葛文东

摘  要：高压交流变频调速系统以其先进的技术和稳定的使用性能，一直以来都作为大多企业节省电力能耗的首选手段，受到企业的重视和推广应用。高压交流变频调速系统变速平滑，精度高，范围宽，驱动设备减速或降负荷时能够吸收能量回馈并且可以再生制动，使电机快速逆转;同时具有软启动、软停止，逻辑编程和启动电流小，起动转矩大，节电效果突出等优点;发展几十年来一直被业界公认为应用最广、效率最高、控制方法最理想的电机驱动方式之一。特别是对于风机、泵类负载驱动设备节能效果非常明显，其在20～100%的负载变化情况内达到很高的功率因数。该调速系统能够抑制电网谐波且污染小，输入谐波畸变可小于3%，输出谐波畸变控制在2%之内，降低了因谐波引起的电机发热、转矩脉动等问题，转矩阶跃响应<200ms。因此最大限度的提高电气传动设备的调速精度和降低其耗电量对于企业的安全、节能都具有重要意义。

关 键 词：变频系统;节约电能;功率单元

1  绪 论

电动机的调速从晶闸管整流直流调压调速、斩波调速、串级调速、液力偶合器逐步发展到交流感应变频调速，而且随着控制技术和控制手段的不断提高， 变频调速又由变压变频控制的变频调速发展到了矢量控制变频调速。在现代化工业企业中使用量大、面广的风机和泵类设备，大多数都已经采用了交流电动机驱动方式，但是调速方式还采用传统的老式调速，其缺点是调速精度差、耗电量大、调速不稳且容易失速等。

2  高压变频调速系统技术参数及特点

2.1基本性能及特点

我公司采用的高压变频调速系统，操作简单、性能稳定，能够满足目前公司动力站引风机、一次风机、二次风机的调速要求，同时提高了生产工艺的运行指标，保障了锅炉安、稳、长、满、优的运行要求。该系列高压变频调速系统采用新型IGBT功率器件，全数字化微机技术控制，适配各种通用三相异步电机。

1、高压变频调速系统为高-高结构，该变频调速系统输出PWM方式，可以直接输出10KV高压;主要有干式隔离变压器，整流单元、逆变单元等功能元器件组成。

2、其控制单元均采用全数字化、智能化微控技术，系统自带的故障自诊断功能，可对各种故障类型、故障位置及时提供代码显示和远传报警指示，方便了日常维护保养过程中运行人员和检修人员分析判断和解决处理问题。

3、該系统具有就地控制和远程控制两种方式，就地控制方式下，可以通过控制柜自带的触摸屏显示和操作，实现就地启动/停止功能，还可以手动调整电动机的转速、频率，也能切换显示电流、电压、转矩、速度等运行参数;远方监控方式主要是通过与DCS系统通讯或控制信号接入DCS系统实现，可实现与就地监控相同的操作功能，并能够通过DCS系统进行变频器参数设置和备份。

2.2变频调速系统保护功能

1、过压保护功能：主要是通过检测每个功率模块的直流母线电压来实现的一种保护，当直流母线电压高于额定电网电压的设定值时，就会触发过电压保护功能动作。

2、欠压保护功能：是对电网电压负向波动的一种保护动作功能，也是通过检测每个功率模块的直流母线电压，当直流母线电压低于额定电网电压的设定值时，则触发欠压保护动作。

3、过流保护：是通过检测电动机实际运行电流，当运行电流大于电动机额定电流的整定值时，立即保护。过流保护定值可根据负载运行情况自行设置。

4、缺相保护：主要在每个功率模块上进行设置数据，当高压电源输入侧缺相、功率模块保险烧毁、模块故障时，会发出报警信号同时触发保护动作。

3  高压变频调速系统原理

高压变频系统根据其电源组成方式，分类为低-高，高-高，高-低-高。我公司一次风机、二次风机和引风机选用的高压变频调速系统均采用了高-高电源变换的方式。该电源变换方式主要是是由多个功率模块串联组成，直接对高压电网进行变压变频转换，其结构形式是串联的多电平拓扑结构，由各组低压叠加后产生高压输出，直接输入为高压电源后输出为高压电源，并且输入谐波畸变>3%，对电网谐波污染小，输入功率因数很高，这种方式减少了损耗，提高了效率，特别对大功率高压电机变频调速中使用节能效果非常明显。在变频系统中每8个功率单元串连组成一相，三相共计有24个功率单元组成，该系统无需谐波滤波器和功率因数补偿装置等设施，同时杜绝了因谐波引起的电机发热和转矩脉动、噪音和共模电压等问题，可以使用普通的异步电机变频电动机，其系统结构如下图3-1：

3.1功率单元

该系统的功率柜主要是功率单元的组合柜，组合柜内的每个功率单元结构上是完全一致的，方便了检修互换。系统采用了基本的单相逆变电路，整流单元应用了二极管三相全桥整流技术，并且配有自动旁路功能。变频系统给电动机供电方式是通过对每个单元的U、V、W输出端子相互串连后，组成的星型接法提供的，再通过对每个单元的PWM波形进行重新组合，组合后得到质量高的波形，这种方式能够减少对电缆和电机的绝缘损坏，并且电动机还不需要降功率使用，可直接用于旧设备的改造，降低了改造成本;同时电动机大大减少了谐波损耗，也消除了因此原因而引起的机械振动，消除了机械振动从而也减小了轴承和叶轮的机械应力。功率单元内器件可以直接使用低压功率器件，不用串联元器件，故不存在因元器件串联引起的均压问题。本系统采用的驱动技术是成熟可靠的低压IGBT功率模块技术，由于器件一直在低压状态工作，所以发生故障几率很小。每个功率单元的供电电源分别由输入变压器的一组副边提供，之间与变压器二次绕组相互绝缘，二次绕组采用的是星形折边接法，实现了多重化，从而达到降低输入谐波电流的目的。若某个功率模块发生故障时会自动切换至旁路运行，而变频系统也不会停机，也不会降额使用，因为每个功率单元输出端之间都并联了旁路电路，一旦功率单元发生故障时，就会封锁该单元的触发信号，然后导通旁路的SCR，这样就能保证电机电流正常能通过，仍能形成通路。该功能维持了生产工艺要求，极大的提高了高压变频调速系统运行的可靠性和安全性，功率单元结构如图3-2。

3.2控制器

该高压变频调速系统的控制器结构上采用箱体结构，系统控制柜内配置了彩色嵌入式的人机操作界面，可以通过界面功能菜单，实现参数设置和运行操作，还可以实现远程监控和网络化控制功能。各控制单元板采用FPGA、CPLD等大规模集成电路和表面焊接技术，整体具有极高的可靠性。控制器采用了32位高速的DSP芯片，该芯片精心设计的算法保证电机能够达到最优的运行指标。控制器与功率单元之间都采用了光纤通讯技术，且低压部分和高压部分被完全可靠隔离，保证了系统极高的安全性和很好的抗电磁干扰性能。控制器内置的PLC，主要用于柜体内开关信号的逻辑处理和现场各种状态信号的协调控制，PLC也可以根据现场的实际需要扩展开关量，增强了系统的整体灵活性。同时控制器采用了温度控制模块，能够随时监控高压变频系统各个部位的温度。控制器通讯原理如下图3-3：

3.3标椎接口配置

3.3.1变频系统的开关量输出

1、待机状态指示：高压变频调速系统已具备启动条件并已待命时发出的信号指示。

2、运行状态指示：高压变频调速系统启动后正常运行后的信号指示。

3、本地/远程控制状态指示：通过转换开关操作，当接点闭合时为远程DCS控制，接点断开为本地变频系统控制。

4、轻故障指示：主要为系统柜内产生的报警信号，如变压器温度过高、控制电源突然掉电、给定信号丢失断线、单元旁路出现过热、欠压、缺相以及系统柜门在运行过程中打开等信息指示。

3.3.2变频系统的开关量输入

1、远程控制启动指令：远程DCS发出的干接点信号，在闭合时有效，变频系统开始启动运行。

2、远程控制停止指令：远程DCS发出的干接点信号，在断开时有效，变频系统停止运行。

3、远程控制紧急停机指令：采用硬接线急停按钮控制，干接点断开时立即保持有效，紧急状态下变频系统停机。

4  高压变频调速系统控制方式

4.1手动旁路控制

该变频控制系统的旁路柜中共设有3个高压隔离开关，主要是在高压电动机有电压而没有电流负荷的情况下接通，切断或转换线路之用，在检修时有隔离高压电源的作用。变频柜内的K2与K3接触器采用电磁互锁机构，实现电磁互锁，是为了保证电机不向系统输出端反向送电。当变频柜内的K1、K3接触器闭合，K2接触器断开时，电动机在变频调速下运行，而当K1、K3接触器断开，K2接触器闭合时，电机在工频状态下运行，电动机在工频下运行时可以从高压中隔离出来，便于日常的检修和维护。该系统设置的旁路柜同时也与上级高压断路器DL进行了连锁， DL合闸时，以防止出现拉弧现象和确保操作人员和设备的安全，绝对不允许在合闸时操作旁路隔离开关与变频输出隔离开关。手动旁路一次回路如图4-1：

4.2自动旁路控制

旁路柜在变频调速系统的进、出线端增加了两个隔离刀闸，方便在变频系统退出而电动机旁路运行时，能保证安全地进行变频调速系统的故障处理或维护工作。旁路柜配置了三个真空接触器KM1、KM2、KM3和两个刀闸隔离开关K1、K2。KM2与KM3实现电气互锁，当KM1、KM2闭合，KM3断开时，电动机变频工况下运行;当KM1、KM2断开，KM3闭合时，电动机实现工频运行。当在KM1闭合时，K1操作手柄自动被锁死，不能够实现合闸操作，同样在KM2闭合时，K2操作手柄被自动锁死，不能进行任何操作。如果在电动機工频运行状态下，检修或维护变频系统时，必须在KM1、KM2分闸状态下，将隔离刀闸K1和K2断开，否则不允许任何操作。

5  节能效果分析

5.1节能效果对比

5.1.1高压变频调速系统改造前的运行参数

5.1.2高压变频调速系统应用前电动机实际功率

5.1.3高压变频调速系统变频功率

6  结论与展望

变频调速系统一直向着高可靠、低成本、高输入功率因数、高效率、低输入输出谐波、低共模电压、智能化方向发展。现在的变频调速系统大量使用了智能化电路设计，元器件也已应用到了集成度高的大规模集成电路，已经取代了传统的多个分立元器件组合使用的功能，元器件的数量大大减少，元器件的功耗也大幅度降低。从整体系统设计上都提高了抗恶劣环境的能力，故障率也降低了很多。总体来说，高压变频技术以其良好的特性正被广泛地应用。

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