高压变频器如何选型？

【一】 对环境的适应能力

1.1 对电网电压波动的适应能力

当母线上电动机成组自起动、当母线上最大一台电动机组起动时对变频器运行的影响,这与变频器允许的输入电压波动范围参数有关,对于火电机组应保证母线电压跌落30%时变频器不会停机。

另外,在母线切换等情况下所造成的母线电压瞬时失电发生后,变频器应具有持续或恢复运行的功能(有些厂家称为“失压再起动功能”),即在母线电压瞬间降低或消失(如事故切换)时变频器不跳闸或使电机系统惯性运行;当母线电压重新恢复正常后,变频器能根据捕捉到的电动机转速正确调整自身输出,重新拖动电动机运行的功能。

1.2 对现场环境的适应能力

高压变频器大多安装于现场辅机附近,灰尘较多,灰尘进入变频柜内会导致绝缘下降或击穿损坏电子元器件;灰尘堵塞滤网造成功率柜散热效果差,易导致功率模块过热失效损坏。有些厂家把空气滤网设计为在运行中可拆换清洗,便于维护。在南方高温、潮湿气候地区,应选择对环境温湿度要求低、系统温升相对低的产品,以保证安全稳定运行。

【二】对自身小故障的承受能力

高压变频器具有单元旁路功能,即某个功率单元出故障时该单元应能够自动退出,整个系统可持续带故障运行,这实际是一种冗余设计技术。此时应注意单元旁路后对变频器带载能力的影响,主要考虑变频装置每相功率单元个数、控制系统的电压补偿。

单元串联越多,故障概率越大,单个单元故障对输出能力的影响越小,二者应折中取舍。若采用电压补偿算法、中性点偏移算法可提高系统单元旁路后的带载能力,但此种方法可能带来共模电压等问题,需视电动机绝缘安全等设备具体情况取舍。

高压变频器的控制系统电源至关重要,应设计采用多路控制电源供电,多通道互为备用、无扰切换;风扇冷却器的冗余设计也有助于提高系统的抗扰动能力。

【三】对外部故障的承受能力

对输入侧的外部故障,如外部电网故障造成母线电压跌落时对高压变频器运行的影响。广东省某电厂机组曾发生过这样的事故:由于外部电网瞬时故障造成厂用电母线电压闪变跌落,导致辅机变频器停机,虽然外部电网的故障很快切除,但由于变频器拖动的重要辅机停运导致机组甩负荷。因此瞬时停电再起动功能应是电厂机组辅机高压变频器提高外部故障承受能力的可靠保证。

对输出侧的外部故障,如电缆击穿短路或电动机的单相接地甚至相间短路故障对高压变频器的影响。高压变频器应配置单相接地故障检测功能,根据现场情况选择设定告警或跳闸保护。据统计广东省高压电动机由于绝缘损坏导致的相间短路故障每年平均约20台,虽然相对概率较小,但对于采用过流能力极其有限的电力电子器件的高压变频器,短路电流的冲击对设备的损害是巨大的,可能导致设备损坏的严重故障。高压变频器对输出相间短路的承受能力与保护技术是设备选型、保证设备安全应考虑的一项重要因素。

【四】设备的故障恢复时间

设备故障分为两种类型:一是瞬间可自行恢复的故障,这种故障一旦出现之后,能在较短的时间内自行恢复,而具有转速自动跟踪功能的变频装置能显著提高在此种故障情况下的运行能力和可靠性。广东省正在运行的部分高压变频器在雷雨季节发生雷击时频繁停机,就是因为不具备此种功能所致;

其二是发生永久性损坏故障后装置的恢复时间,功率单元模块化可以在短时间内更换备用模块,使设备在短时间内恢复运行。

【五】变频改造对电机保护的影响

高压变频器一般均配置工频旁路柜,以保证在变频器出现故障或检修时,通过工频旁路柜的切换电机恢复工频运行,保证生产持续不断。但这种切换也带来了相应保护配置的问题:电动机在变频运行状态下开关柜应装设变压器保护(因变频器内部与厂用电连接部分为输入移相整流变压器),而在工频运行时应装设电动机保护。

因此在改造时,原有电动机保护应保留,作为工频运行时的保护装置,如果变频器控制系统不具备输入变压器的保护功能,从系统安全和合理配置保护的角度考虑,需加装“隔离移相变压器”保护;在电动机变频运行时,退出电动机保护而投变压器保护。

【六】手动旁路和自动旁路

手动切换变频器的运行方式(工频——变频),存在操作复杂、中断时间久对机组稳定性影响较大的问题。而具有工频变频自动切换的变频器在发生故障时能自动切换至工频运行,保证了重要辅机的持续运行,降低了对机组乃至对电网的影响。

但是在电动机故障时变频器自动切换至工频,会加剧电动机的故障,并有使故障扩大化的危险。在具体的应用中,应充分考虑“自动旁路切换功能”的利弊,最好变频器控制系统具有判别自身故障和负载故障的能力。

另外自动工频变频切换时还应注意开关柜保护装置的自动切换、风门或阀门的联动调节。在变频检修完毕后,如何使电机从工频运行状态瞬间切换至变频运行状态,也是在改造时必须注意的问题。

【七】谐波对电网及电动机的影响

低压变频器的输入电流具有很大的高次谐波成份,这些谐波对电网造成“谐波污染”的同时,还降低了变频器输入电路的功率因数。而高压变频器通常采用多重化整流技术,减小对电网的谐波污染,提高变频器输入侧的功率因数。有资料表明,采用30脉波的移相变压器的高压变频器,输入总谐波含量基本小于国标要求的4%,网侧的功率因数也可达0.95以上。

输出电压、电流谐波对电动机的影响主要体现在增加电动机转矩的脉动和电机的发热,从而影响电机绕组的绝缘;共模电压和轴承电流会加剧轴承电蚀降低机械寿命。一般多单元串联型式高压变频器的每相串联的功率单元个数达到5个及以上时,输出电压的突变率(du/dt)可满足电机绝缘要求,减少对绕组绝缘与共模电压轴电流的损害,谐波含量低,可以不考虑其对电机的影响。

电动机低速运行时,自冷电动机的散热能力将会下降,对于风机和泵类负载,采用单元串联式的高压变频器谐波发热影响小,电动机在低速运行时由于负载电流较低,发热量少,因此不必考虑附加散热措施问题;但对于恒转矩负载,低速运行时电动机的发热与高速运行时接近,就要考虑低速运行时加装强迫风冷等散热措施。同时,还应注意低速运行时轴承的润滑问题。

【八】变频器的寿命

高压变频器设备的寿命主要决定于电解电容,电解电容的寿命与其运行温度和纹波电流直接相关。保证运行环境温度、提高功率模块的散热效果、降低功率模块温升对提高系统寿命起到关键的作用;另外电容器纹波电流减小其寿命增加,因此系统的运行负载工况对于变频器的寿命紧密相关。

对于一般的可变负载,在运行环境满足设计条件下,电解电容器的寿命在8年以上,更换电容器的费用约占系统投资的5%～10%。国内已有厂家推出无极性电容器替代电解电容器,据称寿命可达20年,但相同体积的无极性电容器的容量要比电解电容小得多,对系统输入、输出谐波、功率因数等指标有影响,目前采用无极性电容器滤波的高压变频器用量很少,其工艺成熟度以及产品的运行可靠性影响尚待观察,值得关注。

审核编辑：汤梓红