高压变频节电系统

风机、水泵采用变频调速是我国节能的一项重点推广技术，受到国家政府和企业的普遍重视。《中华人民共和国节约能源法》第39条就明确规定了将此作为通用节能技术加以推广。国务院、财政部、电力部对节能都有规定，指出:“要把实现交流电机调速节电作为重点措施，认真推广”。以往推广应用的变频器主要是指低压(380级)变频器，而对于高压(3kV、6kV、10kV)变频器则应用较少。实际上从节能效果上来说，高压变频与低压变频是一样的。所不同的是高压变频投资更大，操作更加复杂。

 二、高压变频应用场合

引风机、送风机、吸尘风机、压缩机、排污泵、锅炉给水泵等

引风机、除尘风机、通风机、泥浆泵、除垢泵等

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

水泵等

污水泵、净化泵、清水泵等

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

(1) 隔离变压器：副边多绕组输出，为功率单元提供独立的移相电源，可以大大改善网侧的电流波形，降低设备对电网的谐波污染。

(2) 冷却风机：根据不同的功率，配置相应的干式变压器专用冷却风机。

(1) 控制器：实现空间矢量的PWM控制，信号采集与处理，与单元间光纤通讯，完全电气隔离。

(2) 功率单元：功率单元模块化设计，可以互换，便于生产和维护。

(3) 接口板：负责系统的数字和模拟信号处理，满足不同应用场合的要求。

(4) 液晶屏：参数设置、运行记录、故障保存及通讯等功能。为单片机方式，全中文显示，无机械旋转部件，可靠性更高。

旁路柜或切换柜开关可根据用户工况要求选用隔离刀闸、真空接触器或两者的组合方式。旁路柜的作用是在变频器退出运行后，将电机投入工频电网运行，保证生产的连续性；切换柜的作用是将变频器输出切换到不同电机。

要求风量大，寿命长。

 

 

图17 变频器外观图

HY系列高压大容量变频器（因6 kV、10 kV电压均属中压范围，国际上通称该电压等级的变频器为中压变频器，但在国内该电压等级的电机习惯上称为高压电机，与之相配的变频器也就叫高压变频器）是华艺公司自主研发和生产的高压交流电机调速驱动装置。变频器采用先进的功率单元串联叠波技术、空间矢量控制的正弦波PWM调制方法，新颖的全中文操作界面和高性能IGBT功率器件，可靠性高、性能优越、操作简便。可应用于高压交流电动机驱动的风机、水泵、压缩机类负载的调速、节能、软启动和智能控制等多种场合。

(1) 输入侧隔离变压器二次绕组经过移相降压，为每个功率单元提供独立的电源，对6 kV而言相当于30脉冲（10 kV为54脉冲）不可控整流输入，消除了大部分由单个功率单元所引起的谐波电流，极大抑制了网侧谐波的产生；

(2) 变频器引起的网侧谐波含量满足IEEE Std519-1992和GB/T14549-93《电能质量公用电网谐波》对谐波含量的最严格要求，无需安装输入滤波器，并保护周边设备免受谐波干扰。正常调速范围内功率因数大于0.95，无需功率因数补偿电容；

(3) 减少无功输入，降低供电容量。

 

 

图18 参数波形图

单元串联脉宽调制叠波输出，6kV系列每相5个单元，10kV系列每相9个单元，大大削弱了输出谐波含量，输出波形几近完美正弦波，与其它形式高压大容量变频器比较具有以下优点：

(1) 无需输出滤波装置

(2) 可以驱动普通高压电动机，不会增加电机升温，降低电机容量，电机电缆无长度限制

(3) 保护电机绝缘不受dv/dt 应力的损害

(4) 不会因为谐波力矩而降低设备使用寿命

通用变频器用户界面，一共有三个指示灯，左边红灯亮表示变频器已上高压且已正常

待机；绿灯亮表示变频器正在运行，输出有高压电；右边的红灯常亮表示有重故障，变频器需要断开高压，解除故障后才可以继续加高压电，红灯闪亮表示有轻故障，变频器可以继续运行，但需要排除故障。

指示灯下方是一块240×128分辨率的工业级液晶屏，可以显示8行中文，可以完成对变频器的一切操作。通过PRG键完成四种屏显状态，依次切换为系统状态屏、功能设置屏、参数设置屏、故障记录屏。由于本器件无机械旋转部件，长期运行稳定可靠，软件升级容易。

(1) 本地控制：通过柜门按钮或触摸屏直接控制，为主要控制方式；

(2) 远程I/O控制：通过变频器内置接口板的I/O接口，与远程开关量信号相连，实现远程控制；

(3) 上位控制：隔离RS485接口，采用标准MODBUS通讯规约，可与DCS等上位系统连接，优化协调控制。

 5、五种频率给定方式

(1) 通过主界面直接给定

(2) 由模拟信号（0~10V或4~20mA信号）给定

(3) 由上位机通过RS485端口给定

(4) 多档速度给定，适合于周期性变化工况

(5) 闭环运行时，由内置PID通过计算自动给定

 6、AVR电压自动调整功能

变频器根据电压反馈，自动调节输出电压，使其不受电网电压和负载变化的影响，保护电机免受因长期电压过高而导致的绝缘损伤或磁密过高而引起的铁芯过度发热。

 7、PID功能

内置全数字PID，可根据用户要求进行闭环控制，实现恒压、恒流运行

 8、限流功能

当变频器输出电流超过设定值，变频器将自动限制电流输出，避免变频器在加减速过程中或因负载突然变化而引起的过流保护，最大限度减少停机次数。

HY变频器具有完善的自我诊断能力，在线监控系统状态。故障发生时，变频器自动采取相应保护措施，并保存故障发生的时间、原因、故障点，可帮助维护人员迅速找到故障原因，排除故障。

电网瞬时停电时，变频器控制电机处于发电状态，维持减速运转，若电网恢复正常，变频器立即回复至原运行状态。维持时间100ms，风机负载可达3s。

(1) 高效率，系统总效率高达96%以上

(2) 控制电源双路供电

(3) 宽广的输入电压范围，更适合国内电网条件

(4) 快速制动功能

(5) 共振频率回避功能

(6) 可根据用户要求作特殊设计

(7) 制动能量回馈功能（需定制）

HY系列高压变频器采用交-直-交直接高压（高-高）方式，主电路开关元件为IGBT。由于IGBT耐压所限。HY变频器采用功率单元串联，叠波升压，充分利用常压变频器的成熟技术，因而具有很高的可靠性。

1、主电路拓扑结构图
6kV系列：一般由15个功率模块组成，每5个功率模块串联成一相，三相Y接。

10kV系列：一般由27个功率模块组成，每9个功率模块串联成一相，三相Y接。

 

 

 

图19 主电路拓扑图

 

HY高压变频器每相由多个功率单元串联而成，各个功率单元由隔离变压器的二次线圈分别隔离，移相电源通过改变串联单元数量，可以很方便地得到不同电压等级的输出，而不受功率器件耐压的限制。如额定电压6kV变频器的每相由5个功率单元组成，功率单元额定电压为690V，串联后相电压为3450V（对应线电压为6kV）；额定电压10kV变频器的每项由9个功率单元组成，功率单元额定电压为690V，工作电压为640V。

 

 

图20 电压叠加图

3．功率单元结构图

 

 

图21 功率单元结构图

HY高压变频器由多个功率单元串联而成，各个功率单元由输入隔离变压器的二次隔离线圈分别供电。功率单元为交-直-交结构，相当于一个三相输入、单相输出的低压电压源型变频器，所有功率单元在结构以及电气性能上完全一致，维护简单，置换方便。

功率单元通过光纤接收信号，采用空间矢量正弦波脉宽调制（PWM）方式，控制Q1～Q4 IGBT的导通和关断，输出单相脉宽调制波形。每个单元仅有三种可能的输出电压状态，当Q1和Q4导通时，L1和L2的输出电压状态为1；当Q2和Q3导通时，L1和L2的输出电压状态为-1；当Q1和Q2或者Q3和Q4导通时，L1和L2的输出电压状态为0。

 如：HY—T06/120代表6 kV电压等级，额定输出电流120A（容量1250 kVA）变频器，用于驱动额定功率不大于1000kW的同步电动机；HY—Y10/036代表10 kV电压等级，额定输出电流36A（容量630 kVA）变频器，用于驱动额定功率不大于500kW的异步电动机。

 2、技术参数

	6 kV系列	10kV系列
额定输入电压	6kV(-20%~15%)	10kV(-20%~15%)
输入频率	45Hz~55Hz
调制技术	空间矢量控制的正弦波PWM
控制电源	220VAC，1 kVA
输入功率因数	额定负载下≥0.96
效率（含变压器）	额定负载下≥96%
输出频率范围	0Hz~120Hz
输出频率分辩率	0.01Hz
过载能力	120%1分钟，150%立即保护
模拟量输入	两路，0~10V/4~20mA
模拟量输出	两路，0~10V/4~20mA
上位通讯	隔离RS485接口，MODBUS规约
加减时间	5秒~1600秒，连续可调
开关量输入输出	12入/9出
运行环境温度	0到40℃
贮存/运输温度	-40到70℃
冷却方式	强迫风冷
环境湿度	＜90%，不结露
安装海拔高度	＜1000米（超过1000米时，需降额使用）
防护等级	IP30