变频器对变压器寿命的影响

杜雪飞 马启超

(1. 中冶赛迪电气技术有限公司， 重庆 400013；2. 重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室， 重庆 400044)

变频器对变压器寿命的影响

杜雪飞1马启超2

(1. 中冶赛迪电气技术有限公司， 重庆 400013；2. 重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室， 重庆 400044)

当风机、泵类等设备带轻载运行时，加装变频器是减少用电成本的一种有效方式，但由于变频设备在运行中会产生谐波，谐波对变压器的寿命会产生较大的影响。推导了加装变频器后功率损耗的计算公式，结合变压器寿命估算模型。通过具体实例，计算了加装变频器前后变压器的寿命。算例表明，相比于传统的使用挡板进行调节的节能方式，使用变频器可以有效地节约电能；但若不加设滤波设备，变频器产生的谐波会缩短变压器的使用寿命。

变频器； 谐波； 节能； 变压器寿命

电能作为一种方便、优质的二次能源，已经成为人类生存不可或缺的重要物质资源。据国际能源署(IEA)预测，2030年电能将占世界终端能源消费的40%。目前，我国经济处于快速增长期，预计到2020年我国对电力能源的需求也将翻一番，全社会用电量将达到8×1012kW·h的水平。随着电能在能源中地位的提升，电力系统的节能减排意义则变得更为重大[1]。

目前，电力行业和用电企业采取了各种技术手段和运行管理模式来进行节能优化，取得了一定的成效。但这些节能优化措施对变压器寿命及经济性能的影响，目前还未深入探究。因此，本次研究既具有理论创新性，同时又具有一定的工程应用价值。

近年来，随着变频器技术的不断发展，其在工业中的应用越来越广泛，变频技术在风机、泵类设备中的节能降耗作用也引起了人们的关注。

变频器是变频调速领域内的重要设备，使用变频器的电机系统节电率普遍达30%左右，某些电机系统节电率可达40%～60%，节能效果显著。如今，变频器已经是电机节能的发展方向，该产业未来几年的市场潜力非常巨大[2]。

然而电机系统中加入变频器会增加电网电流中的谐波分量，增加变压器的温升及损耗。此次研究着眼于变频器的应用，讨论变频器的节能原理，就变频器产生的谐波电流对变压器寿命的影响建立数学模型，进行量化评估。

1 变频器调速和节能原理

1.1变频器调速原理

电机调速的基本原理如下[3]：

(1)

式中：n1—— 同步电机转速，r/min；

f—— 定子电流供电电源频率，Hz；

p—— 磁极对数。

对于一般的异步电机，其转子转速与同步转速有如下的关系：

(2)

式中：n—— 异步电机转子转速，r/min；

s—— 异步电机转差率。

由式(1)、(2)可知，改变电源频率f，就可改变电机转子转速。这种通过改变电源频率来进行转速调节的过程称为变频调速。

变频器通过电力半导体器件的通断作用，将输入的工频交流电转换成直流电，然后再经过逆变电路，将直流电逆变成另一频率的交流电。

1.2变频器节能原理

传统的风机、水泵等由鼠笼型异步电动机拖动恒速运转，调节挡风板或节流阀可改变风量或流量。这种方式虽然简单易行，能满足流量要求，但是多余的力矩增加了有功功率的消耗。据不完全统计，这些设备约90%的时间都运行在中等或较低负荷状态，传统的流量控制方式会造成巨大的电能浪费。

由流体力学可知，流体传输设备(水泵、风机等)电机的转轴输出功率P为其流量Q和压力H的乘积，而流量Q与转速n成正比、压力H与转速n的平方成正比，即P与n的三次方成正比。

(3)

图1所示为风机、泵类设备H-Q特性曲线图[4]。图中，n1对应的曲线为电机在额定转速运行时的特性；n2对应的曲线为电机降速运行时的特性；R1为风机、泵类管路阻力最小时的阻力特性；R2为风机、泵类管路阻力增大到某一数值时的阻力特性。

图1 风机、泵类设备H-Q特性曲线图

传统的调节方式是调节风机阀门开度，控制简单，但功率消耗大，不利于节能，其调节过程如下：

风机、泵类负荷在管路特性曲线R1工作时，其管路流量、压力分别为Q1、H1，工况点为A，此时风机、泵类所需的功率正比于Q1与H1的乘积，即与AH1OQ1的面积成正比。由于工艺要求需减小流量到Q2，实际上通过增加管网管阻，使风机、泵类的工作点移到R2上的B点，压力增大到H2，这时风机、泵类负荷所需的功率正比于Q2与H2的乘积，即与BH2OQ2的面积成正比。由图中可以看出，虽然流量减小了，但所需功率不一定减小。

若采用变频调速，风机转速由n1下降到n2，这时工作点由A点移到C点，流量仍是Q2，压力由H1降到H3，这时变频调速后风机所需功率正比于Q2与H3的乘积，即与CH3OQ2的面积成正比，功率的减少量是明显的。

风机平方转矩负载关系式为：

(4)

式中：P0—— 额定转速为n0时的功率，W；

P—— 转速为n时的功率，W。

对于风机、泵类设备采用变频调速后的节能效果，由式(4)可以看出，减小电机的转速，可以很大程度上减小功率损耗。

2 变频器对变压器寿命的影响

2.1变频器对变压器造成影响的原因

变频器的主要工作原理是将交流电转换为直流电，再转换为交流电，外部输入380 V，50 Hz的工频电源经三相桥路不可控电路整流成直流电压信号，再经电容滤波及大功率晶体管开关元件逆变为频率可变的交流信号。在整流回路中，输入电流的波形为不规则的矩形波，波形按傅立叶级数分解为基波和各次谐波，其中的高次谐波将对供电系统中的电流产生干扰。在逆变输出回路中，输出电流信号是受PWM载波信号调制的脉冲波形，对于GTR大功率逆变元件，其PWM的载波频率为(2～3) kHz，而IGBT大功率逆变元件的PWM最高载频可达15 kHz。同样，输出回路电流信号也可分解为基波和各次谐波。

变频器电流谐波会使变压器的铜损增加。变频器电压谐波将增加铁损，使其温度上升，影响绝缘能力，并造成容量裕度减小。同时变频器谐波也可能引起变压器绕组及线间电容的共振。

2.2变频器谐波影响下变压器温升及寿命的计算

相对于周围环境的温度，变压器最终的油顶层温升的计算式可以表示如下[5]：

(5)

式中：θ0F—— 非线性负载条件下，相对于环境温度的最终油顶层温升，℃；

θ01—— 线性负载条件下，相对于环境温度的最终油顶层温升，℃；

m1—— 常系数(0.8～1.0)，取低值适用于自冷却变压器，取高值适用于强制油冷却变压器；

PH1—— 基波条件下的变压器磁滞损耗，W；

PHn—— 谐波条件下的变压器磁滞损耗，W，认为变压器运行时电压为电网电压，无谐波电压，即PHn=0；

PF1—— 基波条件下的变压器涡流损耗，W；

PFn—— 谐波条件下的变压器涡流损耗，W；

PJ1—— 基波条件下的变压器绕组损耗，W；

PJn—— 谐波条件下的变压器绕组损耗，W。

将配电变压器二次侧的各次谐波看作是独立的电源，共同作用在配电变压器上，利用叠加定理，可以得到三相配电变压器谐波附加损耗计算关系式：

(6)

式中：Ih2—— 变压器二次侧谐波电流有效值；

rh2——h次谐波作用下变压器二次侧电阻；

rh12——h次谐波作用下变压器一次侧归算到二次侧的电阻；

PEC-R(pu)—— 变压器涡流损耗系数，对于该型号变压器，取1%[6]。

基波作用下变压器二次侧电阻的计算为：

(7)

式中：Pk—— 变压器短路损耗，W；

k—— 变比；

S—— 容量，VA。

则第h次谐波作用下变压器二次侧电阻：

(8)

相对于变压器油的温度，变压器绕组的温升值为：

(9)

式中：θeF—— 在非线性负载下的绕组温升，℃；

θe1—— 在线性负载下的绕组温升，℃；

m2—— 系数(0.8～1.0)，m2取低值适用于自冷却变压器，m2取高值适用于强制油冷却变压器。

变压器寿命损失和温度的关系，可以用一个关于最热点(最热点为变压器绕组上温度最高的一个点)温度的函数来表示[7]：

(10)

θmQ=θa+θ0F+θeF

(11)

式中：PV% —— 相对于正常预期寿命的寿命百分比；

θmQ—— 变压器最热点温度，℃；

θa—— 环境温度，℃；

t—— 工作时间，h。

3 算例分析

某水泥厂选择一台鼓风机进行变频器改造试验。风机拖动电机额定功率为110 kW，额定电压为380 V，额定电流为210 A，实际运行电流为190 A，功率因数为0.80，风机阀门开度为45%，每天运行24 h，年运转330 d。变频器选用ABB公司生产的ACS510-01-246A-4型变频器。增设变频器改造后运行电流为110 A，功率因数不变。所用变压器型号为SCB10-125/10(IP20)，变比k=10/0.4，阻抗电压Uk=4.0%，空载损耗P0=0.475 kW，短路损耗Pk=1.895 kW，空载电流I0=1.8%。

3.1节能计算

对于三相电机，每年运行所需电能计算公式为：

(12)

式中：UN—— 电机额定电压，380V；

I—— 电机运行电流，A；

cosφ—— 功率因数；

t—— 电机1年运行时间，s。

每年可节约电能为：

=333 618 kW·h

3.2变压器寿命计算

代入公式(7)，基波作用下变压器二次侧电阻为：

=0.058 2Ω

代入公式(8)，第h次谐波作用下变压器二次侧电阻为：

式中：h—— 谐波次数。

ACS510变频器符合EN61800-3标准里关于对第二环境和第一环境(限制性销售)的要求，输入电流各次谐波占基波电流百分比以及各种损耗计算结果见表1。

表1 谐波电流及谐波损耗

对于基波损耗，有：

PH1+PF1=P0=475 W

对于本算例，取θ01=45 ℃，θe1=50 ℃，

m1=0.8，m2=0.8，因此，得：

θ0F=63 ℃,θeF=71 ℃

取环境温度θα=20 ℃，得：

θmQ=θa+θ0F+θeF=20+63+71=154 ℃

取运行时间t=24 h，得：

PV%=97.2%

可以看出，若不加滤波器，该变频器的加入，运行1 d就会使得变压器的寿命变为原来的97.2%，长期运行会对变压器的使用寿命产生非常大的折损，因此，需要额外加装滤波设备。

4 结 语

鉴于变压器的寿命评估方法较多，研究选取变压器寿命损失与温升关系的经验公式，在计算谐波对温升影响的情况下，得出谐波与变压器寿命损失的关系。通过算例，不仅给出了加装变频器后的节能效果，而且说明在加装变频器而不加装滤波器的条件下，变压器的运行寿命会被缩短，从而验证了加装滤波器的必要性。

[1] 钟维琼.节能优化调度模型及其节能减排激励研究[D].北京:华北电力大学，2012:7-8.

[2] 李蔚，吴婧华，冯涛.电气节能技术在工程设计中的应用[J].智能建筑电气技术，2010(1):30-36.

[3] 项毅.高耗能企业的电能计量与节能途径研究[D].浙江:浙江工业大学，2009:10-12.

[4] 周培建.火电厂引风机变频节能改造的研究[D].青岛:青岛理工大学，2014:17-18.

[5] 陈杰.树脂浇注干式变压器热老化问题的分析[J].变压器，2012(3):14-16.

[6] NORDMAN H, RAFSBACK N, SUSA D. Temperature Responses to Step Changes in the Load Current of Power Transformers [J]. IEEE Trans. on Power Delivery, 2003, 18(4): 1110-1117.

[7] SUSA D, LEHTONEB M, NORDMAN H. Dynamic Thermal Modelling of Power Transformers [J]. IEEE Trans. on Power Delivery, 2005, 20(1): 197-204.

Abstract:Frequency converters pose an effective method in reducing electricity costs of draught fans and pumps underload, but the influence of harmonic in the lifetime of transformers has not been given attention. The influence in the lifetime of transformers by harmonic is analyzed, and the derivation of the formulas in calculating the amount of power loss is given in the dissertation. With the estimate model of transformers, the lifetime of transformers before and after the installment of frequency converter was evaluated in the example application, which showed that the installment of frequency converter will reduce the power loss, in comparison to the traditional method of using baffles. However, the harmonic produced by frequency converters reduces the lifetime of transformers, without filters.

Keywords:frequency converter; harmonic; energy conservation; lifetime of transformers

AnalysisofEnergyConservationofFrequencyConvertersandItsInfluenceontheLifetimeofTransformers

DU Xuefei1MA Qichao2

(1.CISDI Electric Technology Co., Ltd., Chongqing 400013, China;2.State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology, Chongqing University, Chongqing 400044, China)

TM154

A

1673-1980(2017)05-0075-04

2017-05-20

中央高校基本科研业务费项目“电力电缆接头状态非接触式检测原理及方法研究”(CDJXY150008)

杜雪飞(1977 — )，男，高级工程师，研究方向为智慧城市和智能制造。