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为什么选择中压设备

作者:Frank J. Bartos, P.E.2011.01.18阅读 7340

        中压(MV)交流变频的输出能力是同族的小型低压(LV)变频器的数百倍,可以控制矿井、电站或者金属处理厂中,用于变频最大工业负载的兆瓦级电机。MV变频器工作于更高的电压下,以获得更低的损耗,并且可以使用更细的电缆,综合起来即为更优的变频效率,更低的系统花费。
        MV变频器所带来的不仅仅是体积问题,当然并非所有模型都体积巨大。对于特殊的应用和用户来说,其他因素也同样影响选择——例如,具有谐波消除功能的控制结构。“中压”的定义对于各种工业领域来说大相径庭。对于电机变频,普遍认为600V到15kV是中压;欧洲认为1kV是MV的极限。然而,很少有实际变频产品低于2.3kV。在美国,通常MV变频的输入都是2.3和4.6kV,而欧洲和世界其他地方都是3.3和6.6kV。
        功率、电压、电流 P="VI"
        MV对比于LV具有的一项主要优势是使用更低的电流达到同样的功率输出,从基本的电机工程学关系式中可以看出:功率等于电压乘以电流(P=VI)。TM GE Automation Systems (TMEIC GE)公司的高级系统工程师Tim Russell为了解释此原理,将2个1000马力(756kW)的产品做了对比:MV变频器工作于4160V电压下,需承载125A电流,而LV变频器工作于460V下,必须承载1130A的电流。
        Russell说道:“由于绝缘的要求,MV电缆结构略微贵一点,但是由于更低的电流,含铜量也降低了。”这解释了为何使用更细的电缆,电缆上的电压可以降低更多。电缆总体费用的降低给MV技术以支撑。(TMEIC GE 公司设计并开发了先进的自动化设备、大型交流设备和基于Toshiba、Mitsubishi Electric和General Electric三家公司技术的调频变频)
        Rockwell Automation公司很早就知道LV变频会带来更高的电缆花费。对比同样功率负载的480V和4.16kV的变频系统,加拿大Rockwell Automation公司的PowerFlex 7000投资组合经理Fred Jason得到了类似的结论:LV变频的工作电流是MV变频的9倍。这意味着每相都要使用更粗和更多的电缆(见“变频到电机电缆”表)、更大和更重的电缆桥架和导管、更高的电缆安装费用。
        ABB 公司认为在同样的输出下使用更细的电缆是MV变频器的优势之一。MV变频器项目经理Paul Nolden说道:“最明显的是铜消耗的降低,牵引电缆的人力也减少了,同样导管的数量和尺寸也减少了。在远程起重站点、深井和矿井等电机电缆较长的应用场合,这一点越来越重要。”
        Siemens 公司也指出更细的MV电缆和更小的开关物理尺寸意味着更低的费用。大变频销售项目工程师和经理Scott Conner说道:“然而,对于那些认为电缆并未带来什么实际优势的消费者来说CONTROL ENGINEERING China版权所有,这并非是一个‘买点’。有时用户仅仅是不想拖拽更粗的LV电缆而已,这是一个复杂的安装问题,而并非仅仅是费用节省问题。”


           TMEIC GE的TMdrive-703.3kV冷却水变频,广泛应用与轧钢厂等到功率场合CONTROL ENGINEERING China版权所有
此变频控制感应同步电机。图片由TMEIC GE提供。

        500马力以上具有更佳的经济效益
        虽然在某些功率要求下,中压变频是唯一的选择控制工程网版权所有,但是在这个选择下,存在一个“更高经济效益”的功率输出区间。TMEIC GE公司认为这个功率区间是从500马力到1500马力,具体取决于具体项目和行业(见“相关费用”图表)。
        TMEIC GE公司给出选择MV变频的其他原因:
        ●要求同步到线并且电网供电是中压
        ●在低压下,电网能力不足以变频负载(例如,更高的电机启动电流,而MV变频可以避免)
        ●从变频到电机的电缆可以更长(大于300尺/92米)——电缆粗细、费用和电压降都得到了控制


           TM GE Automation S y s t e m s认为调频变 频的初始成本只是考 量的一部分,当电机电缆、变压器和安装 费用都计算在内时, 中压和低压变频的费 用基本持平。

        Siemens公司指出在300马力到2000马力的区域内,中压和低压变频有所交叠。在欧洲,LV变频使用在更高的电压下例如690V。Conner解释道,基于Siemens公司的‘最终用户’体验,在1000马力下更多人会选择中压变频,因为尺寸上具有优势,而且在此条件下MV电机变成必定的选择。
        TMEIC GE的TMdrive-703.3kV冷却水变频,广泛应用与轧钢厂等到功率场合CONTROL ENGINEERING China版权所有,此变频控制感应同步电机。图片由TMEIC GE提供。
        Conner补充道:“在高功率输出下,LV变频的使用变得很麻烦,这包括需要并联功率半导体器件。在某些输出点,MV开关设备具有操作和包装上的优势,而不是价格上的优势。然而,从整体上说,MV变频的每马力花费在最近几年降低了。”
        Rockwell Automation公司的Jason认为在高功率应用中控制工程网版权所有,对比LV变频,MV变频具有“极佳的价格竞争力”。得到此结论,必须分析安装总费用。Jason说道:“评估项目整个生命周期的运行成本是很重要的,包括系统效率、输入功率因素、电缆花费、空气调节装置的需要以及维护需要。”LV系统所需要的额外系统部件,例如输入和/或输出变压器,也必须考虑在内。
        TM GE Automation Systems认为调频变频的初始成本只是考量的一部分,当电机电缆、变压器和安装费用都计算在内饰,中压和低压变频的费用基本持平。
        ABB公司也建议在MV或LV变频的选择上需要考虑总安装成本。Nolden解释道,对于变换器到变换器,LV成本/功率系数可能较低(在某些点),但是其他的系统附加设备会掩盖此优势。例如,LV变频通常都需要一台降压变压器,而MV就不需要(见无变压器设计)。而且,他指出,连接到LV变频器上的谐波滤波器都会导致系统效率降低和更高的费用。
        ABB公司的MV变频首席项目咨询工程师Rick Hoadley说道:“除了高效率,中压变频器的原材料和安装劳动力的成本也降低了,这主要是因为更细的电缆和更小的连接器尺寸。”Hoadley说道,可用的半导体额定电流和高电流密度使得1000马力到3000马力区间内的LV变频器的设计越来越困难。他补充道:“在某一个马力上,多功率器件的并排封装变得过于巨大和昂贵”。


VFD到电机的电缆尺寸和花费

        谐波处理
        变频变频器(VFDs),不管是低压还是中压型,都会产生电压/电流谐波。因为MV-VFDs工作于配电电压附近,可以被看做一个大功率源,所以在设计的时候通常都强制要求包含谐波抑制功能。Hoadley说,大约20%的LV变频带有谐波消除功能,而几乎所有的MV变频器都带有此功能。低谐波失真随后会变成一个优势。
        传统的MV变频器设计依赖于多脉冲变压器来抑制谐波。Hoadley指出输入变压器与变频器的多脉冲整流器(18、24、36或者更多脉冲)协同工作,产生抵消波来最小化电流谐波。
        电缆尺寸、质量和相应的费用随着流通安培数的上升而提高——Rockwell Automation公司指出——因此中压变频变频器(VFDs)的优势显而易见。近年来,原材料的价格也急剧上升。
        TMEIC GE公司的Russell认为“谐波消除”是基本设计的重要部分。它的灵感源自多绕阻、相移变压器,可以定制输出波形并提供输入隔离。Russell说道:“谐波消除随后由整流器电路和绕组来完成。”而且,对于带有动态负载的高性能应用场合,MV变频器还具有有源前端,以提供谐波控制。
        虽然这些技术都可以应用到低压变频器上,也不必使用变压器做输出波形控制,而且额外的费用也在合理范围内。但是LV变频器通常要求附加的谐波滤波器。Russell陈述道:“为LV变频器安装谐波消除滤波器和/或变压器的成本就和MV变频器相当了。”
        ‘无变压器’设计
        变压器是大型、重型设备的一项主要投资。中压变频器的输入端变压器可以省去,这一事实已经毋庸置疑:这极大地消减了设备尺寸、重量以及费用。“无变压器”MV变频器并不是新概念,然而作为实际可用的产品仅仅出现于现代的设计中。这些MV变频依赖于有源前端(AFE)整流器和先进的功率电子技术,其功能特性基本达到了隔离变压器的效果。
        作为无变压器设计MV变频器的倡导者,Rockwell Automation公司为其PowerFlex 7000产品线投注了极大的热情——连同其传统设计。无变压器设计和传统MV变频器在950kW系统层面做了对比,加拿大Rockwell Automation公司的研发部门经理Navid Zargari见证了无变压器产品重量和体积分别下降了67%和59%。
        Rockwell公司的无变压器设计注册商标为“直驱”技术,在“直驱”技术的研发中起关键作用的Zargari解释道,结合AFE整流器——通过开关模式来最小化网侧谐波——以及专用dc连接互感器,此互感器实际上可以消除对电机绕组绝缘性有害的常态电压应力。
        功率开关设备也可以帮助限制谐波并降低电压瞬态影响对滤波器的要求,这里的功率开关设备指对称门极换流晶闸管(SGCTs)。Zargari补充道:“输出电流和电压波形近似于正弦曲线,哪怕连接电缆很长,实际上也不会对电机绕组造成电压应力。”
        无变压器MV变频器特别适用于对空间有限制的应用场合。当然,必须有合适的电源(或电网)电压、否则在变频器输入端仍旧需要一台降压变压器。实际上,这种“合适的MV总线”已经存在于某些工业设施中。
        其他生产厂商也没有忽视无变送器变频器产品。ABB在它的ACS2000和ACS6000MV变频器产品中提供了这样一种选项(被称为“直接接到线路”)。TMEIC GE的带有有源变换器的TM-30和TM-50/70可以不使用变压器,但仍能提供“合适的电网电压”。关于无变压器的MV变频器的其他介绍可以参靠相关文章。
        由于花费功率比随着时间持续改进,那些时刻考虑能源效率的用户可以期待中压ac变频器——不管是传统的还是无变压器型的——能够获得更广泛的应用。
        

附文:
        什么是中压?这取决于具体项目和工业领域
        有什么可以比定义大家都认可的“中压”更简单的事情么?实际上,中压的定义远比想象中更不统一,根据工业领域、具体项目、标准和其他原因,中压的定义大相径庭。
        在广泛的系统层面,IEEE(电气与电子工程师协会)标准100定义名义上的中压(MV)是“超过1kV不超过100kV。”而且,还有两个更高等级的电压定义——高压(HV)低于230kV和超高压(EHV)高于230kV。对于供电电缆CONTROL ENGINEERING China版权所有,同样的IEEE标准定义MV的上限为72.5kV。
        与我们的应用较为接近的是,NEMA(全国电气制造商协会)定义的MV电缆的额定电压为600V到69kV。
        某些电子布线和电缆生产厂商的产品规格都使用这个相同的最高值。其他IEEE相关标准对MV电气设备的定义为“设计工作于1kV到35kV之间。”一些生厂厂商将MV开关设备的额定值定位于38kV。
        MV变频变频器具有更窄的实际电压范围,从2.3kV到15kV,因为很少有MV变频器在此范围之外。而且,仅仅少数通用输入电压在世界范围内做到了“标准化”——例如60Hz下的2.3kV和4.16kV以及50Hz下的3.3kV和6.6kV。
        一个有趣的现象可以侧面说明这种对MV定义的模糊不清的现状:有一些伺服变频供应商很自豪地宣称他们的480V产品是“高压”产品。

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