改造采用直连1对1方式，水厂设有集控室，通过数据总线modbus协议与变频器连接，实现了远程操作及监控的功能。restime系列级联式交-交高压变频产品工作效率高，自身发热少，因此将变频器置于泵房内，不需要额外增加通风降温设施，由于变频器功率单元实现了全密封，因此也不需要采取防尘过滤等措施，不需要定期更换过滤网，日常运行实现了免维护，极大地方便了使用。取水泵电机与变频器主要技术参数如下：
3.1电机主要参数
型号：y450-6；
额定功率：220kw；
额定电流：17a ；
额定功率因数：0.82 ；
额定转速：992r/min 。
3.2 变频器主要参数
变频器功率：500kva；
适配电机功率：400kw；
额定输出电流：29a ；
输入频率：45hz ～ 55hz ；
额定输入电压：10kv ；
允许电压波动：± 15% ；
输出电压范围：0 - 10kv；
变频器效率：≥ 98%；
输出频率范围：0 - 50hz。