高压变频器在改造中的应用

1 引言

随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的发展，电气传动技术正经历着比较大的革新。工业生产领域大量使用的高压感应异步电动机，已经由传统的改变其它机械环节的控制方法，改造为直接改变供给的交流电源的频率和幅值的变压变频控制方法，进行速度调节和位移控制，从而可以提高生产工艺，降低能源消耗。特别是在当今面临能源危机的条件下，节能降耗不仅有近期的直接经济效益，更有长远的社会效益。

采用新型高压大功率电力电子器件构造的直接“高-高”式变频器，具有结构简单，工作可靠的特点，有很好的调速和起动与制动性能。由于采用不控整流和全控器件进行开关调制，具有输入侧高功率因数、整装置优良的控制性能和高的运行效率。特别是通过改变送给电动机的电流的频率，在很宽的转速范围内进行高效率的转速调节，可以取得很好的节电效果，在风机和水泵的节能改造上已经得到广泛证实。

2 高压变频器的系统组成和原理

该高压变频器为直接高－高结构，不需输出升压变压器，输出为单元串联移相式PWM方式，其主电路结构如图1所示。

该高压变频器具有运行稳定、调速范围广、输出波形正弦好、输入电流功率因数高、效率高等特点，对电网谐波污染小，总体谐波畸变THD小于4%，直接满足IEEE519-1992的谐波抑制标准，功率因数高，不必采用功率因数补偿装置，输出波形好，不存在谐波引起的电机附加发热和转矩脉动、噪音、输出dv/dt、共模电压等问题，不必加输出滤波器，就可以使用普通的异步电机。    

2.1 功率单元

AMB-HVI系列高压变频器每相由六个的功率单元串联而成。各功率单元具有完全相同的结构，有互换性。每个功率单元为三相输入，单相输出的交直交PWM电压源型逆变器结构，同时还包括驱动、保护、监测、通讯等组件组成的控制电路，其结构如图2所示。通过控制IGBT的工作状态，输出PWM电压波形。每个功率单元额定输出电压为580V，串联后输出相电压3480V，线电压达到6kV。    

图2变频器功率单元图

AMB-HVI系列高压变频器输出采用多电平移相式PWM技术，同一相的功率单元输出相同幅值和相位的基波电压，但各载波之间互相错开一定电角度，实现多电平PWM，使得输出电压非常接近正弦波。输出电压的每个电平台阶只有单元直流母线电压大小，所以dv/dt很小，功率单元采用较低的开关频率，以降低开关损耗，但输出波形的等效开关频率可以达到单元开关频率的6倍，且输出电平数增加，输出相电压为13电平，线电压为25电平，电平数和等效开关频率的增加有利于改善输出波形，降低输出谐波，其输出波形如图3所示。

图3高压变频器的输出电压和电流波形

2.2 IGBT驱动原理

在AMB-HVI变频器的功率单元中，使用高性能、智能化的专用IGBT驱动模块对主控系统输出的PWM控制信号进行隔离、缓冲处理后，使弱电信号（TTL电平）能够驱动高压回路中的大功率IGBT器件，输出我们需要的SPWM电压。

驱动模块辅助功能还包括：对IGBT进行短路、过流、欠压监测和保护。当负载或功率单元一旦出现短路、过流、欠压等方面故障，驱动模块将故障信号上传到主控系统，主控系统的微处理器将根据故障类型进行辨别处理后，发出命令使驱动模块停止工作，禁止该功率单元的输出。与此同时主机中故障处理控制逻辑还会根据故障类型进行更进一步判断，以决定系统是否发生真正的故障，以便系统采取报警停机或继续运行，以保护变频器与配电系统的安全，不至于造成更大的故障和更大的经济损失。

2.3 输入变压器

AMB-HVI系列高压变频器的输入侧变压器采用移相式变压器，其电气原理图如图4所示。变压器原边绕组为6kV，副边共十八个绕组分为三相。每个绕组为延边三角形接法，分别有±5o、±15o、±25o移相角度，每个绕组接一个功率单元，这种移相接法可以有效地消除35次以下的谐波。因此，采用移相变压器进行隔离降压，使得输入侧功率因数在0.96以上，不会对电网造成超过国家标准的谐波干扰。

图4移相变压器电气原理图

3 改造方案

考虑到变频器退出运行后，为了不影响生产，确保系统正常工作，配置工频旁路，当变频器出现故障时，将电机投切到工频下运行。整个系统由1台高压变频柜、1台控制柜、1台变压器柜、一台旁路柜、一台电机及一台送风机组成，下图为送风机变频方案示意图。

图5送风机变频方案示意图

图5中共有3个高压隔离开关，为了确保不向变频器输出端反送电，QS2与QS3采用机械互锁，并采用S7-200PLC控制系统实现电气连锁，避免系统误操作。当QS1、QS2闭合，QS3断开时，电机运行在变频状态；当QS1、QS2断开，QS3闭合时，电机工频运行，此时高压变频器从高压中隔离出来，便于检修、维护和调试。

在变频改造以前，风机均采用调节风板开度的方式控制锅炉进风量，由于其电机裕量较大，因而电能的浪费特别严重，同时由于频繁的对风板进行操作，导致风板的可靠性下降，影响机组的稳定运行。且电机工频起动特别困难，起动电流大，对电网冲击较大，并造成电机笼条松动、有开焊断条的危险。一般起动后不允许停机。

进行变频改造后，风机的风板开度保持全开，基本不需要改变，根据实际所需的风压，由DCS系统通过PID调节计算，输出4~20mA模拟电流信号发给变频器，通过调节变频器的输出频率改变电机的转速，达到调节送风量的目的，满足运行工况的要求。

同时，进行变频改造后电机在启动和调节过程中，转速平稳变化，电流没有任何冲击，解决了电机启动时的大电流冲击问题，消除了大启动电流对电机、传动系统和主机的冲击应力，大大降低日常的维护保养费用。

4 天山水泥厂节能效果分析

天山水泥厂五台风机经过变频改造后提高了运行的自动化程度，降低了大量电能损耗，较大程度地降低了运行成本，取得了较好的经济效益和社会效益，具体节能分析如表1所示。

循环风机（变频器型号AMB-HVI-3550KVA/10）

高温风机（变频器型号AMB-HVI-2500KVA/10）

收尘风机（变频器型号AMB-HVI-800KVA/10）

磨煤风机（变频器型号AMB-HVI-630KVA/10）

窑头风机（变频器型号AMB-HVI-500KVA/10）

表1

长强钢厂、扬子水泥、联勤不锈钢、重庆富凰节能效果分析

长强排粉机（变频器型号AMB-HVI-500KVA/10）

扬子风机（变频器型号AMB-HVI-1250KVA/10）

联勤烧结风机（变频器型号AMB-HVI-2000KVA/10）

联勤高炉风机（变频器型号AMB-HVI-1250KVA/10）

富凰引风机（变频器型号AMB-HVI-450KVA/6）

表2

5 结论

上述各厂风机经过变频改造后，节约了大量的电能，改善了工艺过程，电机实现了软启动，延长设备的使用寿命，减少维修量；电机的振动情况得到了改善，取得了预期的效果。

中高压变频调速系统是实施有效节能的重要装备，是国家当前社会经济发展的急需，在加快建设节约型社会的历史进程中，我们必将迎来一个高压变频调速技术发展和推广应用的时代