變頻系統應用設計

王克虎，田慶明，陳 霖

（上海外高橋造船有限公司，上海 200137）

0 引 言

隨著綠色船舶和節能環保理念的普及和推廣，從普通商船的機艙通風系統變頻控制到海工平臺的升降系統變頻控制、電力推進變頻控制等，從低壓變頻控制系統到中壓變頻控制系統，從幾十千瓦的變頻控制系統到數十兆瓦的變頻控制系統，變頻系統在船上的應用范圍越來越廣，隨之而來的是對船舶系統整體設計要求的提高，主要表現為在有限的區域空間內，既要滿足變頻功能需求，又要減少變頻系統對其他系統的干擾，這對設備的特性及現場安裝布置都提出新的更高要求。

在上海外高橋造船有限公司建造的系列自升式鉆井平臺中，其兩大關鍵系統（升降系統和鉆井系統）均采用低壓變頻控制。因此，設計好這2套系統是保證平臺順利交付和正常運營的關鍵。本文對變頻系統的通用要求進行歸納分析，結合在項目設計、安裝和調試過程中出現的問題做工程應用方面的工藝總結。

1 變頻系統設計安裝要求

1.1 概述

變頻系統主要通過控制變頻器輸出分量的頻率、電壓或電流等來控制電機的轉速和輸出功率，從而達到精確控制和降低能耗的目的。因此，典型的變頻系統主要由電源、變壓器、變頻器、電機、控制器及輔助部件（如電纜附件）等6部分組成，通過變壓器將船舶電源轉換為變頻器匹配電壓和相位角，控制系統根據外部輸入控制變頻器的輸出分量，以驅動電機實現變速和變功率輸出。

目前交流變頻器有間接變頻（交-直-交變頻）和直接變頻（交-交變頻）[1]2種形式，其中間接變頻又分為交-直-交電壓源型變頻器和交-直-交電流源型變頻器，應用較多的是間接變頻中的電壓源型變頻器，其控制類型通常有直接轉矩控制（Direct Torque Control, DTC）和脈沖寬度調制矢量控制（Pulse Width Modulation, PWM）2種。ABB和SIEMENS兩大變頻器設備商均采用直接轉矩控制和矢量控制作為其變頻器控制策略。

交流變頻器是應用電力電子器件實現整流和逆變的，其中大量的非線性元器件在工作過程中會產生奇次諧波電流，對系統電源電壓產生諧波干擾，這不僅會大大降低電網電能質量，而且會對電力設備的運行產生影響，使得電動機、電纜等發熱或過載，造成損耗增大、效率降低和壽命縮短等，同時會對繼電保護、計量儀器儀表和電波通信造成干擾。因此，在設計和應用變頻系統時，必須從設計源頭和安裝工藝方面消除電磁干擾的影響。

根據美國電氣與電子工程師協會（Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE）[2]的定義，諧波作為周期電氣量的正弦波分量，其n次（即基波頻率的正整數倍）分量的疊加構成周期量的交流分量，其頻率為基波頻率的整數倍。對于普通6脈沖交流變頻系統，其中6n±1分量構成諧波電流分量；而對于船舶常用的12脈沖系統，會產生12n±1次諧波分量，因此必須對這類諧波進行抑制，以避免波形失真造成畸變。從諧波的量次來看：6脈沖諧波分量分別是5，7，11，13，等；12脈沖諧波分量分別是11，13，23，25，等。因此，12脈沖諧波分量明顯少于6脈沖，且越低次諧波，其分量值越高。從實際項目應用來看，對于多負載的變頻控制系統，12脈沖變頻系統比6脈沖變頻系統用得多，同時對于雙12脈沖系統而言，系統間的母聯開關合并之后可組成虛擬24脈沖系統，這樣產生的諧波次數更少，如只有23，25，47，49，等，對諧波的抑制更容易，通常不需要增加任何額外的濾波裝置就可滿足規范要求。

1.2 對設備選型及安裝具體要求

下面就實際工程應用中設備選型和安裝工藝的注意要點進行簡單說明。

1.2.1 滿足變頻系統的變壓器選用

對于普通的交流6脈沖變頻系統而言，不需要增加額外的移相變壓器，可直接采用電源、變頻器到負載的設計方式。對于12脈沖變頻系統和24脈沖變頻系統而言，需增加額外的移相變壓器，主要目的是減小變頻器諧波電流，降低對變頻系統的影響。常規移相變壓器的原邊采用三角形接法，副邊采用三角形及星形接法。12脈沖變頻系統變壓器的副邊采用雙繞組變壓器，容量各為原邊容量的1/2；24脈沖變頻系統變壓器的副邊采用四繞組變壓器，容量各為原邊容量的1/4。

對于移相變壓器設計選用要求，除了考慮標準電力變壓器的設計標準（如IEC61378-1[3]和IEC60076[4]）以外，還要特別考慮諧波畸變和功率因數，以解決畸變帶來的損耗，因此需考慮的設計因素比普通交流變壓器多。諧波電流會引起額外的熱量損耗，熱量損耗就意味著變壓器無功分量增大，在相同變壓器總容量下會降低有功的輸出，即若將普通變壓器應用于變頻系統，在不考慮其他因素的情況下，其實際有功輸出功率要比變壓器應用在普通交流系統中的輸出功率低。這是變壓器選型過程中要重點考慮的問題，否則變壓器長期運行在過載過熱的情況下會導致絕緣老化，使用壽命縮短。常規變頻系統采用的變壓器大多是通過增加強制通風或強制水冷設計來提升變壓器輸出容量的。這是由于在使用相同繞組線圈的條件下，強制風冷或水冷會加大內部散熱和循環速度，使得變壓器繞組能承受更大的電流，從而保持溫升不超過設計溫度，進而保證變壓器正常工作，這也是目前變頻系統變壓器常規的選型思路。

1.2.2 滿足變頻系統的電纜選用

選用變頻系統電纜是變頻系統設計中的重要一環，很容易出現問題。目前規范還未含變頻系統電纜的標準，只是變頻器制造商提出一些符合系統運行的電纜結構標準和敷設要求，而電纜生產廠家基于目前市場上主流變頻器品牌的要求開發出一些適用于變頻系統的電纜。下面從電纜的性能、結構和載流量等方面對電纜的選用進行分析。

基于變頻器的工作原理及特性，市場上的變頻電纜主要從提升電纜的絕緣能力和提高電纜的鎧裝層密度2方面進行設計。提升絕緣能力主要是考慮到變頻器輸出的電壓雖然是帶諧波的近似正弦波，但在抑制過程中會產生極高的du/dt峰值，這些峰值電壓會對電纜的絕緣帶來瞬時沖擊，長期在該工況下運行會加速絕緣老化，縮短電纜的使用壽命，甚至會擊穿電纜而發生短路故障，因此必須提升變頻系統的電纜絕緣能力。例如：對于690V非變頻電力系統，規范允許采用0.6/1kV電力電纜；而對于690V變頻系統，0.6/1kV電纜顯然不滿足技術要求。對于該系統，有些電纜廠家制定0.75/1.3kV的變頻電纜，有些直接制定1.8/3kV的變頻電纜，正常情況下這2種電纜都可選用。對于增大鎧裝層密度而言，由于伴隨著PWM的2～16kHz調制頻率的產生，該頻率具有一定的電磁波發射能力，會對周圍的電場產生影響，從而影響周圍設備的運行。為降低該影響，要求變頻電纜的屏蔽能力比一般電纜強，正常變頻電纜的鎧裝編織密度至少達到90%。因此，無論是從電纜物理結構上看還是性能上看，變頻電纜都比普通的電力電纜有提升，隨之而來的是電纜變粗和重量增大。

對于具體系統內部的電纜選用，原則上按照下述方案進行：電源或變壓器與變頻器之間可采用常規的電力電纜；而變頻器與電機之間則需采用滿足上述要求的變頻電纜。變頻電纜的結構型式常規有 3+E (E為接地線)或3+3E，廠家多推薦采用3+3E對稱電纜，對系統防干擾有很強的抑制作用；E截面總面積要滿足50%的導體截面總面積要求。對于敷設長度＜100m的變頻電纜，若廠家推薦，也可采用單芯電纜，但必須嚴格按照廠家要求的工藝進行電纜選用和敷設，如按照“品”字形敷設等，同時保證每相的電纜長度相等。

對于變頻系統的模擬信號控制電纜，需每對絞芯線帶單獨屏蔽。

對于電纜載流量的選用，除了考慮系統額定電流以外，還應考慮諧波引起的附加發熱效應。對于普通6脈沖變頻系統，其主要是5次諧波和7次諧波，電源電纜的載流量一般要增大到額定電流的1.3倍。對于12脈沖變頻系統，要在變頻器前采用移相變壓器，電源與移相變壓器初級之間沒有5次諧波和7次諧波，但有11次諧波、13次諧波及高次諧波，建議選用1.2倍額定電流的電纜；變壓器副邊與變頻器之間的電纜含有5次諧波和7次諧波，因此副邊總電流要考慮增大到額定電流的1.3倍。變頻器到電機端的電纜通過調制后輸出的波形有很大改善，電纜載流量只需按正常額定載流量的1.1倍考慮即可。

綜上可知，變頻系統的主電纜選用無論是從物理結構上看還是從載流量看，都須特殊考慮。

1.2.3 對電纜敷設的要求

變頻系統由于產生諧波，主電纜需單獨敷設，以免對其他系統（特別是電子元器件）產生干擾。變頻器電源輸入電纜、輸出到電機的主電纜和控制電纜要敷設在不同的電纜托架內，并盡可能地相互遠離敷設；當控制電纜無法避免與電源電纜交叉敷設時，兩者盡可能按照90°[5]交叉敷設布置。電纜敷設布置要求見圖1。

對于控制電纜而言，模擬信號電纜與數字信號電纜需分托架敷設；同樣，24VDC與115/230VAC 控制電纜也需分托架敷設，嚴禁敷設在一起。

因此電纜間分開敷設是變頻系統的基本要求。

圖1 電纜敷設布置要求

1.2.4 對于密封件和電纜屏蔽處理接線的要求

對于變頻器輸出，其主電纜和控制電纜都要經過電磁兼容（Electro Magnetic Compatibility, EMC）處理后再接入設備。適用于變頻系統的密封件包括EMC 填料函、EMC MCT（多電纜貫通件）和EMC 襯套等。不同的設備應用的密封件不同，但對實現EMC的功能是等效的。圖2為常用的幾種密封形式和電纜屏蔽處理方式。

由圖2可知：變頻電纜的鎧裝編織接地線與設備外殼連接良好之后，通過設備外殼與船體連通接地是實現抗干擾能力的重要保障，因此現場施工工藝也是保證變頻系統正常工作的重要措施之一。

2 結 語

隨著節能環保理念的推廣，會有越來越多的變頻系統得到應用。因此，設計好、應用好和減少相互間的干擾是重點。本文以此為出發點，深入分析了變頻系統干擾源，并提出了變頻系統從設備選用到現場安裝的解決方案，可供參考應用。

【 參 考 文 獻 】

[1] 中國船舶及海洋工程設計研究院，天海融合防務裝備技術股份有限公司，上海市船舶與海洋工程學會，等. 船舶電氣技術叢書——船舶電力推進[M]. 武漢：湖北科學技術出版社，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.