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節能技術改造，推廣節能科技管理

成果概要
　  電動機是公認的耗電大戶，其占整個國民經濟用電量的6成以上。交流電機變頻調速是當今節約電能，改善生產工藝流程，提高產品質量，以及改善運行環境的一種主要手段。變頻調速以其高效率，高功率因數，以及優異的調速和啟制動性能等諸多優點而被國內外公認為最有發展前途的調速方式。當采用變轉速調節時，其效率最高，因為流量隨轉速的一次方下降，而其軸功率則按轉速的三次方規律下降，而目前性能最佳的調速方式則是國際上公認的交流變頻調速技術。大力推廣變頻調速技術是實現這一目標的必要手段，它也是交流電動機節能改造的工作重點。
　  使用變頻驅動是業界公認的電機節能方式!
　  以前的中壓變頻器，由可控硅整流，可控硅逆變等器件構成，缺點很多，諧波大，對電網和電機都有影響。近年來，隨著電力技術的發展，變頻調速技術的日臻完善，發展起來的一些新型器件將改變這一現狀，如IGBT、IGCT、SGCT等等。由它們構成的中壓變頻器，性能優異，可以實現PWM逆變，甚至是PWM整流。不僅具有諧波小，功率因數也有很大程度的提高，已經取代了擋板和閥門的調節方式。其穩定安全的運行性能、簡單方便的操作方式、以及完善的功能，將使變頻最終達到高效率的運行目的。
　  我公司根據中壓變頻行業的發展方向，目前已經采用先進的DSP+FPGA控制技術，在控制方面對輸出波形的優化及功能的完善，達到了變頻器的高精度、多功能要求，在變頻器大容量方面都有很大的突破，完全能夠根據現場的用戶工況及控制要求做相應的配置，真正滿足現場安全、穩定、可靠的運行。由于變頻器的軟啟動特性，降低了風道及閥門的磨損，減少了檢修維護的次數，增加了可生產時間，不僅實現了系統節能降耗，還對生產效率的提高起到了一定促進作用，改造價值相當可觀。
　  前言和實施背景
　  1.公司簡介
　  常州市富盛星特電子有限公司是一家致力于環保節能產品的開發，設計，現場施工與一體的綜合性民營科技企業。公司坐落在江南名城常州市橫山橋鎮西柳工業區，環境秀麗，交通極為便利，公司擁有一批經驗豐富，技術全面和完善的管理團隊，并且通過ISO9001質量管理體系和ISO14001環境管理體系。本公司還與世界級500強公司美國艾默生公司簽訂了指定合作伙伴協議書，主要從事節能產品的銷售和產品合作，共同為國內礦產，電力，石油石化，水利等用戶提供高質量的節能成套電氣，高壓變頻器產品，公司以“環保節能”為主導，以“高科技，高創新”為方向，以“良好的服務和優質的產品”為基石，以“先進的管理方法”為理念，以“不斷進取”為動力，為我國的節能環保事業貢獻出富盛星特人的辛勤的汗水和聰明的智慧。
　  2.實施背景
　  1）中國能源現狀
　  能源短缺和環境污染是人類當前共同面臨的世紀性難題。據統計全球已探明石油儲量只夠使用30～50年。我國自然資源總量排世界第七位，能源資源總量約4萬億噸標準煤，居世界第三位，但我國人口眾多，能源資源相對匱乏。隨著工業化和城鎮化進程的加快，某些重要礦產資源不足的矛盾日益突出，某些重要原材料長期需要進口。
　  當前，全世界都在關注碳排放問題，節能是減少碳排放的重要方式之一，每節約 1 度電相當于減少 0.96 公斤CO2。中國正處在高速發展時期，所發電量的約 45% 都消耗在大型電機拖動上，由于可靠性方面的考慮，原有大型電機，尤其是 MW 級電機大都未使用變頻驅動，如果增加變頻驅動，平均可節能 30~40%，這里有巨大的節能減排空間。
　  因此要解決資源戰略問題，必須大力開展能源節約與資源綜合利用。電力資源是資源戰略問題中的重中之重，是國民經濟和社會發展的重要基礎。面對經濟和社會發展巨大電力需求，在加快開發和建設的同時，要抓好節約，提高效率，保護環境。
　  2）變頻行業介紹
　  電動機是公認的耗電大戶，其占整個國民經濟用電量的6成以上。交流電機變頻調速是當今節約電能，改善生產工藝流程，提高產品質量，以及改善運行環境的一種主要手段。變頻調速以其高效率，高功率因數，以及優異的調速和啟制動性能等諸多優點而被國內外公認為最有發展前途的調速方式。當采用變轉速調節時，其效率最高，因為流量隨轉速的一次方下降，而其軸功率則按轉速的三次方規律下降，而目前性能最佳的調速方式則是國際上公認的交流變頻調速技術。大力推廣變頻調速技術是實現這一目標的必要手段，它也是交流電動機節能改造的工作重點。
　  使用變頻驅動是業界公認的電機節能方式!
　  以前的中壓變頻器，由可控硅整流，可控硅逆變等器件構成，缺點很多，諧波大，對電網和電機都有影響。近年來，隨著電力技術的發展，變頻調速技術的日臻完善，發展起來的一些新型器件將改變這一現狀，如IGBT、IGCT、SGCT等等。由它們構成的中壓變頻器，性能優異，可以實現PWM逆變，甚至是PWM整流。不僅具有諧波小，功率因數也有很大程度的提高，已經取代了擋板和閥門的調節方式。其穩定安全的運行性能、簡單方便的操作方式、以及完善的功能，將使變頻最終達到高效率的運行目的。
　  
　  我司與美國艾默生網絡能源有限公司合作的變頻器工作原理和特點
　  1.工作原理
　  中壓變頻器主要由移相變壓器、24個單相H橋逆變器（三相輸入單相輸出的功率單元）及控制系統組成。通過把每個功率單元的交流輸出串聯起來，實現10kV中壓輸出，并減小了輸出電壓的諧波。變頻器的系統原理框圖如圖1所示：
　  
　  圖1中壓變頻器系統原理框圖
　  移相變壓器的作用是將一次側高壓變換為各功率單元所需要的多組二次側電壓，同時實現一次側與二次側線電壓的相位偏移和電氣隔離，減小一次側諧波。移相變壓器的二次側繞組一般采用延邊三角形接法，各繞組間有固定的相位差，形成48脈沖整流方式，使變壓器二次側各繞組（即功率單元輸入）的諧波電流相互抵消，不反映到一次側，從而顯著改善了網側的電流波形，輸入電流波形接近正弦波，消除變頻器對電網的諧波污染。變頻器輸入功率因數到達0.95以上。輸入電流電壓波形如圖2所示。
　  
　  圖2 輸入電流電壓波形
　  中壓變頻器的輸出側電壓由各功率單元的輸出電壓串聯形成，每個功率單元的輸出均為等幅PWM電壓波形，各單元輸出相互間有確定的相位偏移，串聯疊加后在變頻器輸出側構成正弦階梯狀PWM波形。這種拓撲又稱為串聯H橋多電平逆變器，變頻器的主拓撲如圖3所示。
　  
　  圖3 系統主功率拓撲框圖
　  每個功率單元的開關頻率可以較低，但變頻器輸出側電壓的等效開關頻率卻較高，大大減小了變頻器輸出的高次諧波。控制系統適時控制各功率單元的逆變器輸出，得到頻率和幅值均可調的交流輸出電壓，實現電動機的變頻調速控制。
　  每個功率單元三相輸入均為移相變壓器副繞組的輸出，經過二極管整流和直流儲能電容的濾波，形成穩定的直流電壓，輸出部分為IGBT逆變橋，在主控系統的控制下，輸出均為等幅PWM電壓波形，同一相的8個功率單元輸出之間有確定的相位偏移，串聯疊加后在變頻器輸出側構成正弦階梯狀PWM波形。功率單元電路原理如圖4所示。
　  
　  圖4功率單元電路原理示意圖
　  電平數的增加有利于改善輸出波形，由諧波引起的電機發熱，噪音和轉矩脈動都大大降低，所以這種變頻器對電機沒有特殊要求，可直接用于普通異步電機，不需要輸出濾波器。輸出電流電壓波形如圖5所示。
　  
　  圖5 輸出電流電壓波形
　  由于不是采用傳統的器件串聯的方式來實現高壓輸出，而是采用整個功率單元串聯，器件承受的最高電壓為單元內直流母線的電壓，可直接使用低壓功率器件，器件不必串聯，不存在器件串聯引起的均壓問題。功率單元中采用的低壓IGBT功率模塊，驅動電路簡單，技術成熟可靠。
　  功率單元采用模塊化結構和標準化設計，同規格變頻器內的所有功率單元可以互換，維修也非常方便。
　  2.特點
　  1）獨家雙核控制器設計，系統更可靠
　  MegaVert系列中壓變頻器主控制板采用2塊DSP加1塊FPGA作為主控制芯片：一片DSP實現邏輯控制，另一片實現算法控制，兩片主控制芯片通過雙口RAM實現數據交換。控制系統邏輯運行和算法控制獨立完成，其運算速度更快，抗干擾能力更強。
　  
　  
　  2）更高的模塊可靠性設計
　  MegaVert系列中壓變頻器以品質、安全為首要設計原則。
　  母線電容選用8200uf/450V電解電容（同類產品一般采用6800uf/400），可以儲存更多能量，可以延長掉電支撐時間及抗過壓能力。因此艾默生變頻器的功率器件電壓安全設計冗余量更高。
　  母線電容采用長壽命設計， 設計壽命5000小時（電容的最大溫度工作點）， 業界一般壽命2000小時。 是其他廠家的2.5倍， 確保功率模塊具有高壽命，減少客戶維修成本。
　  3）可靠的元器件選型
　  MegaVert系列中壓變頻器的主要核心元器件均采用進口產品，IGBT和整流橋選用德國英飛凌，電解電容選用日本HICON品牌，冷卻風扇采用德國進口EBM軸流風機。
　  4）更寬的電壓工作范圍
　  MegaVert系列中壓變頻器對電網電壓在±10%范圍內波動，變頻器能滿載輸出；電網電壓短時下降至額定電壓的55％時，可繼續降額運行，不進行保護。
　  5）瞬間掉電不停機
　  MegaVert系列中壓變頻器當電源瞬停300ms以內，變頻器繼續帶電機運行；電源瞬停5s以內，變頻器繼續跟蹤電動機的墮轉頻率，并且維持所有功率模塊的直流母線電壓大于直流母線欠壓關機點，待電源恢復后再重新啟動變頻器加速，恢復正常運行。
　  
　  
　  6）變壓器輔助繞組專利化設計
　  MegaVert系列中壓變頻器通過變壓器自身專利化設計的380V輔助繞組，利用控制電源對功率單元先預充電，預充電完成后再合閘主電源，可減少合閘時對變壓器的沖擊，大大提高了變壓器的使用壽命。 
　  另外利用此繞組可以在只通控制電源情況下就可以對變頻器功率回路進行空載調試，大大簡化了調試過程。
　  7）更可靠控制電源冗余設計
　  MegaVert系列中壓變頻器控制回路采用一路現場提供控制電源380V，一路專門設計的變壓器輸出電源380V，冗余熱備份，兩路控制電源之間無切換時間。當兩路控制電源掉電后，系統仍然能夠通過電池組或超級電容供電，最大限度提高系統的可用性。
　  
　  8）適用工業環境的最優設計
　  控制板采用8層PCB設計，功率模塊控制板采用4層PCB設計，確保變頻器在各種惡劣應用環境中可靠運行。
　  所有電路板都進行三層三防漆處理，保證系統有效的防潮、防塵。
　  
　  9）最簡潔操作、最快捷維護
　  MegaVert系列中壓變頻器操作界面采用10寸液晶觸摸屏，界面清晰大方；采用獨特的托架式抽出結構模塊設計，更換模塊快捷方便，濾網更能在線更換。
　  
　  
　  
　  產品應用領域和案例
　  1.應用領域
　  
　  
　  
　  
　  
　  
　  
　  
　  
　  
　  2.案例
　  
　  在煤礦開采、石化應用、水泥行業、供水、電力、冶金、船舶等生產過程中，還有很多其他的設備可以使用到變頻器，特別是中壓設備，如中壓空壓機等。隨著變頻器技術的逐漸發展，將有越來越多的場合會利用到變頻器的優越特性，達到改善工藝，節能降耗的目的，變頻器將為企業效益，也為綠色低碳生活帶來無盡的希望。