节能技术改造，推广节能科技管理

成果概要
　  电动机是公认的耗电大户，其占整个国民经济用电量的6成以上。交流电机变频调速是当今节约电能，改善生产工艺流程，提高产品质量，以及改善运行环境的一种主要手段。变频调速以其高效率，高功率因数，以及优异的调速和启制动性能等诸多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。当采用变转速调节时，其效率最高，因为流量随转速的一次方下降，而其轴功率则按转速的三次方规律下降，而目前性能最佳的调速方式则是国际上公认的交流变频调速技术。大力推广变频调速技术是实现这一目标的必要手段，它也是交流电动机节能改造的工作重点。
　  使用变频驱动是业界公认的电机节能方式!
　  以前的中压变频器，由可控硅整流，可控硅逆变等器件构成，缺点很多，谐波大，对电网和电机都有影响。近年来，随着电力技术的发展，变频调速技术的日臻完善，发展起来的一些新型器件将改变这一现状，如IGBT、IGCT、SGCT等等。由它们构成的中压变频器，性能优异，可以实现PWM逆变，甚至是PWM整流。不仅具有谐波小，功率因数也有很大程度的提高，已经取代了挡板和阀门的调节方式。其稳定安全的运行性能、简单方便的操作方式、以及完善的功能，将使变频最终达到高效率的运行目的。
　  我公司根据中压变频行业的发展方向，目前已经采用先进的DSP+FPGA控制技术，在控制方面对输出波形的优化及功能的完善，达到了变频器的高精度、多功能要求，在变频器大容量方面都有很大的突破，完全能够根据现场的用户工况及控制要求做相应的配置，真正满足现场安全、稳定、可靠的运行。由于变频器的软启动特性，降低了风道及阀门的磨损，减少了检修维护的次数，增加了可生产时间，不仅实现了系统节能降耗，还对生产效率的提高起到了一定促进作用，改造价值相当可观。
　  前言和实施背景
　  1.公司简介
　  常州市富盛星特电子有限公司是一家致力于环保节能产品的开发，设计，现场施工与一体的综合性民营科技企业。公司坐落在江南名城常州市横山桥镇西柳工业区，环境秀丽，交通极为便利，公司拥有一批经验丰富，技术全面和完善的管理团队，并且通过ISO9001质量管理体系和ISO14001环境管理体系。本公司还与世界级500强公司美国艾默生公司签订了指定合作伙伴协议书，主要从事节能产品的销售和产品合作，共同为国内矿产，电力，石油石化，水利等用户提供高质量的节能成套电气，高压变频器产品，公司以“环保节能”为主导，以“高科技，高创新”为方向，以“良好的服务和优质的产品”为基石，以“先进的管理方法”为理念，以“不断进取”为动力，为我国的节能环保事业贡献出富盛星特人的辛勤的汗水和聪明的智慧。
　  2.实施背景
　  1）中国能源现状
　  能源短缺和环境污染是人类当前共同面临的世纪性难题。据统计全球已探明石油储量只够使用30～50年。我国自然资源总量排世界第七位，能源资源总量约4万亿吨标准煤，居世界第三位，但我国人口众多，能源资源相对匮乏。随着工业化和城镇化进程的加快，某些重要矿产资源不足的矛盾日益突出，某些重要原材料长期需要进口。
　  当前，全世界都在关注碳排放问题，节能是减少碳排放的重要方式之一，每节约 1 度电相当于减少 0.96 公斤CO2。中国正处在高速发展时期，所发电量的约 45% 都消耗在大型电机拖动上，由于可靠性方面的考虑，原有大型电机，尤其是 MW 级电机大都未使用变频驱动，如果增加变频驱动，平均可节能 30~40%，这里有巨大的节能减排空间。
　  因此要解决资源战略问题，必须大力开展能源节约与资源综合利用。电力资源是资源战略问题中的重中之重，是国民经济和社会发展的重要基础。面对经济和社会发展巨大电力需求，在加快开发和建设的同时，要抓好节约，提高效率，保护环境。
　  2）变频行业介绍
　  电动机是公认的耗电大户，其占整个国民经济用电量的6成以上。交流电机变频调速是当今节约电能，改善生产工艺流程，提高产品质量，以及改善运行环境的一种主要手段。变频调速以其高效率，高功率因数，以及优异的调速和启制动性能等诸多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。当采用变转速调节时，其效率最高，因为流量随转速的一次方下降，而其轴功率则按转速的三次方规律下降，而目前性能最佳的调速方式则是国际上公认的交流变频调速技术。大力推广变频调速技术是实现这一目标的必要手段，它也是交流电动机节能改造的工作重点。
　  使用变频驱动是业界公认的电机节能方式!
　  以前的中压变频器，由可控硅整流，可控硅逆变等器件构成，缺点很多，谐波大，对电网和电机都有影响。近年来，随着电力技术的发展，变频调速技术的日臻完善，发展起来的一些新型器件将改变这一现状，如IGBT、IGCT、SGCT等等。由它们构成的中压变频器，性能优异，可以实现PWM逆变，甚至是PWM整流。不仅具有谐波小，功率因数也有很大程度的提高，已经取代了挡板和阀门的调节方式。其稳定安全的运行性能、简单方便的操作方式、以及完善的功能，将使变频最终达到高效率的运行目的。
　  
　  我司与美国艾默生网络能源有限公司合作的变频器工作原理和特点
　  1.工作原理
　  中压变频器主要由移相变压器、24个单相H桥逆变器（三相输入单相输出的功率单元）及控制系统组成。通过把每个功率单元的交流输出串联起来，实现10kV中压输出，并减小了输出电压的谐波。变频器的系统原理框图如图1所示：
　  
　  图1中压变频器系统原理框图
　  移相变压器的作用是将一次侧高压变换为各功率单元所需要的多组二次侧电压，同时实现一次侧与二次侧线电压的相位偏移和电气隔离，减小一次侧谐波。移相变压器的二次侧绕组一般采用延边三角形接法，各绕组间有固定的相位差，形成48脉冲整流方式，使变压器二次侧各绕组（即功率单元输入）的谐波电流相互抵消，不反映到一次侧，从而显著改善了网侧的电流波形，输入电流波形接近正弦波，消除变频器对电网的谐波污染。变频器输入功率因数到达0.95以上。输入电流电压波形如图2所示。
　  
　  图2 输入电流电压波形
　  中压变频器的输出侧电压由各功率单元的输出电压串联形成，每个功率单元的输出均为等幅PWM电压波形，各单元输出相互间有确定的相位偏移，串联叠加后在变频器输出侧构成正弦阶梯状PWM波形。这种拓扑又称为串联H桥多电平逆变器，变频器的主拓扑如图3所示。
　  
　  图3 系统主功率拓扑框图
　  每个功率单元的开关频率可以较低，但变频器输出侧电压的等效开关频率却较高，大大减小了变频器输出的高次谐波。控制系统适时控制各功率单元的逆变器输出，得到频率和幅值均可调的交流输出电压，实现电动机的变频调速控制。
　  每个功率单元三相输入均为移相变压器副绕组的输出，经过二极管整流和直流储能电容的滤波，形成稳定的直流电压，输出部分为IGBT逆变桥，在主控系统的控制下，输出均为等幅PWM电压波形，同一相的8个功率单元输出之间有确定的相位偏移，串联叠加后在变频器输出侧构成正弦阶梯状PWM波形。功率单元电路原理如图4所示。
　  
　  图4功率单元电路原理示意图
　  电平数的增加有利于改善输出波形，由谐波引起的电机发热，噪音和转矩脉动都大大降低，所以这种变频器对电机没有特殊要求，可直接用于普通异步电机，不需要输出滤波器。输出电流电压波形如图5所示。
　  
　  图5 输出电流电压波形
　  由于不是采用传统的器件串联的方式来实现高压输出，而是采用整个功率单元串联，器件承受的最高电压为单元内直流母线的电压，可直接使用低压功率器件，器件不必串联，不存在器件串联引起的均压问题。功率单元中采用的低压IGBT功率模块，驱动电路简单，技术成熟可靠。
　  功率单元采用模块化结构和标准化设计，同规格变频器内的所有功率单元可以互换，维修也非常方便。
　  2.特点
　  1）独家双核控制器设计，系统更可靠
　  MegaVert系列中压变频器主控制板采用2块DSP加1块FPGA作为主控制芯片：一片DSP实现逻辑控制，另一片实现算法控制，两片主控制芯片通过双口RAM实现数据交换。控制系统逻辑运行和算法控制独立完成，其运算速度更快，抗干扰能力更强。
　  
　  
　  2）更高的模块可靠性设计
　  MegaVert系列中压变频器以品质、安全为首要设计原则。
　  母线电容选用8200uf/450V电解电容（同类产品一般采用6800uf/400），可以储存更多能量，可以延长掉电支撑时间及抗过压能力。因此艾默生变频器的功率器件电压安全设计冗余量更高。
　  母线电容采用长寿命设计， 设计寿命5000小时（电容的最大温度工作点）， 业界一般寿命2000小时。 是其他厂家的2.5倍， 确保功率模块具有高寿命，减少客户维修成本。
　  3）可靠的元器件选型
　  MegaVert系列中压变频器的主要核心元器件均采用进口产品，IGBT和整流桥选用德国英飞凌，电解电容选用日本HICON品牌，冷却风扇采用德国进口EBM轴流风机。
　  4）更宽的电压工作范围
　  MegaVert系列中压变频器对电网电压在±10%范围内波动，变频器能满载输出；电网电压短时下降至额定电压的55％时，可继续降额运行，不进行保护。
　  5）瞬间掉电不停机
　  MegaVert系列中压变频器当电源瞬停300ms以内，变频器继续带电机运行；电源瞬停5s以内，变频器继续跟踪电动机的堕转频率，并且维持所有功率模块的直流母线电压大于直流母线欠压关机点，待电源恢复后再重新启动变频器加速，恢复正常运行。
　  
　  
　  6）变压器辅助绕组专利化设计
　  MegaVert系列中压变频器通过变压器自身专利化设计的380V辅助绕组，利用控制电源对功率单元先预充电，预充电完成后再合闸主电源，可减少合闸时对变压器的冲击，大大提高了变压器的使用寿命。 
　  另外利用此绕组可以在只通控制电源情况下就可以对变频器功率回路进行空载调试，大大简化了调试过程。
　  7）更可靠控制电源冗余设计
　  MegaVert系列中压变频器控制回路采用一路现场提供控制电源380V，一路专门设计的变压器输出电源380V，冗余热备份，两路控制电源之间无切换时间。当两路控制电源掉电后，系统仍然能够通过电池组或超级电容供电，最大限度提高系统的可用性。
　  
　  8）适用工业环境的最优设计
　  控制板采用8层PCB设计，功率模块控制板采用4层PCB设计，确保变频器在各种恶劣应用环境中可靠运行。
　  所有电路板都进行三层三防漆处理，保证系统有效的防潮、防尘。
　  
　  9）最简洁操作、最快捷维护
　  MegaVert系列中压变频器操作界面采用10寸液晶触摸屏，界面清晰大方；采用独特的托架式抽出结构模块设计，更换模块快捷方便，滤网更能在线更换。
　  
　  
　  
　  产品应用领域和案例
　  1.应用领域
　  
　  
　  
　  
　  
　  
　  
　  
　  
　  
　  2.案例
　  
　  在煤矿开采、石化应用、水泥行业、供水、电力、冶金、船舶等生产过程中，还有很多其他的设备可以使用到变频器，特别是中压设备，如中压空压机等。随着变频器技术的逐渐发展，将有越来越多的场合会利用到变频器的优越特性，达到改善工艺，节能降耗的目的，变频器将为企业效益，也为绿色低碳生活带来无尽的希望。