变频系统应用设计

王克虎，田庆明，陈 霖

（上海外高桥造船有限公司，上海 200137）

0 引 言

随着绿色船舶和节能环保理念的普及和推广，从普通商船的机舱通风系统变频控制到海工平台的升降系统变频控制、电力推进变频控制等，从低压变频控制系统到中压变频控制系统，从几十千瓦的变频控制系统到数十兆瓦的变频控制系统，变频系统在船上的应用范围越来越广，随之而来的是对船舶系统整体设计要求的提高，主要表现为在有限的区域空间内，既要满足变频功能需求，又要减少变频系统对其他系统的干扰，这对设备的特性及现场安装布置都提出新的更高要求。

在上海外高桥造船有限公司建造的系列自升式钻井平台中，其两大关键系统（升降系统和钻井系统）均采用低压变频控制。因此，设计好这2套系统是保证平台顺利交付和正常运营的关键。本文对变频系统的通用要求进行归纳分析，结合在项目设计、安装和调试过程中出现的问题做工程应用方面的工艺总结。

1 变频系统设计安装要求

1.1 概述

变频系统主要通过控制变频器输出分量的频率、电压或电流等来控制电机的转速和输出功率，从而达到精确控制和降低能耗的目的。因此，典型的变频系统主要由电源、变压器、变频器、电机、控制器及辅助部件（如电缆附件）等6部分组成，通过变压器将船舶电源转换为变频器匹配电压和相位角，控制系统根据外部输入控制变频器的输出分量，以驱动电机实现变速和变功率输出。

目前交流变频器有间接变频（交-直-交变频）和直接变频（交-交变频）[1]2种形式，其中间接变频又分为交-直-交电压源型变频器和交-直-交电流源型变频器，应用较多的是间接变频中的电压源型变频器，其控制类型通常有直接转矩控制（Direct Torque Control, DTC）和脉冲宽度调制矢量控制（Pulse Width Modulation, PWM）2种。ABB和SIEMENS两大变频器设备商均采用直接转矩控制和矢量控制作为其变频器控制策略。

交流变频器是应用电力电子器件实现整流和逆变的，其中大量的非线性元器件在工作过程中会产生奇次谐波电流，对系统电源电压产生谐波干扰，这不仅会大大降低电网电能质量，而且会对电力设备的运行产生影响，使得电动机、电缆等发热或过载，造成损耗增大、效率降低和寿命缩短等，同时会对继电保护、计量仪器仪表和电波通信造成干扰。因此，在设计和应用变频系统时，必须从设计源头和安装工艺方面消除电磁干扰的影响。

根据美国电气与电子工程师协会（Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE）[2]的定义，谐波作为周期电气量的正弦波分量，其n次（即基波频率的正整数倍）分量的叠加构成周期量的交流分量，其频率为基波频率的整数倍。对于普通6脉冲交流变频系统，其中6n±1分量构成谐波电流分量；而对于船舶常用的12脉冲系统，会产生12n±1次谐波分量，因此必须对这类谐波进行抑制，以避免波形失真造成畸变。从谐波的量次来看：6脉冲谐波分量分别是5，7，11，13，等；12脉冲谐波分量分别是11，13，23，25，等。因此，12脉冲谐波分量明显少于6脉冲，且越低次谐波，其分量值越高。从实际项目应用来看，对于多负载的变频控制系统，12脉冲变频系统比6脉冲变频系统用得多，同时对于双12脉冲系统而言，系统间的母联开关合并之后可组成虚拟24脉冲系统，这样产生的谐波次数更少，如只有23，25，47，49，等，对谐波的抑制更容易，通常不需要增加任何额外的滤波装置就可满足规范要求。

1.2 对设备选型及安装具体要求

下面就实际工程应用中设备选型和安装工艺的注意要点进行简单说明。

1.2.1 满足变频系统的变压器选用

对于普通的交流6脉冲变频系统而言，不需要增加额外的移相变压器，可直接采用电源、变频器到负载的设计方式。对于12脉冲变频系统和24脉冲变频系统而言，需增加额外的移相变压器，主要目的是减小变频器谐波电流，降低对变频系统的影响。常规移相变压器的原边采用三角形接法，副边采用三角形及星形接法。12脉冲变频系统变压器的副边采用双绕组变压器，容量各为原边容量的1/2；24脉冲变频系统变压器的副边采用四绕组变压器，容量各为原边容量的1/4。

对于移相变压器设计选用要求，除了考虑标准电力变压器的设计标准（如IEC61378-1[3]和IEC60076[4]）以外，还要特别考虑谐波畸变和功率因数，以解决畸变带来的损耗，因此需考虑的设计因素比普通交流变压器多。谐波电流会引起额外的热量损耗，热量损耗就意味着变压器无功分量增大，在相同变压器总容量下会降低有功的输出，即若将普通变压器应用于变频系统，在不考虑其他因素的情况下，其实际有功输出功率要比变压器应用在普通交流系统中的输出功率低。这是变压器选型过程中要重点考虑的问题，否则变压器长期运行在过载过热的情况下会导致绝缘老化，使用寿命缩短。常规变频系统采用的变压器大多是通过增加强制通风或强制水冷设计来提升变压器输出容量的。这是由于在使用相同绕组线圈的条件下，强制风冷或水冷会加大内部散热和循环速度，使得变压器绕组能承受更大的电流，从而保持温升不超过设计温度，进而保证变压器正常工作，这也是目前变频系统变压器常规的选型思路。

1.2.2 满足变频系统的电缆选用

选用变频系统电缆是变频系统设计中的重要一环，很容易出现问题。目前规范还未含变频系统电缆的标准，只是变频器制造商提出一些符合系统运行的电缆结构标准和敷设要求，而电缆生产厂家基于目前市场上主流变频器品牌的要求开发出一些适用于变频系统的电缆。下面从电缆的性能、结构和载流量等方面对电缆的选用进行分析。

基于变频器的工作原理及特性，市场上的变频电缆主要从提升电缆的绝缘能力和提高电缆的铠装层密度2方面进行设计。提升绝缘能力主要是考虑到变频器输出的电压虽然是带谐波的近似正弦波，但在抑制过程中会产生极高的du/dt峰值，这些峰值电压会对电缆的绝缘带来瞬时冲击，长期在该工况下运行会加速绝缘老化，缩短电缆的使用寿命，甚至会击穿电缆而发生短路故障，因此必须提升变频系统的电缆绝缘能力。例如：对于690V非变频电力系统，规范允许采用0.6/1kV电力电缆；而对于690V变频系统，0.6/1kV电缆显然不满足技术要求。对于该系统，有些电缆厂家制定0.75/1.3kV的变频电缆，有些直接制定1.8/3kV的变频电缆，正常情况下这2种电缆都可选用。对于增大铠装层密度而言，由于伴随着PWM的2～16kHz调制频率的产生，该频率具有一定的电磁波发射能力，会对周围的电场产生影响，从而影响周围设备的运行。为降低该影响，要求变频电缆的屏蔽能力比一般电缆强，正常变频电缆的铠装编织密度至少达到90%。因此，无论是从电缆物理结构上看还是性能上看，变频电缆都比普通的电力电缆有提升，随之而来的是电缆变粗和重量增大。

对于具体系统内部的电缆选用，原则上按照下述方案进行：电源或变压器与变频器之间可采用常规的电力电缆；而变频器与电机之间则需采用满足上述要求的变频电缆。变频电缆的结构型式常规有 3+E (E为接地线)或3+3E，厂家多推荐采用3+3E对称电缆，对系统防干扰有很强的抑制作用；E截面总面积要满足50%的导体截面总面积要求。对于敷设长度＜100m的变频电缆，若厂家推荐，也可采用单芯电缆，但必须严格按照厂家要求的工艺进行电缆选用和敷设，如按照“品”字形敷设等，同时保证每相的电缆长度相等。

对于变频系统的模拟信号控制电缆，需每对绞芯线带单独屏蔽。

对于电缆载流量的选用，除了考虑系统额定电流以外，还应考虑谐波引起的附加发热效应。对于普通6脉冲变频系统，其主要是5次谐波和7次谐波，电源电缆的载流量一般要增大到额定电流的1.3倍。对于12脉冲变频系统，要在变频器前采用移相变压器，电源与移相变压器初级之间没有5次谐波和7次谐波，但有11次谐波、13次谐波及高次谐波，建议选用1.2倍额定电流的电缆；变压器副边与变频器之间的电缆含有5次谐波和7次谐波，因此副边总电流要考虑增大到额定电流的1.3倍。变频器到电机端的电缆通过调制后输出的波形有很大改善，电缆载流量只需按正常额定载流量的1.1倍考虑即可。

综上可知，变频系统的主电缆选用无论是从物理结构上看还是从载流量看，都须特殊考虑。

1.2.3 对电缆敷设的要求

变频系统由于产生谐波，主电缆需单独敷设，以免对其他系统（特别是电子元器件）产生干扰。变频器电源输入电缆、输出到电机的主电缆和控制电缆要敷设在不同的电缆托架内，并尽可能地相互远离敷设；当控制电缆无法避免与电源电缆交叉敷设时，两者尽可能按照90°[5]交叉敷设布置。电缆敷设布置要求见图1。

对于控制电缆而言，模拟信号电缆与数字信号电缆需分托架敷设；同样，24VDC与115/230VAC 控制电缆也需分托架敷设，严禁敷设在一起。

因此电缆间分开敷设是变频系统的基本要求。

图1 电缆敷设布置要求

1.2.4 对于密封件和电缆屏蔽处理接线的要求

对于变频器输出，其主电缆和控制电缆都要经过电磁兼容（Electro Magnetic Compatibility, EMC）处理后再接入设备。适用于变频系统的密封件包括EMC 填料函、EMC MCT（多电缆贯通件）和EMC 衬套等。不同的设备应用的密封件不同，但对实现EMC的功能是等效的。图2为常用的几种密封形式和电缆屏蔽处理方式。

由图2可知：变频电缆的铠装编织接地线与设备外壳连接良好之后，通过设备外壳与船体连通接地是实现抗干扰能力的重要保障，因此现场施工工艺也是保证变频系统正常工作的重要措施之一。

2 结 语

随着节能环保理念的推广，会有越来越多的变频系统得到应用。因此，设计好、应用好和减少相互间的干扰是重点。本文以此为出发点，深入分析了变频系统干扰源，并提出了变频系统从设备选用到现场安装的解决方案，可供参考应用。

【 参 考 文 献 】

[1] 中国船舶及海洋工程设计研究院，天海融合防务装备技术股份有限公司，上海市船舶与海洋工程学会，等. 船舶电气技术丛书——船舶电力推进[M]. 武汉：湖北科学技术出版社，2017.

[2] IEEE. IEEE recommended practices and requirements for harmonic control in electric power systems: IEEE Std 519—1992[S].USA: American National Standards Institute, 1993.

[3] IEC. Converter transformers-Part 1: Transformers for industrial applications: IEC 61378-1—2011[S]. Geneva: International Electrotechnical Commission, 2011.

[4] IEC. Power transformer: IEC60076[S]. Geneva: International Electro technical Commission, 2011.

[5] ABB. EMC Compliant installation & Cable instruction[EB/OL]. [2018—07—20]. Helsinki: Internet: http://www.abb.com/motors&drives.