高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)介紹

葛文東

摘? 要：高壓交流變頻調(diào)速系統(tǒng)以其先進(jìn)的技術(shù)和穩(wěn)定的使用性能，一直以來都作為大多企業(yè)節(jié)省電力能耗的首選手段，受到企業(yè)的重視和推廣應(yīng)用。高壓交流變頻調(diào)速系統(tǒng)變速平滑，精度高，范圍寬，驅(qū)動設(shè)備減速或降負(fù)荷時能夠吸收能量回饋并且可以再生制動，使電機(jī)快速逆轉(zhuǎn);同時具有軟啟動、軟停止，邏輯編程和啟動電流小，起動轉(zhuǎn)矩大，節(jié)電效果突出等優(yōu)點;發(fā)展幾十年來一直被業(yè)界公認(rèn)為應(yīng)用最廣、效率最高、控制方法最理想的電機(jī)驅(qū)動方式之一。特別是對于風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載驅(qū)動設(shè)備節(jié)能效果非常明顯，其在20～100%的負(fù)載變化情況內(nèi)達(dá)到很高的功率因數(shù)。該調(diào)速系統(tǒng)能夠抑制電網(wǎng)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(nèi)，降低了因諧波引起的電機(jī)發(fā)熱、轉(zhuǎn)矩脈動等問題，轉(zhuǎn)矩階躍響應(yīng)<200ms。因此最大限度的提高電氣傳動設(shè)備的調(diào)速精度和降低其耗電量對于企業(yè)的安全、節(jié)能都具有重要意義。

關(guān) 鍵 詞：變頻系統(tǒng);節(jié)約電能;功率單元

1? 緒 論

電動機(jī)的調(diào)速從晶閘管整流直流調(diào)壓調(diào)速、斬波調(diào)速、串級調(diào)速、液力偶合器逐步發(fā)展到交流感應(yīng)變頻調(diào)速，而且隨著控制技術(shù)和控制手段的不斷提高， 變頻調(diào)速又由變壓變頻控制的變頻調(diào)速發(fā)展到了矢量控制變頻調(diào)速。在現(xiàn)代化工業(yè)企業(yè)中使用量大、面廣的風(fēng)機(jī)和泵類設(shè)備，大多數(shù)都已經(jīng)采用了交流電動機(jī)驅(qū)動方式，但是調(diào)速方式還采用傳統(tǒng)的老式調(diào)速，其缺點是調(diào)速精度差、耗電量大、調(diào)速不穩(wěn)且容易失速等。

2? 高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)及特點

2.1基本性能及特點

我公司采用的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，操作簡單、性能穩(wěn)定，能夠滿足目前公司動力站引風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)、二次風(fēng)機(jī)的調(diào)速要求，同時提高了生產(chǎn)工藝的運行指標(biāo)，保障了鍋爐安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)的運行要求。該系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)采用新型IGBT功率器件，全數(shù)字化微機(jī)技術(shù)控制，適配各種通用三相異步電機(jī)。

1、高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)為高-高結(jié)構(gòu)，該變頻調(diào)速系統(tǒng)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(shù)字化、智能化微控技術(shù)，系統(tǒng)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(yuǎn)傳報警指示，方便了日常維護(hù)保養(yǎng)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(tǒng)具有就地控制和遠(yuǎn)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(xiàn)就地啟動/停止功能，還可以手動調(diào)整電動機(jī)的轉(zhuǎn)速、頻率，也能切換顯示電流、電壓、轉(zhuǎn)矩、速度等運行參數(shù);遠(yuǎn)方監(jiān)控方式主要是通過與DCS系統(tǒng)通訊或控制信號接入DCS系統(tǒng)實現(xiàn)，可實現(xiàn)與就地監(jiān)控相同的操作功能，并能夠通過DCS系統(tǒng)進(jìn)行變頻器參數(shù)設(shè)置和備份。

2.2變頻調(diào)速系統(tǒng)保護(hù)功能

1、過壓保護(hù)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(xiàn)的一種保護(hù)，當(dāng)直流母線電壓高于額定電網(wǎng)電壓的設(shè)定值時，就會觸發(fā)過電壓保護(hù)功能動作。

2、欠壓保護(hù)功能：是對電網(wǎng)電壓負(fù)向波動的一種保護(hù)動作功能，也是通過檢測每個功率模塊的直流母線電壓，當(dāng)直流母線電壓低于額定電網(wǎng)電壓的設(shè)定值時，則觸發(fā)欠壓保護(hù)動作。

3、過流保護(hù)：是通過檢測電動機(jī)實際運行電流，當(dāng)運行電流大于電動機(jī)額定電流的整定值時，立即保護(hù)。過流保護(hù)定值可根據(jù)負(fù)載運行情況自行設(shè)置。

4、缺相保護(hù)：主要在每個功率模塊上進(jìn)行設(shè)置數(shù)據(jù)，當(dāng)高壓電源輸入側(cè)缺相、功率模塊保險燒毀、模塊故障時，會發(fā)出報警信號同時觸發(fā)保護(hù)動作。

3? 高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)原理

高壓變頻系統(tǒng)根據(jù)其電源組成方式，分類為低-高，高-高，高-低-高。我公司一次風(fēng)機(jī)、二次風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)選用的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)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(lián)組成，直接對高壓電網(wǎng)進(jìn)行變壓變頻轉(zhuǎn)換，其結(jié)構(gòu)形式是串聯(lián)的多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由各組低壓疊加后產(chǎn)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(wǎng)諧波污染小，輸入功率因數(shù)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(jī)變頻調(diào)速中使用節(jié)能效果非常明顯。在變頻系統(tǒng)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(tǒng)無需諧波濾波器和功率因數(shù)補(bǔ)償裝置等設(shè)施，同時杜絕了因諧波引起的電機(jī)發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動、噪音和共模電壓等問題，可以使用普通的異步電機(jī)變頻電動機(jī)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖3-1：

3.1功率單元

該系統(tǒng)的功率柜主要是功率單元的組合柜，組合柜內(nèi)的每個功率單元結(jié)構(gòu)上是完全一致的，方便了檢修互換。系統(tǒng)采用了基本的單相逆變電路，整流單元應(yīng)用了二極管三相全橋整流技術(shù)，并且配有自動旁路功能。變頻系統(tǒng)給電動機(jī)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(jìn)行重新組合，組合后得到質(zhì)量高的波形，這種方式能夠減少對電纜和電機(jī)的絕緣損壞，并且電動機(jī)還不需要降功率使用，可直接用于舊設(shè)備的改造，降低了改造成本;同時電動機(jī)大大減少了諧波損耗，也消除了因此原因而引起的機(jī)械振動，消除了機(jī)械振動從而也減小了軸承和葉輪的機(jī)械應(yīng)力。功率單元內(nèi)器件可以直接使用低壓功率器件，不用串聯(lián)元器件，故不存在因元器件串聯(lián)引起的均壓問題。本系統(tǒng)采用的驅(qū)動技術(shù)是成熟可靠的低壓IGBT功率模塊技術(shù)，由于器件一直在低壓狀態(tài)工作，所以發(fā)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(xiàn)了多重化，從而達(dá)到降低輸入諧波電流的目的。若某個功率模塊發(fā)生故障時會自動切換至旁路運行，而變頻系統(tǒng)也不會停機(jī)，也不會降額使用，因為每個功率單元輸出端之間都并聯(lián)了旁路電路，一旦功率單元發(fā)生故障時，就會封鎖該單元的觸發(fā)信號，然后導(dǎo)通旁路的SCR，這樣就能保證電機(jī)電流正常能通過，仍能形成通路。該功能維持了生產(chǎn)工藝要求，極大的提高了高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)運行的可靠性和安全性，功率單元結(jié)構(gòu)如圖3-2。

3.2控制器

該高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制器結(jié)構(gòu)上采用箱體結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)控制柜內(nèi)配置了彩色嵌入式的人機(jī)操作界面，可以通過界面功能菜單，實現(xiàn)參數(shù)設(shè)置和運行操作，還可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)化控制功能。各控制單元板采用FPGA、CPLD等大規(guī)模集成電路和表面焊接技術(shù)，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(shè)計的算法保證電機(jī)能夠達(dá)到最優(yōu)的運行指標(biāo)?？刂破髋c功率單元之間都采用了光纖通訊技術(shù)，且低壓部分和高壓部分被完全可靠隔離，保證了系統(tǒng)極高的安全性和很好的抗電磁干擾性能?？刂破鲀?nèi)置的PLC，主要用于柜體內(nèi)開關(guān)信號的邏輯處理和現(xiàn)場各種狀態(tài)信號的協(xié)調(diào)控制，PLC也可以根據(jù)現(xiàn)場的實際需要擴(kuò)展開關(guān)量，增強(qiáng)了系統(tǒng)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(jiān)控高壓變頻系統(tǒng)各個部位的溫度?？刂破魍ㄓ嵲砣缦聢D3-3：

3.3標(biāo)椎接口配置

3.3.1變頻系統(tǒng)的開關(guān)量輸出

1、待機(jī)狀態(tài)指示：高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)已具備啟動條件并已待命時發(fā)出的信號指示。

2、運行狀態(tài)指示：高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)啟動后正常運行后的信號指示。

3、本地/遠(yuǎn)程控制狀態(tài)指示：通過轉(zhuǎn)換開關(guān)操作，當(dāng)接點閉合時為遠(yuǎn)程DCS控制，接點斷開為本地變頻系統(tǒng)控制。

4、輕故障指示：主要為系統(tǒng)柜內(nèi)產(chǎn)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(xiàn)過熱、欠壓、缺相以及系統(tǒng)柜門在運行過程中打開等信息指示。

3.3.2變頻系統(tǒng)的開關(guān)量輸入

1、遠(yuǎn)程控制啟動指令：遠(yuǎn)程DCS發(fā)出的干接點信號，在閉合時有效，變頻系統(tǒng)開始啟動運行。

2、遠(yuǎn)程控制停止指令：遠(yuǎn)程DCS發(fā)出的干接點信號，在斷開時有效，變頻系統(tǒng)停止運行。

3、遠(yuǎn)程控制緊急停機(jī)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(tài)下變頻系統(tǒng)停機(jī)。

4? 高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)控制方式

4.1手動旁路控制

該變頻控制系統(tǒng)的旁路柜中共設(shè)有3個高壓隔離開關(guān)，主要是在高壓電動機(jī)有電壓而沒有電流負(fù)荷的情況下接通，切斷或轉(zhuǎn)換線路之用，在檢修時有隔離高壓電源的作用。變頻柜內(nèi)的K2與K3接觸器采用電磁互鎖機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)電磁互鎖，是為了保證電機(jī)不向系統(tǒng)輸出端反向送電。當(dāng)變頻柜內(nèi)的K1、K3接觸器閉合，K2接觸器斷開時，電動機(jī)在變頻調(diào)速下運行，而當(dāng)K1、K3接觸器斷開，K2接觸器閉合時，電機(jī)在工頻狀態(tài)下運行，電動機(jī)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(hù)。該系統(tǒng)設(shè)置的旁路柜同時也與上級高壓斷路器DL進(jìn)行了連鎖， DL合閘時，以防止出現(xiàn)拉弧現(xiàn)象和確保操作人員和設(shè)備的安全，絕對不允許在合閘時操作旁路隔離開關(guān)與變頻輸出隔離開關(guān)。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(diào)速系統(tǒng)的進(jìn)、出線端增加了兩個隔離刀閘，方便在變頻系統(tǒng)退出而電動機(jī)旁路運行時，能保證安全地進(jìn)行變頻調(diào)速系統(tǒng)的故障處理或維護(hù)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(guān)K1、K2。KM2與KM3實現(xiàn)電氣互鎖，當(dāng)KM1、KM2閉合，KM3斷開時，電動機(jī)變頻工況下運行;當(dāng)KM1、KM2斷開，KM3閉合時，電動機(jī)實現(xiàn)工頻運行。當(dāng)在KM1閉合時，K1操作手柄自動被鎖死，不能夠?qū)崿F(xiàn)合閘操作，同樣在KM2閉合時，K2操作手柄被自動鎖死，不能進(jìn)行任何操作。如果在電動機(jī)工頻運行狀態(tài)下，檢修或維護(hù)變頻系統(tǒng)時，必須在KM1、KM2分閘狀態(tài)下，將隔離刀閘K1和K2斷開，否則不允許任何操作。

5? 節(jié)能效果分析

5.1節(jié)能效果對比

5.1.1高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)改造前的運行參數(shù)

5.1.2高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用前電動機(jī)實際功率

5.1.3高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)變頻功率

6? 結(jié)論與展望

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

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