1高壓變頻器主電路原理圖
該高壓變頻器具有運行穩(wěn)定、調速范圍廣、輸出波形正弦好、輸入電流功率因數(shù)高、效率高等特點，對電網(wǎng)諧波污染小，總體諧波畸變THD小于4%，直接滿足IEEE519-1992諧波抑制標準，功率因數(shù)高，不必采用功率因數(shù)補償裝置，輸出波形好，不存諧波引起電機附加發(fā)熱和轉矩脈動、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題，不必加輸出濾波器，就可以使用普通異步電機。
2電網(wǎng)送來三相6kV/50HZ交流電經(jīng)輸入變壓器降壓后給功率單元供電，功率單元為三相輸入，單相輸出交直交PWM電壓源型逆變器結構，相鄰功率單元輸出端串接起來，形成Y接結構，實現(xiàn)變壓變頻直接輸出，6kV輸出電壓每相由6個額定電壓為580V功率單元串聯(lián)到，輸出相電壓3480V，線電壓可達6kV。
每個功率單元采用電壓源型結構，直流環(huán)節(jié)為濾波電容，電機所需無功功率由電容提供，而不需要和電網(wǎng)交換，變頻器輸入功率因數(shù)高，可保持0.96以上，且整個速度范圍段內基本保持不變，不需采用功率因數(shù)補償裝置。
建設兵團新疆奎屯電廠二廠裝機容量為2×250MW。循環(huán)供水系統(tǒng)中，是由循環(huán)水泵實現(xiàn)水資源循環(huán)利用，經(jīng)熱交換后熱水進入冷卻設施進行冷卻，使其水溫降至允許值，然后又重復將冷卻水輸入凝汽器而循環(huán)使用。系統(tǒng)水位基本上是穩(wěn)定，故循環(huán)水泵揚程也基本穩(wěn)定，而其容量按計算水量確定。兩臺機組使用共有循環(huán)水管供水，配備4臺功率為176kW循環(huán)水泵，配套電機為250kW/6kV及220kW/6kV各兩臺。
1變頻器選型
改造循環(huán)水泵是兩臺雙側布置，甲乙兩臺水泵均采用調節(jié)閥門開度方式控制流量，電機設計時冗余較大，加上流量控制采用閥門調節(jié)引起阻力損耗，電能浪費特別嚴重，影響機組經(jīng)濟運行。
一般情況下，變頻器容量應不小于電動機容量，這樣能滿足電機額定出力內進行不同轉速調節(jié)。現(xiàn)實生產工作中，實際運行工況來選擇合適變頻器容量，既能滿足生產需要，又能節(jié)省變頻器投資及減少配套設施?？碗姀S循環(huán)水泵配套電機功率為6kV/250kW，滿足50Hz時滿負荷運行要求，為其配備了容量為320kVA變頻器以滿足各種工況下不同轉速調節(jié)要求。
變頻改造前，水量調節(jié)是過調節(jié)水泵閥門開度來實現(xiàn)，水泵及電動機運行低效率工作區(qū)，能源浪費嚴重，同時奎屯電廠屬于獨立電網(wǎng)，工頻直接啟動對電動機和電網(wǎng)沖擊都很大，并容易造成電機籠條松動、有開焊斷條危險。
基于以上原因，奎屯電廠決定對機組循環(huán)水泵進行了變頻改造，考察，最后選擇廣東明陽龍源電力電子有限公司型號為MLVERT-D06/320變頻器對兩臺250kW/6kV電機進行“一拖二”改造。
2高壓變頻器組成和原理
MLVERT-D系列高壓變頻器是廣東明陽龍源電力電子有限公司生產具有自主知識產權，無電網(wǎng)污染調速系統(tǒng)，采用結構為多單元串聯(lián)，輸出為多電平移相式PWM方式。特別適合于風機、泵類工業(yè)應用現(xiàn)場，已經(jīng)被廣大工業(yè)用戶接受和充分認可。下面以6kV系列為例說明其原理，變頻器主電路結構見圖1。
2.1輸入變壓器
MLVERT-D06系列高壓變頻器輸入側隔離變壓器采用移相式變壓器，變壓器原邊繞組為6kV，副邊共18個繞組分為三相。每個繞組為延邊三角形接法，分成6個不同相位組，分別有±5o、±15o、±25o移相角度，形成36脈波二極管整流電路結構。每個副邊繞組接一個功率單元，這種移相接法可以有效消除35次以下諧波。對電網(wǎng)諧波污染小，直接滿足IEEE519-1992諧波抑制標準。
2.2功率單元
每個功率單元光纖通訊接收主控系統(tǒng)發(fā)送調制信息以產生負載電機需要電壓和頻率，而功率單元狀態(tài)信息也光纖反饋給主控系統(tǒng)，由主控系統(tǒng)進行統(tǒng)一控制。該光纖是模塊與主控系統(tǒng)之間唯一連接，每個功率單元與主控系統(tǒng)是完全電氣隔離。
2.3高壓變頻器PWM技術
高壓變頻器PWM技術是變頻器研究中一個關鍵技術，它決定功率變換實現(xiàn)與否，對變頻器輸出電壓波形質量，電路中有源和無源器件應力，系統(tǒng)損耗減少與效率提高等方面都有直接影響。
MLVERT-D06系列高壓變頻器采用了移相式多電平PWM技術，它是傳統(tǒng)兩電平PWM技術擴展，它本質是PWM技術與多重化技術有機結合。這里以2單元串聯(lián)高壓變頻器為例說明其基本原理，圖2給出了2單元串聯(lián)高壓變頻器其中一相串聯(lián)示意圖。
2兩個功率單元串聯(lián)示意圖
3給出了移相式多電平PWM調制波形圖。
3中兩個功率單元載波互差
180°相位角，2個載波調制同一信號波，調制方法是，當信號波大于三角載波時，給出導通控制信號；相反則給出關斷控制信號。圖3中每個功率單元兩個半橋上下橋臂開關管互補導通和關斷，驅動A+1、B-1、A+2、B-2開關器件驅動信號、由此產生兩個功率單元輸出電壓波形以及合成電壓波形如圖3所示。
、3載波移相多電平PWM調制
，6功率單元串聯(lián)高壓變頻器，各單元采用共同調制波信號，各載波相位相互錯開載波周期1/6，對每個功率單元進行SPWM控制，載波移相，使每個功率單元輸出PWM脈沖相互錯開，這樣疊加后，使輸出波形為多電平（相電壓13種電平，線電壓25種電平輸出），同時輸出波形等效開關頻率達到單元開關頻率6倍，大大改善輸出波形，減少輸出諧波，使輸出電壓非常接近正弦波。同時輸出電壓每個電平臺階單元直流母線電壓大小，dv/dt很小，對電機沒有危害，不必設置輸出濾波器，就可以使用原有電機。其輸出波形如圖4所示。
4高壓變頻器輸出電壓和電流波形
3循環(huán)水泵變頻改造方案
3.2系統(tǒng)方案
對電廠循環(huán)水泵變頻改造遵循了“最小改動，最大可靠性，最優(yōu)經(jīng)濟性”原則，為兩臺循環(huán)水泵電機進行了“一拖二”改造，此方案優(yōu)點是兩臺電機可以其中任何一臺變頻運行，另外一臺工頻運行或工頻備用，電機變頻方案示意圖如圖5所示。
5循環(huán)水泵變頻方案示意圖
5中工頻旁路系統(tǒng)由兩個高壓柜組成，每個高壓柜內有3個高壓隔離開關，其中刀閘QS1、QS2與QS3，QS4、QS5與QS6有機械互鎖，不能同時合；QS1與QS4、QS5，QS4與QS1、QS2有電氣互鎖，不能同時合。進行變頻改造后，循環(huán)水泵閥門開度保持全開，基本不需要改變。實際所需水量，由DCS系統(tǒng)PID調節(jié)，輸出4～20mA模擬電流信號送給變頻器，變頻器調節(jié)輸出頻率改變電機轉速，達到調節(jié)流量目，滿足運行工況要求。
同時，變頻改造后電機啟動和調節(jié)過程中，轉速平穩(wěn)變化，沒有出現(xiàn)任何沖擊電流，解決了電機啟動時大電流沖擊問題，消大啟動電流對電機、傳動系統(tǒng)、主機及管道沖擊應力，大大降低維護保養(yǎng)費用。
4節(jié)能分析
4.1節(jié)能原理
水泵工作原理與運行曲線，可以到圖6中100％轉速運行曲線，這條曲線配合水泵不同流量運行時特性曲線（阻抗曲線）可以到未應用變頻調速情況下使用閥門調節(jié)控制流量、壓力。
理論上，全流量工作時，采用變頻器和閥門調節(jié)時，輸入功率一致，其功率為AI0K包圍面積，當水泵運行點由A（100％流量）點移動到B點（80％流量）時，采用閥門調節(jié)控制時，電動機功率為BH0L包圍面積，采用變頻器拖動水泵后，特性改變，其輸入功率為EJ0L包圍面積，其節(jié)能效果為：BHJE包圍面積。理論上，采用變頻器改造水泵后，將會取很好節(jié)能效果。
6水泵閥門調節(jié)與變頻調節(jié)運行曲線圖
由流體力學可知流量Q與轉速n一次方成正比，壓力H與轉速n平方成正比，軸功率Ps與轉速n立方成正比，即Q∞n，H∞n²，Ps∞n³。
當所需要流量減少，水泵轉速降低時，其軸功率按轉速三次方下降。如所需流量為額定流量80%，則轉速也下降為額定轉速80%，那么水泵軸功率將下降為額定功率51.2%；當所需要流量為額定流量50%時，水泵軸功率將下降為其額定功率12.5%。當然轉速降低時，效率也會有所降低，同時還應考慮控制裝置附加損耗等影響。
4.2經(jīng)濟效益
MLVERT-D06/320.A變頻器自2005年建設兵團新疆奎屯電廠投運以來，運行良好，達到了改造目。
變頻改造前后運行記錄，變頻改造前，每一班8小時，耗電為2000kWh；變頻改造后，每一班8小時，耗電為1400kWh，變頻改造后相比改造前節(jié)能達30％。年平均運行300天計算，年節(jié)電可達：（2000－1400）kWh/班×3班/天×300天＝54萬度，經(jīng)濟效益十分可觀。
變頻改造以后，循環(huán)泵調節(jié)閥門一直處于全開狀態(tài)，對其維護量大大減少。變頻啟動時電機轉速從零逐漸平穩(wěn)升到所需轉速，沒有任何沖擊，電流從零開始上升，不會超過額定電流，解決了電機啟動時大電流沖擊問題，消大啟動電流對電機、傳動系統(tǒng)和主機沖擊應力，大大降低日常維護保養(yǎng)費用，延長了電機、水泵壽命。
該高壓變頻器具有運行穩(wěn)定、調速范圍廣、輸出波形正弦好、輸入電流功率因數(shù)高、效率高等特點，對電網(wǎng)諧波污染小，總體諧波畸變THD小于4%，直接滿足IEEE519-1992諧波抑制標準，功率因數(shù)高，不必采用功率因數(shù)補償裝置，輸出波形好，不存諧波引起電機附加發(fā)熱和轉矩脈動、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題，不必加輸出濾波器，就可以使用普通異步電機。
2電網(wǎng)送來三相6kV/50HZ交流電經(jīng)輸入變壓器降壓后給功率單元供電，功率單元為三相輸入，單相輸出交直交PWM電壓源型逆變器結構，相鄰功率單元輸出端串接起來，形成Y接結構，實現(xiàn)變壓變頻直接輸出，6kV輸出電壓每相由6個額定電壓為580V功率單元串聯(lián)到，輸出相電壓3480V，線電壓可達6kV。
每個功率單元采用電壓源型結構，直流環(huán)節(jié)為濾波電容，電機所需無功功率由電容提供，而不需要和電網(wǎng)交換，變頻器輸入功率因數(shù)高，可保持0.96以上，且整個速度范圍段內基本保持不變，不需采用功率因數(shù)補償裝置。
建設兵團新疆奎屯電廠二廠裝機容量為2×250MW。循環(huán)供水系統(tǒng)中，是由循環(huán)水泵實現(xiàn)水資源循環(huán)利用，經(jīng)熱交換后熱水進入冷卻設施進行冷卻，使其水溫降至允許值，然后又重復將冷卻水輸入凝汽器而循環(huán)使用。系統(tǒng)水位基本上是穩(wěn)定，故循環(huán)水泵揚程也基本穩(wěn)定，而其容量按計算水量確定。兩臺機組使用共有循環(huán)水管供水，配備4臺功率為176kW循環(huán)水泵，配套電機為250kW/6kV及220kW/6kV各兩臺。
1變頻器選型
改造循環(huán)水泵是兩臺雙側布置，甲乙兩臺水泵均采用調節(jié)閥門開度方式控制流量，電機設計時冗余較大，加上流量控制采用閥門調節(jié)引起阻力損耗，電能浪費特別嚴重，影響機組經(jīng)濟運行。
一般情況下，變頻器容量應不小于電動機容量，這樣能滿足電機額定出力內進行不同轉速調節(jié)。現(xiàn)實生產工作中，實際運行工況來選擇合適變頻器容量，既能滿足生產需要，又能節(jié)省變頻器投資及減少配套設施?？碗姀S循環(huán)水泵配套電機功率為6kV/250kW，滿足50Hz時滿負荷運行要求，為其配備了容量為320kVA變頻器以滿足各種工況下不同轉速調節(jié)要求。
變頻改造前，水量調節(jié)是過調節(jié)水泵閥門開度來實現(xiàn)，水泵及電動機運行低效率工作區(qū)，能源浪費嚴重，同時奎屯電廠屬于獨立電網(wǎng)，工頻直接啟動對電動機和電網(wǎng)沖擊都很大，并容易造成電機籠條松動、有開焊斷條危險。
基于以上原因，奎屯電廠決定對機組循環(huán)水泵進行了變頻改造，考察，最后選擇廣東明陽龍源電力電子有限公司型號為MLVERT-D06/320變頻器對兩臺250kW/6kV電機進行“一拖二”改造。
2高壓變頻器組成和原理
MLVERT-D系列高壓變頻器是廣東明陽龍源電力電子有限公司生產具有自主知識產權，無電網(wǎng)污染調速系統(tǒng)，采用結構為多單元串聯(lián)，輸出為多電平移相式PWM方式。特別適合于風機、泵類工業(yè)應用現(xiàn)場，已經(jīng)被廣大工業(yè)用戶接受和充分認可。下面以6kV系列為例說明其原理，變頻器主電路結構見圖1。
2.1輸入變壓器
MLVERT-D06系列高壓變頻器輸入側隔離變壓器采用移相式變壓器，變壓器原邊繞組為6kV，副邊共18個繞組分為三相。每個繞組為延邊三角形接法，分成6個不同相位組，分別有±5o、±15o、±25o移相角度，形成36脈波二極管整流電路結構。每個副邊繞組接一個功率單元，這種移相接法可以有效消除35次以下諧波。對電網(wǎng)諧波污染小，直接滿足IEEE519-1992諧波抑制標準。
2.2功率單元
每個功率單元光纖通訊接收主控系統(tǒng)發(fā)送調制信息以產生負載電機需要電壓和頻率，而功率單元狀態(tài)信息也光纖反饋給主控系統(tǒng)，由主控系統(tǒng)進行統(tǒng)一控制。該光纖是模塊與主控系統(tǒng)之間唯一連接，每個功率單元與主控系統(tǒng)是完全電氣隔離。
2.3高壓變頻器PWM技術
高壓變頻器PWM技術是變頻器研究中一個關鍵技術，它決定功率變換實現(xiàn)與否，對變頻器輸出電壓波形質量，電路中有源和無源器件應力，系統(tǒng)損耗減少與效率提高等方面都有直接影響。
MLVERT-D06系列高壓變頻器采用了移相式多電平PWM技術，它是傳統(tǒng)兩電平PWM技術擴展，它本質是PWM技術與多重化技術有機結合。這里以2單元串聯(lián)高壓變頻器為例說明其基本原理，圖2給出了2單元串聯(lián)高壓變頻器其中一相串聯(lián)示意圖。
2兩個功率單元串聯(lián)示意圖
3給出了移相式多電平PWM調制波形圖。
3中兩個功率單元載波互差
180°相位角，2個載波調制同一信號波，調制方法是，當信號波大于三角載波時，給出導通控制信號；相反則給出關斷控制信號。圖3中每個功率單元兩個半橋上下橋臂開關管互補導通和關斷，驅動A+1、B-1、A+2、B-2開關器件驅動信號、由此產生兩個功率單元輸出電壓波形以及合成電壓波形如圖3所示。
、3載波移相多電平PWM調制
，6功率單元串聯(lián)高壓變頻器，各單元采用共同調制波信號，各載波相位相互錯開載波周期1/6，對每個功率單元進行SPWM控制，載波移相，使每個功率單元輸出PWM脈沖相互錯開，這樣疊加后，使輸出波形為多電平（相電壓13種電平，線電壓25種電平輸出），同時輸出波形等效開關頻率達到單元開關頻率6倍，大大改善輸出波形，減少輸出諧波，使輸出電壓非常接近正弦波。同時輸出電壓每個電平臺階單元直流母線電壓大小，dv/dt很小，對電機沒有危害，不必設置輸出濾波器，就可以使用原有電機。其輸出波形如圖4所示。
4高壓變頻器輸出電壓和電流波形
3循環(huán)水泵變頻改造方案
3.2系統(tǒng)方案
對電廠循環(huán)水泵變頻改造遵循了“最小改動，最大可靠性，最優(yōu)經(jīng)濟性”原則，為兩臺循環(huán)水泵電機進行了“一拖二”改造，此方案優(yōu)點是兩臺電機可以其中任何一臺變頻運行，另外一臺工頻運行或工頻備用，電機變頻方案示意圖如圖5所示。
5循環(huán)水泵變頻方案示意圖
5中工頻旁路系統(tǒng)由兩個高壓柜組成，每個高壓柜內有3個高壓隔離開關，其中刀閘QS1、QS2與QS3，QS4、QS5與QS6有機械互鎖，不能同時合；QS1與QS4、QS5，QS4與QS1、QS2有電氣互鎖，不能同時合。進行變頻改造后，循環(huán)水泵閥門開度保持全開，基本不需要改變。實際所需水量，由DCS系統(tǒng)PID調節(jié)，輸出4～20mA模擬電流信號送給變頻器，變頻器調節(jié)輸出頻率改變電機轉速，達到調節(jié)流量目，滿足運行工況要求。
同時，變頻改造后電機啟動和調節(jié)過程中，轉速平穩(wěn)變化，沒有出現(xiàn)任何沖擊電流，解決了電機啟動時大電流沖擊問題，消大啟動電流對電機、傳動系統(tǒng)、主機及管道沖擊應力，大大降低維護保養(yǎng)費用。
4節(jié)能分析
4.1節(jié)能原理
水泵工作原理與運行曲線，可以到圖6中100％轉速運行曲線，這條曲線配合水泵不同流量運行時特性曲線（阻抗曲線）可以到未應用變頻調速情況下使用閥門調節(jié)控制流量、壓力。
理論上，全流量工作時，采用變頻器和閥門調節(jié)時，輸入功率一致，其功率為AI0K包圍面積，當水泵運行點由A（100％流量）點移動到B點（80％流量）時，采用閥門調節(jié)控制時，電動機功率為BH0L包圍面積，采用變頻器拖動水泵后，特性改變，其輸入功率為EJ0L包圍面積，其節(jié)能效果為：BHJE包圍面積。理論上，采用變頻器改造水泵后，將會取很好節(jié)能效果。
6水泵閥門調節(jié)與變頻調節(jié)運行曲線圖
由流體力學可知流量Q與轉速n一次方成正比，壓力H與轉速n平方成正比，軸功率Ps與轉速n立方成正比，即Q∞n，H∞n²，Ps∞n³。
當所需要流量減少，水泵轉速降低時，其軸功率按轉速三次方下降。如所需流量為額定流量80%，則轉速也下降為額定轉速80%，那么水泵軸功率將下降為額定功率51.2%；當所需要流量為額定流量50%時，水泵軸功率將下降為其額定功率12.5%。當然轉速降低時，效率也會有所降低，同時還應考慮控制裝置附加損耗等影響。
4.2經(jīng)濟效益
MLVERT-D06/320.A變頻器自2005年建設兵團新疆奎屯電廠投運以來，運行良好，達到了改造目。
變頻改造前后運行記錄，變頻改造前，每一班8小時，耗電為2000kWh；變頻改造后，每一班8小時，耗電為1400kWh，變頻改造后相比改造前節(jié)能達30％。年平均運行300天計算，年節(jié)電可達：（2000－1400）kWh/班×3班/天×300天＝54萬度，經(jīng)濟效益十分可觀。
變頻改造以后，循環(huán)泵調節(jié)閥門一直處于全開狀態(tài)，對其維護量大大減少。變頻啟動時電機轉速從零逐漸平穩(wěn)升到所需轉速，沒有任何沖擊，電流從零開始上升，不會超過額定電流，解決了電機啟動時大電流沖擊問題，消大啟動電流對電機、傳動系統(tǒng)和主機沖擊應力，大大降低日常維護保養(yǎng)費用，延長了電機、水泵壽命。
