高壓變頻調速系統介紹

葛文東

摘? 要：高壓交流變頻調速系統以其先進的技術和穩定的使用性能，一直以來都作為大多企業節省電力能耗的首選手段，受到企業的重視和推廣應用。高壓交流變頻調速系統變速平滑，精度高，范圍寬，驅動設備減速或降負荷時能夠吸收能量回饋并且可以再生制動，使電機快速逆轉;同時具有軟啟動、軟停止，邏輯編程和啟動電流小，起動轉矩大，節電效果突出等優點;發展幾十年來一直被業界公認為應用最廣、效率最高、控制方法最理想的電機驅動方式之一。特別是對于風機、泵類負載驅動設備節能效果非常明顯，其在20～100%的負載變化情況內達到很高的功率因數。該調速系統能夠抑制電網諧波且污染小，輸入諧波畸變可小于3%，輸出諧波畸變控制在2%之內，降低了因諧波引起的電機發熱、轉矩脈動等問題，轉矩階躍響應<200ms。因此最大限度的提高電氣傳動設備的調速精度和降低其耗電量對于企業的安全、節能都具有重要意義。

關 鍵 詞：變頻系統;節約電能;功率單元

1? 緒 論

電動機的調速從晶閘管整流直流調壓調速、斬波調速、串級調速、液力偶合器逐步發展到交流感應變頻調速，而且隨著控制技術和控制手段的不斷提高， 變頻調速又由變壓變頻控制的變頻調速發展到了矢量控制變頻調速。在現代化工業企業中使用量大、面廣的風機和泵類設備，大多數都已經采用了交流電動機驅動方式，但是調速方式還采用傳統的老式調速，其缺點是調速精度差、耗電量大、調速不穩且容易失速等。

2? 高壓變頻調速系統技術參數及特點

2.1基本性能及特點

我公司采用的高壓變頻調速系統，操作簡單、性能穩定，能夠滿足目前公司動力站引風機、一次風機、二次風機的調速要求，同時提高了生產工藝的運行指標，保障了鍋爐安、穩、長、滿、優的運行要求。該系列高壓變頻調速系統采用新型IGBT功率器件，全數字化微機技術控制，適配各種通用三相異步電機。

1、高壓變頻調速系統為高-高結構，該變頻調速系統輸出PWM方式，可以直接輸出10KV高壓;主要有干式隔離變壓器，整流單元、逆變單元等功能元器件組成。

2、其控制單元均采用全數字化、智能化微控技術，系統自帶的故障自診斷功能，可對各種故障類型、故障位置及時提供代碼顯示和遠傳報警指示，方便了日常維護保養過程中運行人員和檢修人員分析判斷和解決處理問題。

3、該系統具有就地控制和遠程控制兩種方式，就地控制方式下，可以通過控制柜自帶的觸摸屏顯示和操作，實現就地啟動/停止功能，還可以手動調整電動機的轉速、頻率，也能切換顯示電流、電壓、轉矩、速度等運行參數;遠方監控方式主要是通過與DCS系統通訊或控制信號接入DCS系統實現，可實現與就地監控相同的操作功能，并能夠通過DCS系統進行變頻器參數設置和備份。

2.2變頻調速系統保護功能

1、過壓保護功能：主要是通過檢測每個功率模塊的直流母線電壓來實現的一種保護，當直流母線電壓高于額定電網電壓的設定值時，就會觸發過電壓保護功能動作。

2、欠壓保護功能：是對電網電壓負向波動的一種保護動作功能，也是通過檢測每個功率模塊的直流母線電壓，當直流母線電壓低于額定電網電壓的設定值時，則觸發欠壓保護動作。

3、過流保護：是通過檢測電動機實際運行電流，當運行電流大于電動機額定電流的整定值時，立即保護。過流保護定值可根據負載運行情況自行設置。

4、缺相保護：主要在每個功率模塊上進行設置數據，當高壓電源輸入側缺相、功率模塊保險燒毀、模塊故障時，會發出報警信號同時觸發保護動作。

3? 高壓變頻調速系統原理

高壓變頻系統根據其電源組成方式，分類為低-高，高-高，高-低-高。我公司一次風機、二次風機和引風機選用的高壓變頻調速系統均采用了高-高電源變換的方式。該電源變換方式主要是是由多個功率模塊串聯組成，直接對高壓電網進行變壓變頻轉換，其結構形式是串聯的多電平拓撲結構，由各組低壓疊加后產生高壓輸出，直接輸入為高壓電源后輸出為高壓電源，并且輸入諧波畸變>3%，對電網諧波污染小，輸入功率因數很高，這種方式減少了損耗，提高了效率，特別對大功率高壓電機變頻調速中使用節能效果非常明顯。在變頻系統中每8個功率單元串連組成一相，三相共計有24個功率單元組成，該系統無需諧波濾波器和功率因數補償裝置等設施，同時杜絕了因諧波引起的電機發熱和轉矩脈動、噪音和共模電壓等問題，可以使用普通的異步電機變頻電動機，其系統結構如下圖3-1：

3.1功率單元

該系統的功率柜主要是功率單元的組合柜，組合柜內的每個功率單元結構上是完全一致的，方便了檢修互換。系統采用了基本的單相逆變電路，整流單元應用了二極管三相全橋整流技術，并且配有自動旁路功能。變頻系統給電動機供電方式是通過對每個單元的U、V、W輸出端子相互串連后，組成的星型接法提供的，再通過對每個單元的PWM波形進行重新組合，組合后得到質量高的波形，這種方式能夠減少對電纜和電機的絕緣損壞，并且電動機還不需要降功率使用，可直接用于舊設備的改造，降低了改造成本;同時電動機大大減少了諧波損耗，也消除了因此原因而引起的機械振動，消除了機械振動從而也減小了軸承和葉輪的機械應力。功率單元內器件可以直接使用低壓功率器件，不用串聯元器件，故不存在因元器件串聯引起的均壓問題。本系統采用的驅動技術是成熟可靠的低壓IGBT功率模塊技術，由于器件一直在低壓狀態工作，所以發生故障幾率很小。每個功率單元的供電電源分別由輸入變壓器的一組副邊提供，之間與變壓器二次繞組相互絕緣，二次繞組采用的是星形折邊接法，實現了多重化，從而達到降低輸入諧波電流的目的。若某個功率模塊發生故障時會自動切換至旁路運行，而變頻系統也不會停機，也不會降額使用，因為每個功率單元輸出端之間都并聯了旁路電路，一旦功率單元發生故障時，就會封鎖該單元的觸發信號，然后導通旁路的SCR，這樣就能保證電機電流正常能通過，仍能形成通路。該功能維持了生產工藝要求，極大的提高了高壓變頻調速系統運行的可靠性和安全性，功率單元結構如圖3-2。

3.2控制器

該高壓變頻調速系統的控制器結構上采用箱體結構，系統控制柜內配置了彩色嵌入式的人機操作界面，可以通過界面功能菜單，實現參數設置和運行操作，還可以實現遠程監控和網絡化控制功能。各控制單元板采用FPGA、CPLD等大規模集成電路和表面焊接技術，整體具有極高的可靠性。控制器采用了32位高速的DSP芯片，該芯片精心設計的算法保證電機能夠達到最優的運行指標。控制器與功率單元之間都采用了光纖通訊技術，且低壓部分和高壓部分被完全可靠隔離，保證了系統極高的安全性和很好的抗電磁干擾性能。控制器內置的PLC，主要用于柜體內開關信號的邏輯處理和現場各種狀態信號的協調控制，PLC也可以根據現場的實際需要擴展開關量，增強了系統的整體靈活性。同時控制器采用了溫度控制模塊，能夠隨時監控高壓變頻系統各個部位的溫度。控制器通訊原理如下圖3-3：

3.3標椎接口配置

3.3.1變頻系統的開關量輸出

1、待機狀態指示：高壓變頻調速系統已具備啟動條件并已待命時發出的信號指示。

2、運行狀態指示：高壓變頻調速系統啟動后正常運行后的信號指示。

3、本地/遠程控制狀態指示：通過轉換開關操作，當接點閉合時為遠程DCS控制，接點斷開為本地變頻系統控制。

4、輕故障指示：主要為系統柜內產生的報警信號，如變壓器溫度過高、控制電源突然掉電、給定信號丟失斷線、單元旁路出現過熱、欠壓、缺相以及系統柜門在運行過程中打開等信息指示。

3.3.2變頻系統的開關量輸入

1、遠程控制啟動指令：遠程DCS發出的干接點信號，在閉合時有效，變頻系統開始啟動運行。

2、遠程控制停止指令：遠程DCS發出的干接點信號，在斷開時有效，變頻系統停止運行。

3、遠程控制緊急停機指令：采用硬接線急停按鈕控制，干接點斷開時立即保持有效，緊急狀態下變頻系統停機。

4? 高壓變頻調速系統控制方式

4.1手動旁路控制

該變頻控制系統的旁路柜中共設有3個高壓隔離開關，主要是在高壓電動機有電壓而沒有電流負荷的情況下接通，切斷或轉換線路之用，在檢修時有隔離高壓電源的作用。變頻柜內的K2與K3接觸器采用電磁互鎖機構，實現電磁互鎖，是為了保證電機不向系統輸出端反向送電。當變頻柜內的K1、K3接觸器閉合，K2接觸器斷開時，電動機在變頻調速下運行，而當K1、K3接觸器斷開，K2接觸器閉合時，電機在工頻狀態下運行，電動機在工頻下運行時可以從高壓中隔離出來，便于日常的檢修和維護。該系統設置的旁路柜同時也與上級高壓斷路器DL進行了連鎖， DL合閘時，以防止出現拉弧現象和確保操作人員和設備的安全，絕對不允許在合閘時操作旁路隔離開關與變頻輸出隔離開關。手動旁路一次回路如圖4-1：

4.2自動旁路控制

旁路柜在變頻調速系統的進、出線端增加了兩個隔離刀閘，方便在變頻系統退出而電動機旁路運行時，能保證安全地進行變頻調速系統的故障處理或維護工作。旁路柜配置了三個真空接觸器KM1、KM2、KM3和兩個刀閘隔離開關K1、K2。KM2與KM3實現電氣互鎖，當KM1、KM2閉合，KM3斷開時，電動機變頻工況下運行;當KM1、KM2斷開，KM3閉合時，電動機實現工頻運行。當在KM1閉合時，K1操作手柄自動被鎖死，不能夠實現合閘操作，同樣在KM2閉合時，K2操作手柄被自動鎖死，不能進行任何操作。如果在電動機工頻運行狀態下，檢修或維護變頻系統時，必須在KM1、KM2分閘狀態下，將隔離刀閘K1和K2斷開，否則不允許任何操作。

5? 節能效果分析

5.1節能效果對比

5.1.1高壓變頻調速系統改造前的運行參數

5.1.2高壓變頻調速系統應用前電動機實際功率

5.1.3高壓變頻調速系統變頻功率

6? 結論與展望

變頻調速系統一直向著高可靠、低成本、高輸入功率因數、高效率、低輸入輸出諧波、低共模電壓、智能化方向發展。現在的變頻調速系統大量使用了智能化電路設計，元器件也已應用到了集成度高的大規模集成電路，已經取代了傳統的多個分立元器件組合使用的功能，元器件的數量大大減少，元器件的功耗也大幅度降低。從整體系統設計上都提高了抗惡劣環境的能力，故障率也降低了很多。總體來說，高壓變頻技術以其良好的特性正被廣泛地應用。

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