关于《高压变频器通用技术条件》中几个技术条件的探讨

1 引言

　　为提高用能产品能效、推广节能技术、节能降耗、支撑可持续发展，根据国家科技支撑计划重点专项“关键技术标准推进工程”《主要用能产品和设备节能标准与能效标识研究》课题的重要子课题――《高压变频器通用技术条件国家标准制定研究》的要求，电气行业、传动行业、制造厂家和用户代表技术专家对高压变频器的标准涵盖的范围、标准框架、功能要求、技术指标等进行了讨论和修改。

　　在标准制定研究过程中发现，高压电动机的变频调速技术研究、产品开发、市场推广均处于蓬勃发展过程中，国内外制造厂家很多、存在多种拓扑方案，各种电路拓扑方案、不同厂家产品各有特点、产品特性与功能特点、技术水平也不一致。这些因素对变频器和传动系统的稳定性、可靠性、使用寿命、维护费用、性价比等重要指标均可能产生影响，但作为用户都希望能选择实用而具有良好性价比的高压变频器，因此需要明确了解工艺要求和对高压变频器的技术要求，针对性地选择高压变频器的方案、产品和售后服务，以确保合理应用、可靠运行、取得合理的投资回报率。

　　本文结合《主要用能产品和设备节能标准与能效标识研究》的国家标准《高压变频器通用技术条件》征求意见稿的几项技术指标在高压变频器产品设计与应用进行探讨。

2 高压变频器的概念与标准对适用范围的定义

　　按国际惯例和我国国家电力行业标准对电压等级的划分，对供电电压》35kv时称高压，1kv～35kv电压等级称“中压”。而我国电机产业界习惯上也把额定电压为3kv、6kv、10kv的电机称为“高压电机”。而结合国内电机电压等级，额定电压1～10kv的变频器具有着共同的特征，一般把驱动1～10kv交流电动机的变频器（通过改变输出频率和电压，控制额定电压范围为1kv及以上35kv及以下高压电动机转速的装置）称之为高压变频器。

　　高压变频器根据进线端直流滤波器型式，逆变电路可分为电压型和电流型两种类型，其特点区别在于：前者在直流供电输入端并联有大电容，一方面可以抑制直流电压的脉动，减少直流电源的内阻，使直流电源近似为恒压源；另一方面也为来自逆变器侧的无功电流提供导通路径，称为电压型逆变电路（如高－低－高式高压变频器、三电平高压变频器、单元串联多重化高压变频器、igbt元件直接串联高压变频器等几种拓扑方式）。在逆变器直流供电侧串联大电感，使直流电源近似为恒流源，这种电路称之为电流型逆变电路，电流型变频器是在电压型变频器之前发展起来的早期拓扑。鉴于国内电动机节能产业应用市场绝对多数占有率的高压变频器均属电压源型，因此该标准及本文主要对电压源型高压变频器进行叙述（电流源型高压变频器也适用于该标准）。

3 使用环境条件中的高海拔应用的要求

　　标准中对高压变频器的一般应用环境的海拔条件定义为：“不超过1000m，超过1000m应根据每升高100m，外绝缘距离增大1%，输出额定通流能力减小1%”。

　　其中，“外绝缘距离增大”的技术条件的可参考的依据如下：

　　根据gb1094.11－2007《干式电力变压器》第11.3条的规定：所设计的变压器是在海拔超过1000m处运行，而其试验却是在正常海拔处进行时，对于海拔超过1000m以上的部分，以500m为一级，其温升限值按下列数值相应降低：对于自冷式变压器：2.5%；对于风冷式变压器：5%。根据gb1094.11－2007标准的第12.2条的规定：当变压器被规定在海拔为1000

　　m～3000m之间运行，而其试验却是在正常海拔处进行时，其额定短时外施耐受电压值，应根据安装地点的海拔超过1000m的部分，以每100m增加1%的方式来提高。至于在海拔超过3000m处运行时，其绝缘水平应由供、需双方协商确定（标准对于海拔超过3000m没有定量规定的原因在于起草标准时大家比较认可：高海拔时空气稀薄对耐压不利，但空气更洁净，对爬电有利）。

　　另外，参考gb311.1—1997《高压输变电设备的绝缘配合》的规定：“当高压电器用于海拔1000m以上，但不超过4000m时，其外绝缘试验电压应为耐受电压乘上系数ka，其公式为ka=1/（1.1-h×10-4），式中h为使用地点的海拔，ka—海拔校正因数（在h＝1000m～3000m海拔范围内，ka基本与每100m增加1%接近）。”

　　其中，“输出额定通流能力减小”的技术条件的可参考的依据如下：

　　变频器在高海拔地区（大于1000m）使用时，由于空气稀薄，影响风冷散热变频器的工作，功率半导体的电流容量将低于规定值（需降额使用），依据gb/t3859.2－1993《半导体变流器应用导则》标准给出的“电流容量随海拔高度而变化的关系曲线”（在1000m～4000m内海拔每升高100m降额约0.3%），以及海拔每升高100m降额1%、降额0.5%绘制的降额曲线如附图所示。

实际上，海拔的升高还使环境温度随之降低（每升高100m环境温度降低约0.5k），因此对高海拔地区变频器的电流容量进行修正时应同时考虑海拔升高导致的空气稀薄不利散热的因素和环境温度降低的有利因素。可见原标准草稿规定的每升高海拔100m降容1％的要求过于严格，考虑对主要应用于工业企业设备节能调速的高压变频器的可靠性要求，提高配置要求，可考虑修改为每升高海拔100m降容0.5%。

4 关于高压变频器的输出电压的电能质量要求

　　标准提出了对高压变频器输出电压的一般要求，由于输出电压是接电机负载的，因此规定了“输出电压不平衡度”和“输出电压变化率（dv/dt）”的条件。

　　输出电压不平衡可能导致电机电流产生负序和负序电流，特别是负序电流将影响电机运行与出力、导致电机的发热损害，《高压变频器技术条件》征求意见稿对“输出电压不平衡度”的要求为：“在输出频率调节范围内及各相负载对称的情况下，输出三相线电压的不平衡度不超过5％”。

　　较大的dv/dt会影响电机的绝缘，尤其当变频器输出与电机之间电缆距离较长时，由于线路分布电感和分布电容的存在，会产生行波反射作用，dv/dt会放大，在电机端子处可增加一倍以上，对电机绝缘引起损坏。《高压变频器技术条件》征求意见稿对“输出电压变化率（dv/dt）”的要求为：“输出电压变化率应符合适配电机对电源输入电压的突变率要求。输出电压dv/dt宜不大于1000v/μs。”

　　输出电压还有一个关键参数，即共模电压限制值，特别当输入侧的电缆过长时，由于其寄生电容过大，使产生的充放电电流幅值增大，这一电流可分流经过电机轴承，从而对其形成电腐蚀点，但是标准征求意见稿对此未提出要求。实际上，变频器输出电压谐波对电机的影响，可参考美国标准nemamg1-1993《电动机和发电机》的第30节的有关规定：

　　（1） 变频器输出电压接电机负载后的在额定电流情况下的电机电流总谐波畸变率≤1%，在一定前提下可适当放宽要求；

　　（2）变频器输出的电压变化率dv/dt的限制条件为：输出相电压从10%峰值上升到90%峰值的时间不得小于1μs。即对接3kv电机的变频器输出电压dv/dt≤1.96kv/μs，接6kv电机的变频器输出电压dv/dt≤3.92kv/μs，接10kv电机的变频器输出电压dv/dt≤4.62kv/μs。不宜统一规定限制，如需提高要求，可确定为输出电压的dv/dt值限制在每μs的变化不大于40％输出相电压（相当于3kv系统对应要求dv/dt≤1kv/μs，接6kv系统对应要求dv/dt≤2kv/μs，接10kv系统对应要求dv/dt≤2.3kv/μs）。

　　（3）变频器输出的共模电压的限制条件为：基波相电压峰值和共模电压峰值之和不超过2.51倍额定相电压。对接3kv电机的变频器输出基波相电压峰值和共模电压峰值之和≤4.35kv；接6kv电机的变频器输出基波相电压峰值和共模电压峰值之和≤8.7kv，接10kv电机的变频器输出基波相电压峰值和共模电压峰值之和≤14.5kv。

5 关于高压变频成套系统的效率与输入变压器容量选型

　　作为用于节电的成套系统，高压变频器的系统效率应作为一项关键指标，因此标准中提出要求为：“在输出额定电压、额定电流和负载功率因数不小于0.80条件下，额定功率500kva以下高压变频器的效率不低于95%，500kva～1mva高压变频器的效率不低于96%，1mva以上高压变频器的效率不低于97%。”

　　高压变频器系统的损耗可分为变压器（可含电抗器）类损耗（这部分损耗又可分为空载损耗和负载损耗）、变流器（包括整流、逆变部分）类损耗（这部分损耗主要包括开关损耗和通态损耗）。

　　变压器的效率与功率等级有密切关系，通常功率越大，损耗与输出功率就越小，效率也就越高。反之，功率越小，效率也就越低。其中目前高压变频器的进线侧主要采用非包封干式变压器，其效率指标可参考国家标准gb/t10228-2008《干式变压器技术参数和要求》中关于b型配电变压器的空载损耗、负载损耗的要求为：容量500kva以下的效率98.3%～98.5%，容量500kva～1mva效率98.6%~98.8%，容量1mva效率98.9%以上。

　　考虑一般高压变频器采用的变压器特殊性（如整流绕组数量、谐波、配置选型等因素），一般变频系统配套的变压器容量选型，市场上一般采用与适配负载电机视在功率。这种选型与变频器系统的不同拓扑结构相关：特别对于技术相对成熟、市场占有率最高的单元串联式高压变频器，采用多重化移相整流变压器，采用多重化不控全桥整流技术保证电网侧的满载时的输入的综合功率因数大于0.95，变频器设备内部各个单元上大容量滤波电容为电机提供了工作所需的无功功率，从电网侧吸收的电流（即输入移相整流变压器的输入电流）主要为有功分量所需电流，网侧的输入电流（即输入移相整流变压器的输入电流）的无功分量仅为变压器的励磁分量，以及影响极其微小的谐波分量。相对输出负载电机的功率因数（一般0.6~0.9，典型值0.8左右），较低的视在功率，这种类型的高压变频器从电网吸收视在功率中的无功分量小。市场选型一般采用电机视在功率选择输入移相变压器容量，因此变频器适配电机满载工作时的变压器一般仅达到75%～95%（变压器温升也应未达到标准温度），负载损耗较变压器满载、温升达标准值时的负载损耗达到以下要求：容量500kva以下的效率97%~98%，容量500kva～1mva效率98%~98.5%，容量1mva效率98.5%以上。

　　一般变流器的损耗由三部分构成，即电子控制部分、整流部分和逆变部分。其中电子控制部分与负载大小关系不大，一般采用的不控整流部分与输出负载大小相关，输出逆变部分采用开关器件由导通损耗和开关损耗构成。由于高压大功率变频的功率流逆变部分一般选用较低导通电压的新一代芯片技术的开关管（如采用最新技术的1700v的igbt额定电流下的导通电压vce一般为2.0～2.4v，1200v的igbt额定电流下的导通电压vce在1.7～2.1v）；整流部分的二极管在额定电流压降0.85~1.5v，一般厂家产品设计时这些器件的选型都会留出50%左右的裕度，因此高压变频器运行中的器件导通损耗不高（占功率器件损耗的约40%）；且pwm开关频率一般较低，如功率单元串联式的高压变频器由于采用输出载波移相的控制技术，开关频率一般在600～1500hz，较低压变频器的输出开关频率大大降低，开关损耗也相对降低（占功率器件损耗的约50%），其余的电容器、控制电路等电路器件的损耗约占总损耗的10%。在系统输入电压额定、设计选型器件均是在器件满载条件下估算，在输出额定电流时应留有一定裕度，变流器部分的损耗相对系统容量一般可控制在1～2%（总体设计上相对于较小容量，较大容量逆变系统的效率会越高）。

　　总的来讲，技术条件的“额定功率500kva以下高压变频器的效率不低于95%，500kva～1mva高压变频器的效率不低于96%，1mva以上高压变频器的效率不低于97%。”这一标准要求是恰当且必要的：高压变频器作为节能降耗的重点节能设备产品，本身应该具有较高的设计效率，规范市场产品，保证电机系统的运行效率，为切实推进节能减排工作提供强有力的技术支持。

6 关于系统过载能力及起动特性和加速控制

　　众所周知，电机驱动系统的负载、电机、变频器作为一体，根据变频器容量、电机特性、负载机械特性（如转动惯量）的区别，变频器在起动、升速和停止、降速时所需的时间不同，过短的加减速时间可能会导致变频器在加速过程中过电流、在减速过程中过电压保护。而变频器作为电机的驱动系统，在工艺上可替代工频运行时用来调节的阀门、风门或液力耦合器等机械调节器，这些调节器在工艺调节的控制中，若升降速的时间长，调节时对外部扰动的控制能力变差，容易处于小幅不稳定状态中，控制效率较低，特别是工艺要求经常变化、或变化控制特性品质要求较高时，变频器允许的启动特性与急速过载能力要求问题特别突出。

　　《高压变频器通用技术条件》在“起动特性和加速控制”特别提出，“在正常工作条件下能连续正常起动。应具有软起动特性，可实现起动过程中输出电流不大于电机1.4倍额定电流的正常起动；起动时间可根据负载特性，由制造商与用户协商解决。”，标准对过载能力的要求为：“过载能力为130%额定负载电流，每10min允许持续时间60s，且实现反时限过负荷保护。”

　　实际上，以上两项要求是有一定关系的，前一项要求是为保证变频器与电机安全而对启动过程中电机电流上限的要求，针对不同的电机、负载和变频器，采用合理的过载能力配置的变频器，设置合适加速特性曲线和加速时间，可保证变频器与负载的启动与加速特性，满足工艺要求；后一项要求则是对变频器输出电流能力的约束，对变频器设计配置要求造成影响。鉴于各种应用现场的负载设备、工艺要求、投资要求的特殊性，建议对变频器本身的过载能力进行如下规定：“在规定运行条件下，输出电流的过载能力为120%额定负载电流，每间隔10min的持续时间为1min，且实现反时限过负荷保护，速断保护电流不小于150%额定电流。为满足负载与工艺特性，有特殊要求时可由制造商与用户协商解决。”

　　至于反时限过负载保护，其反时限特性宜参照《dl/t823-2002微机型反时限电流保护通用技术条件》的第3.9.2款定子绕组反时限过负荷保护所设定的反时限特性（与gb6162-85和iec255－4标准所规定的超强反时限保护特性接近）：其中：i为变频器运行输出电流；ib为基准电流（一般取电机额定电流）；k为反时限常数（1 – 1000可设定）；ksr为散热系数（一般取电机或变频器运行平均允许的长期维持电流与电机额定电流的比，一般在0.5～2）。

7 关于高压变频器的保护配置

　　在等同采用iec61800－4：2002标准的gb/t 12668.4－2006《调速电气传动系统 第4部分一般要求交流电压1000v以上但不超过35kv的交流调速电气传动系统额定值的规定》标准的9.3 保护接口一节的“表8pds系统的保护功能”提出的关于高压变频器的保护配置要求如下：

　　对网侧电源部分保护配置为：断电缺相保护、电网过压保护、电网欠压保护、电网电压不平衡保护；对网侧馈线部分保护配置为：过电流保护、过载保护；对变压器部分的保护配置为：瓦斯保护（油式）、过热保护、冷却介质故障保护、油位低（油式）保护；对变流器部分的保护配置为：过电流保护、过载保护、过电压保护、接地故障保护、冷却故障保护、过热保护、辅助电源故障保护、过程控制通信故障保护、速度反馈信号丢失保护；对电动机部分的保护配置为：电机过压保护、电机欠压保护、电机过电流保护、电机过载保护、超速保护、以及绕组过热、轴承过热、高强度振动、冷却故障、润滑故障等外部保护。

　　而在本标准《高压变频器通用技术条件》中规定：“为保证系统稳定可靠运行，应提供以下基本保护：输入瞬态过电压保护；输入工频过电压保护；输入欠电压保护；输入过电流保护；输出瞬态过电压保护；输出过电压保护；输出过电流保护；输出短路保护；输出电压三相不平衡保护；输出电流三相不平衡保护；超温保护；冷却系统故障；控制系统故障；速断保护。”

　　实际上，将gb/t 12668.4标准与本标准《高压变频器通用技术条件》对保护配置的比对如附表所示。

　　从附表所列的两个标准的保护功能配置比较可见，本标准《高压变频器通用技术条件》的保护配置虽已完全覆盖gb/t3859.1－1993《半导体变流器基本要求的规定》中对保护的规定的几种保护功能（实际是该标准的5.7.8故障及保护部分所列出的三个具体要求：持续过电流保护、故障短路保护、过电压保护），但与gb/t12668.4－2006标准对相关保护配置相较尚不够全面详细，建议保护功能实施配置可以同时参照gb/t12668.4－2006标准执行。在此基础上的高压变频器系统包含必需的、精心设计的保护功能和系统部件保护，可有效防止系统内部和外部发生意外事故，保证系统的高可用性。

8 结束语

　　《主要用能产品和设备节能标准与能效标识研究》课题的重要子课题――《高压变频器通用技术条件》的国家标准征求意见稿制定后，向相关业内技术专家、主要制造厂家、典型用户广泛征求修改意见后，经过积极参与和反馈意见研究修改完善后，将从整体上对高压变频器的外部性能、功能要求、技术指标方面提出要求，促进行业产品的规范化，从而为高压变频器产品的技术发展和推广、用户选型提供一定技术参照支持和进行规范，促进高压变频调速技术和产品的开发应用、引导技术升级、提升产业发展和核心竞争力。相信该标准的制定，由于系统地提出了高压变频调速系统提高用能产品能效水平的标准化方案，将推动高效节能技术向市场化和商业化的转化，整体提高我国重点产品和设备的设计与运行效率，为切实推进节能减排工作提供强有力的技术支持。