大功率变频装置电压等级必须下降
大功率变频装置电压等级必须下降
摘要：高压大功率变频装置的节能效果十分显著，在电厂、水厂、化工、冶金行业已得到广泛应用。当前影响进一步推广的主要因素是价格太贵，进口装置6000v级达2000元/kw以上，国产高压装置也需要1500元/kw以上。降低变频装置的电压等级可以成倍降低变频器造价，在我国目前最大功率不超过2500kw的装置，其电压等级可控制在3000v以下。关键词：高压变频器；电压等级；价格；节能中图分类号：tn86文献标识码：d文章编号：0219－2713(2002)11－0604－02
最近上海市经委节能办委托我们顾问委员会进行高压变频方案论证，因为上海已投产20余套，投资过高，推广困难，为此我们走访了用户闵行电厂，高桥污水工程及长江上游引水工程及配套厂上海电机厂，张家港变压器厂，上海机电成套研究所等单位，参考有关资料撰写此文。
1国内高压变频器使用概况
国内已经投运的进口及国产高压变频器，功率、电压等级的抽样调查概况如表1所示。
表1已投产变频装置电压功率概况（应用在水泵、风机）调查对象200～800kw6000v/台1000kw～2500kw6000v/台200～800kw所占比例/％
全国31个电厂781187％
上海地区12475％
从表1统计可知，已投产105台，200kw～800kw达90台，占85％，从装备功率统计已达到9万kw，如按平均每kw增加1200元投资计，将增加超过1亿元投资。
实际上高压与低压变频器相比，价格每kw要相差2.8～3.5倍，即低压平均700元，高压平均2200元，两者每kw相差1500元左右。
2高压变频器的选型
2?1选择过高电压等级的弊端
选择过高的电压等级造成投资过高，回收期长。电压等级的提高，电机的绝缘必须提高，使电机价格增加。电压等级的提高，使变频器中电力半导体器件的串联数量加大，成本上升。在同等功率下，不同电压的电机和变频器的单位功率价格如表2所列。
表23种电压等级成本对照元/kw供电电压380v6kv10kv
电动机价格200267357
变频器价格7002000～24002500～3000
可见，对于200～2000kw的电机系统采用6kv、10kv电压等级是极不经济、很不合理的。
2?2变频器容量与整流装置相数关系
变频器装置投入6kv电网必须符合国家有关谐波抑制的规定。这和电网容量和装置的额定功率有关。
从图1可见，短路容量在1000mva以内，1000kw装置12相（变压器副边双绕组）即可，如果24相功率就可达2000kw，12相基本上消除了幅值较大的5次和7次谐波。
整流相数超过36相后，谐波电流幅值降低不显著，而制造成本过高。如果电网短路容量2000mva，则装置容许容量更大。
2?3把最高电压降到3kv以下可节约大量投资
从电力电子器件特性及安全系数考虑电压等级的必要性，受电力电子器件电压及电机允许的dv/dt限制，6kv变频器必须采用多电平或多器件串联，造成线路复杂，价格昂贵，可靠性差。对于6kv变频器若是用1700vigbt，以美国罗宾康的perfectharmony系列6kv高压变频器为例，每相由5个额定电压为690v的功率单元串联，三相共60只器件。若是用3300v器件，也需3串共30只器件，数量巨大。另一方面装置电流小，器件的电流能力得不到充
收稿日期：2002－08－29
()
大功率变频装置电压等级必须下降
图1电网短路容量与装置功率的关系
分利用，以560kw为例，6kv电机电流仅60a左右，而1700v的igbt电流已达2400a，3300v器件电流达1600a，有大器件不能用，偏要用大量小器件串联，极不合理。即使电机功率达2000kw，电流也只有140a左右，仍很小。
国外的中压变频器有多个电压等级：1?1kv，2?3kv，3kv，4?2kv，6kv，它们主要由电力电子器件的电压等级所确定，器件电压与变频器电压间的关系列于表3。
表3在不串联情况下器件电压与变频器电压间的关系器件电压/v1700330045006000
变频器电压/kv1.12.334.2
输出同样功率的变频器，使用较高电压或较多单元串联所花的代价大于用较低电压，较少数量而电流较大单元的代价，也就是说在器件电流允许条件下应尽可能选用低的电压等级。
2?4隔离变压器问题
为了隔离、改善输入电流及减小谐波，现在所有的中压“直接变频”器都不是真正的直接变频，其输入侧都装有输入变压器，这种配置短时间内不会改变。既然输入侧有变压器，变频器和电机的电压就没有必要和电网一样，非用10kv和6kv不可，功率2500kw以下电压可以不超过3kv，因此就有了变频器和电机的合理电压等级问题。
200kw～800kw以下的变频调速宜选用380v或660v电压等级。它线路简单，技术成熟，可靠性高，dv/dt小，价格便宜。仍以560kw电机为例，630kw660v的低压变频器约35万，而同容量6000v中压变频器约90万。实现的方法有低?低，低?高，高?低和高?低?高等几种形式。由于电机，变压器的价格远低于变频器，即使更换电机、变压器也合理。
2?5原有6kv高压电机如何与3?5kv变频器电压配套
自建国以来传统的6kv高压电机是已投产的主要产品，为了推广3?5kv变频器不可能再花钱更换电机，作者提出一个简便方案，以供参考。
制造厂原有6kv电机一般均为星形接线，其相绕组承受实际电压为3468v，故只要将绕组改接成三角形其它不变。配3.5kv变频器就把变频器电压从6kv下降到3.5kv，从表3可见4.5kv器件不串联就可承受3kv耐压。如果用1.7kv器件3串即可。制造成本将下降30％。而我国目前30mw机组最大电机2500kw采用3.5kv电压完全合理。
2?6对电网谐波污染的防治措施
从实用角度整流桥组成12相整流可消除5、7次谐波已基本满足电网谐波要求。因此400kw～800kw采用12相整流即可，1000kw～2500kw采用24相也可以符合要求。
山东龙口，江苏徐州等五个电厂在灰浆泵，水源引水泵上已成功采用了380v～660v电压等级，功率320kw～1000kw的10台装置。以徐州电厂岸边补水泵为例，价格见表4。
表4低压660v方案价格序号项目价格/万元
1zs0－800kw干式变压器18
2y630－6－560kw电机15.5
3abb－acse0变频器38.5
4控制屏4
5新建机房土建费5
6安装费5
7高低压电缆费4
8合计90
该项目投资90万比高压6kv节约40～50万元。如果选用国产变频器及变压器等关键设备，价格还能有节余。
3结语
根据我国实际情况，建议电机、变频器电压与容量采用的等级，如表5所列。
表5建议的电压等级与电机最大容量供电电压/v3806603500
电机最大容量/kw4008002500
预期电机价格/元/kw200209270
预期变频器价格/元/kw6008001000～1200
天禄科技业绩下滑，推进TAC膜国产化研发
STM32低成本WiFi播放电路设计详解
健康码扫码测温一体机及健康码终端解决方案助力秋冬季疫情防控
2020年或将是L3自动驾驶整体发展路线能够确定下来的一年
怎样设计数字电路板可以获得最好的SI和EMC特性
大功率变频装置电压等级必须下降
德赛西威与杰发科技签订合作协议 助推国产汽车电子芯片发展
电源管理芯片商必易微上市，首日开盘大涨26.93%，募资6.5亿元拓展电机驱控芯片等
Visual Studio Code快捷键的使用基于3568开发板vscode的使用
水环真空泵轴承位磨损了？用这种方法修复，让维修更加行之有效
华为缘何登顶安卓利润榜首？高管这么说
使用数字滤波器实现高分辨率、高速转换的技术方案
深度解析光网络、光通信
清华大学发布人工智能全球2000位最具影响力学者榜单
奥拉股份科创板IPO获受理！去抖时钟芯片国内市占率61.27%，募资30亿研发及产业化
AR远程协助的应用，物联网和增强现实的完美结合
如何快速估算电容器的介电吸收
实时视频管理一组机器人时，即使是1 GB的光纤连接也可能无法完成工作
超短波的连续波和疏密脉冲波的区别？
玻璃管液位计的安装及使用注意事项
摘要：高压大功率变频装置的节能效果十分显著，在电厂、水厂、化工、冶金行业已得到广泛应用。当前影响进一步推广的主要因素是价格太贵，进口装置6000v级达2000元/kw以上，国产高压装置也需要1500元/kw以上。降低变频装置的电压等级可以成倍降低变频器造价，在我国目前最大功率不超过2500kw的装置，其电压等级可控制在3000v以下。关键词：高压变频器；电压等级；价格；节能中图分类号：tn86文献标识码：d文章编号：0219－2713(2002)11－0604－02
最近上海市经委节能办委托我们顾问委员会进行高压变频方案论证，因为上海已投产20余套，投资过高，推广困难，为此我们走访了用户闵行电厂，高桥污水工程及长江上游引水工程及配套厂上海电机厂，张家港变压器厂，上海机电成套研究所等单位，参考有关资料撰写此文。
1国内高压变频器使用概况
国内已经投运的进口及国产高压变频器，功率、电压等级的抽样调查概况如表1所示。
表1已投产变频装置电压功率概况（应用在水泵、风机）调查对象200～800kw6000v/台1000kw～2500kw6000v/台200～800kw所占比例/％
全国31个电厂781187％
上海地区12475％
从表1统计可知，已投产105台，200kw～800kw达90台，占85％，从装备功率统计已达到9万kw，如按平均每kw增加1200元投资计，将增加超过1亿元投资。
实际上高压与低压变频器相比，价格每kw要相差2.8～3.5倍，即低压平均700元，高压平均2200元，两者每kw相差1500元左右。
2高压变频器的选型
2?1选择过高电压等级的弊端
选择过高的电压等级造成投资过高，回收期长。电压等级的提高，电机的绝缘必须提高，使电机价格增加。电压等级的提高，使变频器中电力半导体器件的串联数量加大，成本上升。在同等功率下，不同电压的电机和变频器的单位功率价格如表2所列。
表23种电压等级成本对照元/kw供电电压380v6kv10kv
电动机价格200267357
变频器价格7002000～24002500～3000
可见，对于200～2000kw的电机系统采用6kv、10kv电压等级是极不经济、很不合理的。
2?2变频器容量与整流装置相数关系
变频器装置投入6kv电网必须符合国家有关谐波抑制的规定。这和电网容量和装置的额定功率有关。
从图1可见，短路容量在1000mva以内，1000kw装置12相（变压器副边双绕组）即可，如果24相功率就可达2000kw，12相基本上消除了幅值较大的5次和7次谐波。
整流相数超过36相后，谐波电流幅值降低不显著，而制造成本过高。如果电网短路容量2000mva，则装置容许容量更大。
2?3把最高电压降到3kv以下可节约大量投资
从电力电子器件特性及安全系数考虑电压等级的必要性，受电力电子器件电压及电机允许的dv/dt限制，6kv变频器必须采用多电平或多器件串联，造成线路复杂，价格昂贵，可靠性差。对于6kv变频器若是用1700vigbt，以美国罗宾康的perfectharmony系列6kv高压变频器为例，每相由5个额定电压为690v的功率单元串联，三相共60只器件。若是用3300v器件，也需3串共30只器件，数量巨大。另一方面装置电流小，器件的电流能力得不到充
收稿日期：2002－08－29
()
大功率变频装置电压等级必须下降
图1电网短路容量与装置功率的关系
分利用，以560kw为例，6kv电机电流仅60a左右，而1700v的igbt电流已达2400a，3300v器件电流达1600a，有大器件不能用，偏要用大量小器件串联，极不合理。即使电机功率达2000kw，电流也只有140a左右，仍很小。
国外的中压变频器有多个电压等级：1?1kv，2?3kv，3kv，4?2kv，6kv，它们主要由电力电子器件的电压等级所确定，器件电压与变频器电压间的关系列于表3。
表3在不串联情况下器件电压与变频器电压间的关系器件电压/v1700330045006000
变频器电压/kv1.12.334.2
输出同样功率的变频器，使用较高电压或较多单元串联所花的代价大于用较低电压，较少数量而电流较大单元的代价，也就是说在器件电流允许条件下应尽可能选用低的电压等级。
2?4隔离变压器问题
为了隔离、改善输入电流及减小谐波，现在所有的中压“直接变频”器都不是真正的直接变频，其输入侧都装有输入变压器，这种配置短时间内不会改变。既然输入侧有变压器，变频器和电机的电压就没有必要和电网一样，非用10kv和6kv不可，功率2500kw以下电压可以不超过3kv，因此就有了变频器和电机的合理电压等级问题。
200kw～800kw以下的变频调速宜选用380v或660v电压等级。它线路简单，技术成熟，可靠性高，dv/dt小，价格便宜。仍以560kw电机为例，630kw660v的低压变频器约35万，而同容量6000v中压变频器约90万。实现的方法有低?低，低?高，高?低和高?低?高等几种形式。由于电机，变压器的价格远低于变频器，即使更换电机、变压器也合理。
2?5原有6kv高压电机如何与3?5kv变频器电压配套
自建国以来传统的6kv高压电机是已投产的主要产品，为了推广3?5kv变频器不可能再花钱更换电机，作者提出一个简便方案，以供参考。
制造厂原有6kv电机一般均为星形接线，其相绕组承受实际电压为3468v，故只要将绕组改接成三角形其它不变。配3.5kv变频器就把变频器电压从6kv下降到3.5kv，从表3可见4.5kv器件不串联就可承受3kv耐压。如果用1.7kv器件3串即可。制造成本将下降30％。而我国目前30mw机组最大电机2500kw采用3.5kv电压完全合理。
2?6对电网谐波污染的防治措施
从实用角度整流桥组成12相整流可消除5、7次谐波已基本满足电网谐波要求。因此400kw～800kw采用12相整流即可，1000kw～2500kw采用24相也可以符合要求。
山东龙口，江苏徐州等五个电厂在灰浆泵，水源引水泵上已成功采用了380v～660v电压等级，功率320kw～1000kw的10台装置。以徐州电厂岸边补水泵为例，价格见表4。
表4低压660v方案价格序号项目价格/万元
1zs0－800kw干式变压器18
2y630－6－560kw电机15.5
3abb－acse0变频器38.5
4控制屏4
5新建机房土建费5
6安装费5
7高低压电缆费4
8合计90
该项目投资90万比高压6kv节约40～50万元。如果选用国产变频器及变压器等关键设备，价格还能有节余。
3结语
根据我国实际情况，建议电机、变频器电压与容量采用的等级，如表5所列。
表5建议的电压等级与电机最大容量供电电压/v3806603500
电机最大容量/kw4008002500
预期电机价格/元/kw200209270
预期变频器价格/元/kw6008001000～1200
天禄科技业绩下滑，推进TAC膜国产化研发
STM32低成本WiFi播放电路设计详解
健康码扫码测温一体机及健康码终端解决方案助力秋冬季疫情防控
2020年或将是L3自动驾驶整体发展路线能够确定下来的一年
怎样设计数字电路板可以获得最好的SI和EMC特性
大功率变频装置电压等级必须下降
德赛西威与杰发科技签订合作协议 助推国产汽车电子芯片发展
电源管理芯片商必易微上市，首日开盘大涨26.93%，募资6.5亿元拓展电机驱控芯片等
Visual Studio Code快捷键的使用基于3568开发板vscode的使用
水环真空泵轴承位磨损了？用这种方法修复，让维修更加行之有效
华为缘何登顶安卓利润榜首？高管这么说
使用数字滤波器实现高分辨率、高速转换的技术方案
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清华大学发布人工智能全球2000位最具影响力学者榜单
奥拉股份科创板IPO获受理！去抖时钟芯片国内市占率61.27%，募资30亿研发及产业化
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实时视频管理一组机器人时，即使是1 GB的光纤连接也可能无法完成工作
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玻璃管液位计的安装及使用注意事项