關于《高壓變頻器通用技術條件》中幾個技術條件的探討

1 引言

　　為提高用能產品能效、推廣節能技術、節能降耗、支撐可持續發展，根據國家科技支撐計劃重點專項“關鍵技術標準推進工程”《主要用能產品和設備節能標準與能效標識研究》課題的重要子課題――《高壓變頻器通用技術條件國家標準制定研究》的要求，電氣行業、傳動行業、制造廠家和用戶代表技術專家對高壓變頻器的標準涵蓋的范圍、標準框架、功能要求、技術指標等進行了討論和修改。

　　在標準制定研究過程中發現，高壓電動機的變頻調速技術研究、產品開發、市場推廣均處于蓬勃發展過程中，國內外制造廠家很多、存在多種拓撲方案，各種電路拓撲方案、不同廠家產品各有特點、產品特性與功能特點、技術水平也不一致。這些因素對變頻器和傳動系統的穩定性、可靠性、使用壽命、維護費用、性價比等重要指標均可能產生影響，但作為用戶都希望能選擇實用而具有良好性價比的高壓變頻器，因此需要明確了解工藝要求和對高壓變頻器的技術要求，針對性地選擇高壓變頻器的方案、產品和售后服務，以確保合理應用、可靠運行、取得合理的投資回報率。

　　本文結合《主要用能產品和設備節能標準與能效標識研究》的國家標準《高壓變頻器通用技術條件》征求意見稿的幾項技術指標在高壓變頻器產品設計與應用進行探討。

2 高壓變頻器的概念與標準對適用范圍的定義

　　按國際慣例和我國國家電力行業標準對電壓等級的劃分，對供電電壓》35kv時稱高壓，1kv～35kv電壓等級稱“中壓”。而我國電機產業界習慣上也把額定電壓為3kv、6kv、10kv的電機稱為“高壓電機”。而結合國內電機電壓等級，額定電壓1～10kv的變頻器具有著共同的特征，一般把驅動1～10kv交流電動機的變頻器（通過改變輸出頻率和電壓，控制額定電壓范圍為1kv及以上35kv及以下高壓電動機轉速的裝置）稱之為高壓變頻器。

　　高壓變頻器根據進線端直流濾波器型式，逆變電路可分為電壓型和電流型兩種類型，其特點區別在于：前者在直流供電輸入端并聯有大電容，一方面可以抑制直流電壓的脈動，減少直流電源的內阻，使直流電源近似為恒壓源；另一方面也為來自逆變器側的無功電流提供導通路徑，稱為電壓型逆變電路（如高－低－高式高壓變頻器、三電平高壓變頻器、單元串聯多重化高壓變頻器、igbt元件直接串聯高壓變頻器等幾種拓撲方式）。在逆變器直流供電側串聯大電感，使直流電源近似為恒流源，這種電路稱之為電流型逆變電路，電流型變頻器是在電壓型變頻器之前發展起來的早期拓撲。鑒于國內電動機節能產業應用市場絕對多數占有率的高壓變頻器均屬電壓源型，因此該標準及本文主要對電壓源型高壓變頻器進行敘述（電流源型高壓變頻器也適用于該標準）。

3 使用環境條件中的高海拔應用的要求

　　標準中對高壓變頻器的一般應用環境的海拔條件定義為：“不超過1000m，超過1000m應根據每升高100m，外絕緣距離增大1%，輸出額定通流能力減小1%”。

　　其中，“外絕緣距離增大”的技術條件的可參考的依據如下：

　　根據gb1094.11－2007《干式電力變壓器》第11.3條的規定：所設計的變壓器是在海拔超過1000m處運行，而其試驗卻是在正常海拔處進行時，對于海拔超過1000m以上的部分，以500m為一級，其溫升限值按下列數值相應降低：對于自冷式變壓器：2.5%；對于風冷式變壓器：5%。根據gb1094.11－2007標準的第12.2條的規定：當變壓器被規定在海拔為1000

　　m～3000m之間運行，而其試驗卻是在正常海拔處進行時，其額定短時外施耐受電壓值，應根據安裝地點的海拔超過1000m的部分，以每100m增加1%的方式來提高。至于在海拔超過3000m處運行時，其絕緣水平應由供、需雙方協商確定（標準對于海拔超過3000m沒有定量規定的原因在于起草標準時大家比較認可：高海拔時空氣稀薄對耐壓不利，但空氣更潔凈，對爬電有利）。

　　另外，參考gb311.1—1997《高壓輸變電設備的絕緣配合》的規定：“當高壓電器用于海拔1000m以上，但不超過4000m時，其外絕緣試驗電壓應為耐受電壓乘上系數ka，其公式為ka=1/（1.1-h×10-4），式中h為使用地點的海拔，ka—海拔校正因數（在h＝1000m～3000m海拔范圍內，ka基本與每100m增加1%接近）。”

　　其中，“輸出額定通流能力減小”的技術條件的可參考的依據如下：

　　變頻器在高海拔地區（大于1000m）使用時，由于空氣稀薄，影響風冷散熱變頻器的工作，功率半導體的電流容量將低于規定值（需降額使用），依據gb/t3859.2－1993《半導體變流器應用導則》標準給出的“電流容量隨海拔高度而變化的關系曲線”（在1000m～4000m內海拔每升高100m降額約0.3%），以及海拔每升高100m降額1%、降額0.5%繪制的降額曲線如附圖所示。

實際上，海拔的升高還使環境溫度隨之降低（每升高100m環境溫度降低約0.5k），因此對高海拔地區變頻器的電流容量進行修正時應同時考慮海拔升高導致的空氣稀薄不利散熱的因素和環境溫度降低的有利因素。可見原標準草稿規定的每升高海拔100m降容1％的要求過于嚴格，考慮對主要應用于工業企業設備節能調速的高壓變頻器的可靠性要求，提高配置要求，可考慮修改為每升高海拔100m降容0.5%。

4 關于高壓變頻器的輸出電壓的電能質量要求

　　標準提出了對高壓變頻器輸出電壓的一般要求，由于輸出電壓是接電機負載的，因此規定了“輸出電壓不平衡度”和“輸出電壓變化率（dv/dt）”的條件。

　　輸出電壓不平衡可能導致電機電流產生負序和負序電流，特別是負序電流將影響電機運行與出力、導致電機的發熱損害，《高壓變頻器技術條件》征求意見稿對“輸出電壓不平衡度”的要求為：“在輸出頻率調節范圍內及各相負載對稱的情況下，輸出三相線電壓的不平衡度不超過5％”。

　　較大的dv/dt會影響電機的絕緣，尤其當變頻器輸出與電機之間電纜距離較長時，由于線路分布電感和分布電容的存在，會產生行波反射作用，dv/dt會放大，在電機端子處可增加一倍以上，對電機絕緣引起損壞。《高壓變頻器技術條件》征求意見稿對“輸出電壓變化率（dv/dt）”的要求為：“輸出電壓變化率應符合適配電機對電源輸入電壓的突變率要求。輸出電壓dv/dt宜不大于1000v/μs。”

　　輸出電壓還有一個關鍵參數，即共模電壓限制值，特別當輸入側的電纜過長時，由于其寄生電容過大，使產生的充放電電流幅值增大，這一電流可分流經過電機軸承，從而對其形成電腐蝕點，但是標準征求意見稿對此未提出要求。實際上，變頻器輸出電壓諧波對電機的影響，可參考美國標準nemamg1-1993《電動機和發電機》的第30節的有關規定：

　　（1） 變頻器輸出電壓接電機負載后的在額定電流情況下的電機電流總諧波畸變率≤1%，在一定前提下可適當放寬要求；

　　（2）變頻器輸出的電壓變化率dv/dt的限制條件為：輸出相電壓從10%峰值上升到90%峰值的時間不得小于1μs。即對接3kv電機的變頻器輸出電壓dv/dt≤1.96kv/μs，接6kv電機的變頻器輸出電壓dv/dt≤3.92kv/μs，接10kv電機的變頻器輸出電壓dv/dt≤4.62kv/μs。不宜統一規定限制，如需提高要求，可確定為輸出電壓的dv/dt值限制在每μs的變化不大于40％輸出相電壓（相當于3kv系統對應要求dv/dt≤1kv/μs，接6kv系統對應要求dv/dt≤2kv/μs，接10kv系統對應要求dv/dt≤2.3kv/μs）。

　　（3）變頻器輸出的共模電壓的限制條件為：基波相電壓峰值和共模電壓峰值之和不超過2.51倍額定相電壓。對接3kv電機的變頻器輸出基波相電壓峰值和共模電壓峰值之和≤4.35kv；接6kv電機的變頻器輸出基波相電壓峰值和共模電壓峰值之和≤8.7kv，接10kv電機的變頻器輸出基波相電壓峰值和共模電壓峰值之和≤14.5kv。

5 關于高壓變頻成套系統的效率與輸入變壓器容量選型

　　作為用于節電的成套系統，高壓變頻器的系統效率應作為一項關鍵指標，因此標準中提出要求為：“在輸出額定電壓、額定電流和負載功率因數不小于0.80條件下，額定功率500kva以下高壓變頻器的效率不低于95%，500kva～1mva高壓變頻器的效率不低于96%，1mva以上高壓變頻器的效率不低于97%。”

　　高壓變頻器系統的損耗可分為變壓器（可含電抗器）類損耗（這部分損耗又可分為空載損耗和負載損耗）、變流器（包括整流、逆變部分）類損耗（這部分損耗主要包括開關損耗和通態損耗）。

　　變壓器的效率與功率等級有密切關系，通常功率越大，損耗與輸出功率就越小，效率也就越高。反之，功率越小，效率也就越低。其中目前高壓變頻器的進線側主要采用非包封干式變壓器，其效率指標可參考國家標準gb/t10228-2008《干式變壓器技術參數和要求》中關于b型配電變壓器的空載損耗、負載損耗的要求為：容量500kva以下的效率98.3%～98.5%，容量500kva～1mva效率98.6%~98.8%，容量1mva效率98.9%以上。

　　考慮一般高壓變頻器采用的變壓器特殊性（如整流繞組數量、諧波、配置選型等因素），一般變頻系統配套的變壓器容量選型，市場上一般采用與適配負載電機視在功率。這種選型與變頻器系統的不同拓撲結構相關：特別對于技術相對成熟、市場占有率最高的單元串聯式高壓變頻器，采用多重化移相整流變壓器，采用多重化不控全橋整流技術保證電網側的滿載時的輸入的綜合功率因數大于0.95，變頻器設備內部各個單元上大容量濾波電容為電機提供了工作所需的無功功率，從電網側吸收的電流（即輸入移相整流變壓器的輸入電流）主要為有功分量所需電流，網側的輸入電流（即輸入移相整流變壓器的輸入電流）的無功分量僅為變壓器的勵磁分量，以及影響極其微小的諧波分量。相對輸出負載電機的功率因數（一般0.6~0.9，典型值0.8左右），較低的視在功率，這種類型的高壓變頻器從電網吸收視在功率中的無功分量小。市場選型一般采用電機視在功率選擇輸入移相變壓器容量，因此變頻器適配電機滿載工作時的變壓器一般僅達到75%～95%（變壓器溫升也應未達到標準溫度），負載損耗較變壓器滿載、溫升達標準值時的負載損耗達到以下要求：容量500kva以下的效率97%~98%，容量500kva～1mva效率98%~98.5%，容量1mva效率98.5%以上。

　　一般變流器的損耗由三部分構成，即電子控制部分、整流部分和逆變部分。其中電子控制部分與負載大小關系不大，一般采用的不控整流部分與輸出負載大小相關，輸出逆變部分采用開關器件由導通損耗和開關損耗構成。由于高壓大功率變頻的功率流逆變部分一般選用較低導通電壓的新一代芯片技術的開關管（如采用最新技術的1700v的igbt額定電流下的導通電壓vce一般為2.0～2.4v，1200v的igbt額定電流下的導通電壓vce在1.7～2.1v）；整流部分的二極管在額定電流壓降0.85~1.5v，一般廠家產品設計時這些器件的選型都會留出50%左右的裕度，因此高壓變頻器運行中的器件導通損耗不高（占功率器件損耗的約40%）；且pwm開關頻率一般較低，如功率單元串聯式的高壓變頻器由于采用輸出載波移相的控制技術，開關頻率一般在600～1500hz，較低壓變頻器的輸出開關頻率大大降低，開關損耗也相對降低（占功率器件損耗的約50%），其余的電容器、控制電路等電路器件的損耗約占總損耗的10%。在系統輸入電壓額定、設計選型器件均是在器件滿載條件下估算，在輸出額定電流時應留有一定裕度，變流器部分的損耗相對系統容量一般可控制在1～2%（總體設計上相對于較小容量，較大容量逆變系統的效率會越高）。

　　總的來講，技術條件的“額定功率500kva以下高壓變頻器的效率不低于95%，500kva～1mva高壓變頻器的效率不低于96%，1mva以上高壓變頻器的效率不低于97%。”這一標準要求是恰當且必要的：高壓變頻器作為節能降耗的重點節能設備產品，本身應該具有較高的設計效率，規范市場產品，保證電機系統的運行效率，為切實推進節能減排工作提供強有力的技術支持。

6 關于系統過載能力及起動特性和加速控制

　　眾所周知，電機驅動系統的負載、電機、變頻器作為一體，根據變頻器容量、電機特性、負載機械特性（如轉動慣量）的區別，變頻器在起動、升速和停止、降速時所需的時間不同，過短的加減速時間可能會導致變頻器在加速過程中過電流、在減速過程中過電壓保護。而變頻器作為電機的驅動系統，在工藝上可替代工頻運行時用來調節的閥門、風門或液力耦合器等機械調節器，這些調節器在工藝調節的控制中，若升降速的時間長，調節時對外部擾動的控制能力變差，容易處于小幅不穩定狀態中，控制效率較低，特別是工藝要求經常變化、或變化控制特性品質要求較高時，變頻器允許的啟動特性與急速過載能力要求問題特別突出。

　　《高壓變頻器通用技術條件》在“起動特性和加速控制”特別提出，“在正常工作條件下能連續正常起動。應具有軟起動特性，可實現起動過程中輸出電流不大于電機1.4倍額定電流的正常起動；起動時間可根據負載特性，由制造商與用戶協商解決。”，標準對過載能力的要求為：“過載能力為130%額定負載電流，每10min允許持續時間60s，且實現反時限過負荷保護。”

　　實際上，以上兩項要求是有一定關系的，前一項要求是為保證變頻器與電機安全而對啟動過程中電機電流上限的要求，針對不同的電機、負載和變頻器，采用合理的過載能力配置的變頻器，設置合適加速特性曲線和加速時間，可保證變頻器與負載的啟動與加速特性，滿足工藝要求；后一項要求則是對變頻器輸出電流能力的約束，對變頻器設計配置要求造成影響。鑒于各種應用現場的負載設備、工藝要求、投資要求的特殊性，建議對變頻器本身的過載能力進行如下規定：“在規定運行條件下，輸出電流的過載能力為120%額定負載電流，每間隔10min的持續時間為1min，且實現反時限過負荷保護，速斷保護電流不小于150%額定電流。為滿足負載與工藝特性，有特殊要求時可由制造商與用戶協商解決。”

　　至于反時限過負載保護，其反時限特性宜參照《dl/t823-2002微機型反時限電流保護通用技術條件》的第3.9.2款定子繞組反時限過負荷保護所設定的反時限特性（與gb6162-85和iec255－4標準所規定的超強反時限保護特性接近）：其中：i為變頻器運行輸出電流；ib為基準電流（一般取電機額定電流）；k為反時限常數（1 – 1000可設定）；ksr為散熱系數（一般取電機或變頻器運行平均允許的長期維持電流與電機額定電流的比，一般在0.5～2）。

7 關于高壓變頻器的保護配置

　　在等同采用iec61800－4：2002標準的gb/t 12668.4－2006《調速電氣傳動系統 第4部分一般要求交流電壓1000v以上但不超過35kv的交流調速電氣傳動系統額定值的規定》標準的9.3 保護接口一節的“表8pds系統的保護功能”提出的關于高壓變頻器的保護配置要求如下：

　　對網側電源部分保護配置為：斷電缺相保護、電網過壓保護、電網欠壓保護、電網電壓不平衡保護；對網側饋線部分保護配置為：過電流保護、過載保護；對變壓器部分的保護配置為：瓦斯保護（油式）、過熱保護、冷卻介質故障保護、油位低（油式）保護；對變流器部分的保護配置為：過電流保護、過載保護、過電壓保護、接地故障保護、冷卻故障保護、過熱保護、輔助電源故障保護、過程控制通信故障保護、速度反饋信號丟失保護；對電動機部分的保護配置為：電機過壓保護、電機欠壓保護、電機過電流保護、電機過載保護、超速保護、以及繞組過熱、軸承過熱、高強度振動、冷卻故障、潤滑故障等外部保護。

　　而在本標準《高壓變頻器通用技術條件》中規定：“為保證系統穩定可靠運行，應提供以下基本保護：輸入瞬態過電壓保護；輸入工頻過電壓保護；輸入欠電壓保護；輸入過電流保護；輸出瞬態過電壓保護；輸出過電壓保護；輸出過電流保護；輸出短路保護；輸出電壓三相不平衡保護；輸出電流三相不平衡保護；超溫保護；冷卻系統故障；控制系統故障；速斷保護。”

　　實際上，將gb/t 12668.4標準與本標準《高壓變頻器通用技術條件》對保護配置的比對如附表所示。

　　從附表所列的兩個標準的保護功能配置比較可見，本標準《高壓變頻器通用技術條件》的保護配置雖已完全覆蓋gb/t3859.1－1993《半導體變流器基本要求的規定》中對保護的規定的幾種保護功能（實際是該標準的5.7.8故障及保護部分所列出的三個具體要求：持續過電流保護、故障短路保護、過電壓保護），但與gb/t12668.4－2006標準對相關保護配置相較尚不夠全面詳細，建議保護功能實施配置可以同時參照gb/t12668.4－2006標準執行。在此基礎上的高壓變頻器系統包含必需的、精心設計的保護功能和系統部件保護，可有效防止系統內部和外部發生意外事故，保證系統的高可用性。

8 結束語

　　《主要用能產品和設備節能標準與能效標識研究》課題的重要子課題――《高壓變頻器通用技術條件》的國家標準征求意見稿制定后，向相關業內技術專家、主要制造廠家、典型用戶廣泛征求修改意見后，經過積極參與和反饋意見研究修改完善后，將從整體上對高壓變頻器的外部性能、功能要求、技術指標方面提出要求，促進行業產品的規范化，從而為高壓變頻器產品的技術發展和推廣、用戶選型提供一定技術參照支持和進行規范，促進高壓變頻調速技術和產品的開發應用、引導技術升級、提升產業發展和核心競爭力。相信該標準的制定，由于系統地提出了高壓變頻調速系統提高用能產品能效水平的標準化方案，將推動高效節能技術向市場化和商業化的轉化，整體提高我國重點產品和設備的設計與運行效率，為切實推進節能減排工作提供強有力的技術支持。