3250kW/6kV高压变频调速技术介绍

　　一.市场意义
　　我国电力工业2004年底发电总装机容量达到4.4亿kW，年发电量达到了218700亿kWh。平均每年15%的增长速度，满足不了社会日益增长的电力需求。连续四年的“电荒”，已让国民经济遭受了一万亿元的巨大损失。一方面电力供给不足，另一方面我国低效率、高电耗的工业装备和民用设施还在迅速增长，单位GDP产能消耗的电能为发达国家的3-5倍。同国际先进水平的差距仍在继续拉大。
　　目前，全世界正在为能源紧缺而困扰，我国的能源形势尤其严峻。在这样的背景下，国家颁布了《节能法》，并号召各级政府、厂矿企业为建设资源节约型社会而努力。推动社会各方面的节能改造，是当前重要工作之一。
节能改造有各种不同的方面，如加强废物利用、利用可再生能源、禁用耗能设备等，但是，通过对拖动风机、水泵、空气压缩机的高电压大功率电动机变频调速方式来实现节能，无疑是潜力最大的节能方式。风机和水泵在国民经济各部门的数量众多，分布面极广，耗电量巨大。据有关部门的统计，全国风机、水泵电动机装机总容量约35000MW，耗电量约占全国电力消耗总量的40%左右。目前，风机和水泵大多数还采用定速运行的方式，利用阀门或挡板的节流进行调节，如果采用调速节能，据估计可达300～500亿kWh/年，相当于6～10个装机容量为1000MW级的大型火力发电厂的年发电总量。
　　风机、水泵类负载80%的耗电集中在高压大功率电动机上，功率大多集中在300-5000KW之间，分布在各大电厂、自来水厂、钢厂、石油化工企业，进行节能改造易于操作；经过前期的论证和选择，改造后节能一般在20%-40%之间。
3250kW/6kV是迄今为止我公司生产的最大功率的高压变频调速系统，也是目前国产高压交-直-交电压源型变频调速系统达到的最大功率，其额定输出电流达到400A。3250kW/6kV高压变频调速系统的开发成功，进一步满足了市场对大容量高品质高压变频调速系统的需求，标志着我公司高压大功率变频器技术又迈上了一个新的台阶。
　　下面就其系统原理、功能特点、应用范围、优化设计、技术参数等方面进行详细阐述。
　　二.系统原理
　　HARSVERT-A系列高压变频调速系统采用直接“高-高”变换形式，为单元串联多电平拓扑结构，主体结构由多组功率模块串联而成，从而由各组低压叠加而产生需要的高压输出，它对电网谐波污染小，输入电流谐波畸变小于4%，电网输入电压谐波畸变小于2%，直接满足IEEE519-1992的谐波抑制标准，输入功率因数高，不必采用输入谐波滤波器和功率因数补偿装置；输出波形质量好，输出电流谐波畸变小于2%，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。3250kW/6KV高压变频系统共有15个功率单元，每5个功率单元串连构成一相，其系统结构如下图，其中(1)为高压开关；(2)为干式移相隔离变压器；(3)为电动机；(4)为功率单元；(5)为主控箱；(6)人机接口；(7)为可编程控制器；(8)为电流霍尔；(9)为电压检测。

　　功率单元
　　每个功率单元分别由输入变压器的一组副边供电，功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘，二次绕组采用延边三角形接法，实现多重化，以达到降低输入谐波电流的目的。每个功率单元结构上完全一致，可以互换，其电路结构图如下，系统为基本的单相逆变电路，整流侧为二极管三相全桥，IGBT逆变桥的控制方式为PWM控制，并且有自动单元旁路功能。
　　功率单元内器件承受的最高电压为单元内直流母线的电压，可以直接使用低压功率器件，器件不必串联，不存在器件串联引起的均压问题，而且功率单元中采用的低压IGBT功率模块，驱动电路简单，技术成熟可靠，器件工作在低压状态，不易发生故障。
　　单元旁路功能：当某个功率模块发生故障时自动旁路运行，变频装置不停机，但需降额使用，即在每个功率单元输出端之间并联旁路电路，当功率单元故障时，封锁该功率单元IGBT的触发信号，然后让旁路SCR导通，保证电机电流能通过，仍形成通路。这样能维持生产要求，大大提高了系统运行的可靠性。
　　三.HARSVERT-A系列高压变频调速系统性能特点
Ø 变频器为高－高结构，6kV直接输出，不需输出升压变压器，输出为单元串联移相式PWM方式；
Ø 系统一体化设计，包括输入干式隔离变压器，变频器等所有部件及内部连线，用户只须连接高压输入、高压输出、低压控制电源和控制信号线即可。整套系统在出厂前进行整体测试；
Ø 30脉冲输入符合并优于IEEE519～1992及GB/T14549～93标准对电压失真和电流失真最严格的要求；
Ø 在20～100%的负载变化情况内达到或超过0.95的功率因数，并且电流谐波少，无须功率因数补偿/谐波抑制装置；
Ø 无需滤波器变频器就可输出正弦输出电流和电压波形，对电机没有特殊的要求，可以使用普通异步电机，电机不必降额使用。具有软起动功能，没有电机启动冲击引起的电网电压下跌，可确保电机安全、长期运行；
Ø 变频装置输出波形不会引起电机的谐振，转矩脉动小于0.1%。可避免风机喘振现象。变频器有共振点频率跳跃功能；
Ø 变频装置对输出电缆无特殊要求，电机不会受到共模电压和dv/dt的影响；
Ø 变频器可在输出不带电机的情况下进行空载调试，也可在没有6kV高压情况下用低压电进行空载调试；
Ø 控制系统采用全数字微机控制，有很强的自诊断功能，能对所发生的故障类型及故障位置提供中文指示，能在就地显示并远方报警，便于运行人员和检修人员能辨别和解决所出现的问题；
Ø 具有就地监控方式和远方监控方式。在就地监控方式下，通过变频器上的触摸屏显示，可进行就地人工启动、停止变频器，可以调整转速、频率；就地控制窗口采用中文操作界面，功能设定、参数设定等均采用中文。卖方提供的变频装置支撑软件为汉化的最新的正版软件；
Ø 变频器高压主回路与控制器之间为光纤连接，具有很高的通信速率和抗干扰能力，安全性好；
Ø 转矩特性：0～50Hz恒转矩特性，额定转矩输出，转矩阶跃响应＜200ms。50Hz以上恒功率特性，最大转矩与转速成反比下降；
Ø 输出频率0-60Hz(根据电机情况可设定)；
Ø 变频器抗地震能力为7级，振动0.5G；
Ø 临界速度可跳过(共2组，可任意设定)；
Ø 安装、设定、调试简便；
Ø 功率电路模块化设计，维护简单；
Ø 完整的故障监测电路、精确的故障报警保护；
Ø 自带冷却风机，风机电源与控制电源分开取电，电源取自输入侧变压器；
Ø 内置PLC，易于改变控制逻辑关系，适应多变的现场需要；
Ø 可灵活选择现场控制/远程控制；
Ø 可接受和输出0～10V/4～20mA工业标准信号；
Ø 可根据用户需要内置PID调节器；
Ø 完整的通用变频器参数设定功能；
Ø 优异的性能/价格比；
Ø 自备UPS，可维持30分钟。
Ø 旋转再起动功能
Ø 单个功率单元故障时，输出电压仍可达到93%以上，在大多数情况下不影响负载的运行。
　　四.高压变频调速系统的应用范围
　　火力发电：引风机、送风机、吸尘风机、凝结泵、排污泵、锅炉给水泵等；
　　冶 金：引风机、除尘风机、通风机、泥浆泵、除垢泵等；
　　石油化工：主管道泵、注水泵、循环水泵、锅炉给水泵、电潜泵、卤水泵、引风机、除垢泵等；
　　市政供水：水泵等；
　　污水处理：污水泵、净化泵、清水泵等；
　　水泥制造：窑炉引风机、压力送风机、冷却器吸尘风机、生料碾磨机、窑炉供气风机、
　　冷却器排风机、分选器风机、主吸尘风机等；
　　造 纸：打浆机等；
　　制 药：清洗泵等；
　　其 它：风洞试验等。
　　五.3250kW/6kV高压变频调速系统的优化设计
　　3250kW/6kV高压变频调速系统主要由控制柜、功率柜、变压器柜三大部分组成，其各个部分不仅继承了以前产品的优点，而且在产品外观、可靠性、模块设计、散热设计等各方面都作了许多的改进，具有一些新的特点，如下所示。
　　1．3250kW/6kV与2500kW/6kV高压变频调速系统的功率柜部分尺寸完全相同，这样就相当于把2500kW/6kV高压变频调速系统整流逆变部分的功率密度提高了30%。
我们通过在设计上采用新的散热器（与2500kW/6kV使用的散热器外形尺寸相同，散热面积增大一倍），新型号的电解电容，IGBT等，成功的解决了电解电容的容量和功率模块的发热等一系列的问题，大大提高了系统的功率密度，减小了设备的体积，为变频器的现场应用提供了方便。
　　2．系统全部使用新的拼装机柜。
拼装机柜不仅外观上更加美观，而且提高了机柜的强度，门与柜体间安装了新的压条式密封条，增强了门的密封性能，提高了系统的防护等级。我们通过将变压器柜底座密封，在变压器柜柜门上加装通风滤网，设计标准的散热风道等，使系统的防护等级从IP20提高到IP31，通过特殊设计，还可以达到IP42。
　　3．系统安装了更加友好的人机界面，并采用了低功耗、可靠性高的嵌入式人机界面。
新的人机界面集成了变频器产品在各个行业的应用经验，针对各个不同的用户，只需根据现场的实际情况在界面中进行设置即可，不需要对程序进行改动，这样就避免了因为频繁改动程序而造成失误的可能，提高了软件的可靠性；新的嵌入式人机界面取消了老式工控机中的一些易损部件，例如CPU风扇，电源风扇等，并用闪存代替了硬盘存储器，使操作界面的可靠性更高，真正实现了免维护；系统采用微软公司的Windows CE操作系统代替了Windows 2000操作系统，使之更加适合变频器产品，进一步提高变频器产品的可靠性。
　　4．系统优化了电量的检测电路。
高压变频调速系统需要检测输入、输出侧的电量参与控制和显示，在3250kw/6kV系统中，改变了原来的检测电路体积大、结构笨重的不足，提高了变频器低频运行时的检测精度，不仅提高了系统的性能，更为下一步高性能的变频器—矢量控制型高压变频调速系统的应