西門子PLC主機317-2PN/DP

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湖南國雄智能科技有限公司

  1、前言

    我國現有風機、水泵4000萬余臺，用電量占總發電量的30％、55％的風機、水泵可改為調速運行，按節電率20％計算，年節電可達200億kW.h。風機、水泵采用交流變頻器調速運行后，節能。有關方面的統計見表1。

表1 風機、水泵設備調速節能情況

    近年來，通過政策的引導和支持，部分企業對風機、水泵投資進行了節能改造，取得一定的成效，同時也使企業充分認識到采用交流變頻調速技術進行技術改造是降低成術，提高效益的有效途徑，符合企業長遠發展的根本利益。但目前主要在低壓中小容量（380V，315 kW以下）設備上應用，而我國大容暈的風機、水泵電壓等級為6 kV或10 kV。數量多，分布廣泛。如自來水行業的水泵，冶金行業的風機、水泵，石油行業的輸油泵、注水泵，化工行業的風機、壓縮機，電力行業的鍋爐風機、泵，礦山的風機等。對這些高壓大容量的風機水泵設備進行交流變頻調遮技術改造，節能效益將十分顯著。同時，節電的投資成本比發電要低得多（見表2），節電投資只是發電投資的1/10～1/100。在能源曰趨緊張、倡導循環經濟的今天，可見對風機、水泵這類“耗電大戶”進行節能改造是潛力巨大，意義重大，而且見效快，效益好。

    國內已有企業對應用交-直-交高壓大容量變器進行了嘗試，并取得了很好的效果，節能在50％以上。因此，開發高壓大容量交流變頻器。是十分必要和非常緊迫的。

表2 節電與發電投資成本比較

    2、國外高壓大容量交流變頻技術發展情況

    目前，國外能生產高壓大容量交流變頻器的廠家主要有：西門子、CEGELEC、艾倫-布拉德、羅賓康、ROSS HILL等少數幾個公司，主要有以下幾種方案。

    （1）高-低-高方式
    
    這是目前應用多的一種方式，所謂高-低-高方式，就是在通用變頻器（低壓）輸入側前加一個降壓變壓器，在變頻器輸出側后加。個升壓變壓器而構成高址變頻驅動系統，如西門子公司曾采用SCR電流型的SIMOVERTA系列交流變頻器，現在又采用新一代的IGBT電壓型S1MOVERT Master Drives系列交流變頻器，加上降壓/升壓變壓器組成高壓交流變頻系統。

    此種方式的特點是：
    1）易于實現，因變頻系統的主體采用現成的低壓通用變頻器，電壓據情況可選380～1000VAC，通過降壓/升壓變壓器，即可用于3000～10000VAC電動機的變頻調速驅動。
    2）輸入變壓器一般采用一繞組變壓器，兩個副邊繞組相差30°電角度，以實現12脈沖工作方式，減少主回路諧波。
    3）由于變頻器輸出含有高次諧波及直流分量，輸出（升壓）變壓器須特殊設計。

    （2）直接高壓方式
    
    此方式即直接對高壓電源進行整流后逆變輸出，無需降壓/升壓變壓器。
    其性能特點：
    1）適用于400～1000OHP，2300～7200VAC交流電動機，輸出頻率：2～75Hz，準正弦波輸出。
    2）PWM-CSI脈寬調制電流型逆變器設計，全數字矢量控制。
    3）GTO逆變器技術。
    4）無降壓，升壓變壓器，因而結構緊湊，損耗也小。
    5）因諧波問題，可能需裝諧波濾波器。

    （3）多重化方式
    
    此種方式是由多個低壓功率單元串聯疊加而達到高壓輸出。每個功率單元額定輸出電壓為865 V，每相4個功率單元，則相電壓為3460V，所對應的線電壓為6000V。各個功率單元由一體化的輸入隔離變壓器的副邊線圈分別供電，副邊線圈采用多種接法，互相存在一個相位差以實現輸入多重化，由此可消除各功率單元產生的諧波。另外，每個功率單元都是一個三相輸入，單相輸出的變頻器，通過采用多重化的脈寬調制技術，而合成近乎的正弦波輸出電壓。因此，ROBICON稱之為無諧波高壓變頻器。
    
    這種方式的特點是：

    1）對電網的諧波污染很小，見表3。

表3 多重化變頻器與電流型變頻器諧波比較

    2）效率高，由于多重化變頻器無輸出變壓器，也無需功率因數補償裝置、諧波濾波器等。同時由于諧波分量小，電源變壓器及電動機的損耗小，日而系統效率高，見表4。

表4 多重化變頻器與CSI變頻器效率比較（％）

    3）油于采用了多重化的脈寬調制技術，提供正弦輸出波形，不再有因諧波引起的轉矩脈動及電動機發熱、噪音問題。而且無論變頻器到電動機的電纜有多長都可以保護電動機不受共模電壓和dv/dt的損害。
    4）技術較復雜，所用功率元件多。

    3、國產化方案與途徑

    根據我國工業的實際情況，并著眼于未來，多重化高壓變頻器性能好，效率高，無諧波污染，是我們開發高壓變頻器的理想方案。
    
    1）多重化高壓變頻器系統由高壓進線柜、輸入隔離變壓器柜、功率單元柜、輸出和控制柜組成。目前除控制部分外，大部分可國內生產、配套，因而可顯著降低柜體的生產安裝成本。
    2）其輸入隔離變壓器采用國產千式變壓器，可以滿足要求，且價格便宜。
    3）功率元件可立足于國內，以降低、控制整機成本。國內SCR、GTO生產技術己較為成熟，工藝穩定，價格合理。隨著GTR、IGBT、IPM等電力電子器件的迅速發展，將為整機的開發生產創造更加良好的條件。
    4）功率單元為抽屜式，各功率單兀使用的是常見的低壓器件，便于生產、測試及維護。

    總之，通過技術引進，選擇合理方案，逐步實現國產化，是可能的，并可大大降低成本，節約外匯，同時推動我國電力電子技術和電氣節能技術的發展。
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