浅析大型电动机变频技术改造

杜闻捷　上海交通大学　上海申能临港燃机发电有限公司

杨镜非　上海交通大学

浅析大型电动机变频技术改造

杜闻捷上海交通大学上海申能临港燃机发电有限公司

杨镜非上海交通大学

大型电动机进行变频改造的主要目的是为了节能降耗，改善经济指标，但同时使用变频装置会给电网注入谐波危害，引起电能质量的恶化。而高压变频装置采用移相变压器能够实现输入多重化，降低谐波的注入，并提高网侧的功率因数，从而可在诸多电力行业广泛应用。

移相变压器，输入多重化，谐波，功率因数

为了贯彻国家节能降耗的方针，应用变频技术对大型电动机进行改造受到越来越多电力行业的青睐，它不仅能显著降低因设计或运行方式等造成的电能浪费，运营成本还能提升经营效益，促进技术进步，所以它的优势不言而喻。

但同时，我们也注意到，使用变频装置会给电网带来谐波这个问题，它会影响到电网和电气设备的安全和经济运行，并危及广大客户的正常用电和生产，所以在进行变频技改的时候，要关注谐波注入电网这个严重的危害。抑制谐波的干扰，有针对性的采取防护措施，在确保电网安全稳定运行的基础上使用变频装置节能降耗是非常重要的。

本文主要从两个方面来谈一下电厂的大型电动机进行变频改造的问题，一是高压变频装置如何来抑制高次谐波的产生；二是对大型电动机进行变频改造后，如何提高网侧的功率因数，降低网侧的电流及无功。

1　变频装置的谐波问题

使用变频装置虽然能实现节能和高效，但同时对电网也注入了大量的谐波并从电网中吸收无功功率，使得电能质量不断地恶化。高压变频装置的移相变压器可以将一二次侧线电压的相位产生偏移，消除一次侧的谐波，同时还能实现整流部分与电网部分的电气隔离。除此之外，它还能将多个低压输出叠加后达到高电压输出的目的，从而功率元件就能选用低压的器件，不必选用高压器件，大大降低了变频器件的成本。

上海申能临港燃机发电有限公司对大型电动机循泵进行变频技术改造，配套的是36脉波移相变压器，它能消除高次谐波的产生，并且一次侧电流只含有基波以及36k±1，k=1,2,3,… 次谐波，最低次谐波为35次。值得注意的是，当整流电路的脉波数越多，则最低次谐波的频率就越高，其幅值就越小，但并不意味着脉波数越多就越好，因为这样会增加变频器的成本。

1.1高压变频器的结构

高压变频器系统主回路内部是由18个相同的功率单元模块构成，每6个模块为一组，分别对应高压回路的三相，单元模块由移相变压器进行供电。

三相输入初级绕组采用Y 形接法，次级绕组采用三角形延边接法。

次级绕组分三个群组，其中每个群组包括6个移相组，其移相角为0°,±10°,±20°,30°，相邻之间互差10°。

1.2移相变压器采用的延边三角形技术

图1　顺延移相变压器向量图

根据绕组的不同接线方式，移相变压器可以分为顺延和逆延两种，即变压器的二次侧绕组的线电压相位超前或者滞后一次侧绕组线电压相位一个角度α。

图1为顺延移相变压器的向量图，一次侧为星形接线方式，二次侧为延边三角形延边接线方式，一次侧的绕组匝数为N1，二次侧绕组分为两部分，匝数分别为N2和N3。从向量图中可以得出二次侧的线电压超前一次侧的线电压角度α。

以下是定量分析线电压，绕组的匝数以及角度α之间的关系：

根据向量图可以得到：

将式（1）带入变压器的变比式（2）可得：

同理可以得出逆延移相变压器的变比为：

电动机的每一相由6个功率单元串联，则三相共有18个功率单元。变压器一次侧为星形绕组连接，二次侧为延边三角形连接，移相角度为0°，±10°，±20°，30°，变压器一二次侧线电压的变比即为定值，那么变压器的变比n就可以计算出来。

1.3移相变压器减少谐波的原理

变频器根据主电路工作方式，分为电压型和电流型两种。

通常电压型变频器整流部分使用的是二极管，而电流型变频器整流部分使用的是晶闸管。

以变频器为电压型为例，其整流部分电路（略图）如图2所示。

图2　电压型变频器整流部分电路

整流电路中有6个二极管，在各自的自然换向角时导通。根据傅里叶变换分析，a相电流除了基波分量之外，含有6m±1次高次谐波，其电流的表达式为：

如果式（3）电流为二次侧电流，需要换算至一次侧的话，则需要将上式表达式先写成如下形式：

将a相的电流表达式写成式（4）是为了区分正序和负序，前两项为正序，最后一项为负序。如果移相变压器的一二次侧的电压没有相位差，并且变比为1时，则二次侧电压或者电流换算至一次侧就是二次侧的表达式；如果移相变压器的一二次侧的电压是有相位差的，假设二次侧电压（电流）要超前一次侧电压（电流）α，则所有二次侧的正序电压（电流）换算至一次侧要滞后α，所有二次侧的负序电压（电流）换算至一次侧要超前α，反之亦然。

比如二次侧电流超前一次侧电流α，其二次侧电流表达式为：

则将上式电流换算至一次侧，整理可得：

由于36脉波整流电路的六项二次侧电流相位互差10°，并且电流的相位角度分别为0，±δ1，±δ2以及 δ3，其中δ1，δ2，δ3分别为，，，则六项二次侧电流的表达式分别为

分析式（5）可得到以下结论：

1）无论m取何值，基波电流总是存在的。

2）当m=1时，

即5次和7次谐波分量相加之后为0，所以一次侧电流不存在5次和7次谐波。同理可以分析，当m=2,3,4,5时，为 0，所以就不存在11,13,17,19,23,25,29,31次谐波。

3）当m=6时，

也就表明电流分量的35次和37次谐波分量相加后不为0，即一次侧电流存在35次和37次谐波。

综上所述，当采用36脉波整流时，一次侧的电流将只有基波以及36k±1，k=1,2,3,…次谐波，最低次谐波为35次。

2　网侧的功率因数

在正弦电路中，电路的有功就是在一个周期内的平均功率：

在非正弦电路中，即含有谐波的电路，有功功率，视在功率以及功率因数的定义都和正弦电路中一致，如果不考虑电压畸变，即电压仍然为正弦波，电流为非正弦波的情况下，非正弦的有功功率为：

其中I1为电流基波分量的有效值，cosφ1为位移因数（基波功率因数）。

根据推算，可以得出所有的高次谐波的电流在正弦电压下的有功功率都为0，则非正弦的功率因数为：

电流基波分量的有效值与电流的有效值的比值在三相桥式不可控整流电路中，位移因数基本上为1，所以功率因数主要就是由基波因数所决定的。

假设三相桥式不可控整流电路中电感足够大，电流为Id（平直），那么对于a相电流的表达式（3）。

可以看出a相电流除了基波分量之外，含有6m±1次高次谐波。

同时我们可以得到a相电流的有效值为：

而电流的基波有效值和高次谐波有效值表达式为:

可以看出谐波分量的有效值为基波电流有效值除以谐波的次数，而谐波电流有效值与谐波次数成反比。

将式（9）和式（7）代入式（10），可以得出基波因数和功率因数为：

考虑到位移因数基本为1，那么λ=ν=0.955。

以上分析都是在理想的情况下进行讨论的。

然而在电压型变频器中，为了抑制冲击电流，可以串接电感或者充电电阻，这样的电流波形就会平缓许多，并且有利于电路的正常工作。

就以电压型变频器串接充电电阻，其整流部分以及电流波形如下图3所示。

图3　电压型变频器串接充电电阻整流与电流波型

对这样的整流电路，可以看到a相的电流并不平直。经过傅里叶变换得出a相电流虽然是除了基波分量之外，仍然含有6m±1次高次谐波，但是电流的基波有效值和高次谐波的有效值却不是式（10）。根据相关资料显示，就其五次谐波，它的有效值就非常的大，大概占基波分量的80%如图4所示。

图4　电压型变频器串接充电电阻五次潜波有效值

总电流的有效值为各个谐波分量的有效值的均方根（包括基波分量有效值），那么此时的基波因数和功率因数分别为：

上述算法只是粗略的计算出基波因数和功率因数，实际上它的数值是小于0.78的。

同时我们也可以得到当谐波次数越大，它的有效值占基波电流有效值的比重就越小，使用移相变压器的好处就显现出来了。当采用36脉波整流时，一次侧电流除了基波电流，最低次谐波为35次，对于35次谐波而言，其有效值占基波电流的有效值是非常小的，这样基波因数就提高了很多，那么对于一次侧功率因数而言，其数值也是很大的，所以，使用移相变压器不仅消除了高次谐波，而且有助于提高网侧的功率因数。

值得注意的是，对于大型电动机而言，它本身的功率因数其实并没有改变，使用变频装置，采用移相变压器，只是提高了一次侧即网侧的功率因数。

申能临港燃机电厂循泵在没有改变频之前，在工频50 Hz运行时，功率因数是较低的，为0.762。

当循泵改变频之后的，在循泵频率为33Hz，42 Hz以及50 Hz测得的数据显示：

当循泵频率依次上升时，网侧的功率因数基本上保持不变，维持在0.97左右，然而变频器输出的功率因数是上升的。网侧的功率因数也大幅度地提高了，从0.762上升至0.970，而线电流从410.87（A）下降至337.52（A），同时，循泵自身的功率因数在工频的情形下并没有得到改变，而所需要的无功在变频器输出侧得到了补偿，从而减少了在网侧的输出电流。

根据上述分析，我们得出变频装置采用移相变压器输入多重化可以改善网侧的功率因数，适当地降低网侧的无功和输出电流。

3　结语

对大型电动机进行变频技术改造，其节能降耗的效果众所周知是显著的。在大量安装变频装置的同时，整流系统向电网馈送的谐波电流造成非常大的电压波形畸变，会严重影响供电网络的电能质量。如今高压变频装置采用移相变压器输入多重化技术使得谐波大幅度地减小，使电力系统满足各种标准和规范要求，同时还提高了网侧功率因数，适当地改善电能质量及减少电能损失。变频器作为广泛应用的节能设备，在电力行业领域随处可见，可给国家、社会和企业带来可观的经济效益。

Analysis on Large Electric Power Motor Frequency Conversion Technology Renovation

Du WenjieShanghai Jiaotong University
Shanghai Shengneng lingang gas turbine power generation Co.,Ltd
Yang JingfeiShanghai Jiaotong University

The goal of large electric power motor frequency conversion is to achieve energy-saving and consumption-reducing and improve economic index, meanwhile using frequency conversion device could result in harmonics harm in state grid and electric power quality deterioration. High voltage frequency conversion device with phase shifting transformer could realize multi-inputs and reduce harmonics input and improve network side power factor, which could be applied widely in electrical industries.

Phase Shifting Transformer, Multi-Inputs, Harmonics, Power Factor

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2015.12.008