高压变频器原理和设计方案 点击：7241 | 回复：46
1设备描述
l 开关柜构成：
开关柜为可选件。可以不采用开关柜，高压输入和输出线通过变压器柜中的接线端子进行连接。如果采用开关柜时，也可选择手动旁路或自动旁路方式，相应地，开关柜的构成也不相同。
手动旁路方式的开关柜主要由高压真空接触器、隔离刀闸、 电压互感器等构成，它的主要作用是在高压变频器检修时，为高压电机从电网直接提供高压电源，不影响用户的使用。在使用时可进行变频运行和工频运行的切换。电压互感器可对输入的高电压进行检测，判断输入、输出电压的质量和是否出现故障，为进行高性能的控制提供依据。
图4 手动方式的开关柜
自动方式时的开关柜主要包括真空接触器等设备，可以不需要人工操作，通过控制柜的可编程序控制器（PLC）自动进行控制，并在系统出现故障时，把变频器输出到电机的三相输出自动切除并切换到电网直接供电，不会导致系统停机。
图5 自动方式的开关柜
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l 变压器柜构成：
变压器柜内主要为高压隔离移相变压器。以6 kV高压变频调速系统为例，当采用1700V级的IGBT时，功率柜中每相由6个功率单元组成。这些单元皆由隔离移相变压器二次侧供电，且二次侧依次相差一个相位差，可实现多重化串联整流。在移相变压器的一次侧中，各折算的二次侧电流叠加后，其电流波形非常逼近正弦波，因此对电网的谐波干扰非常小，完全满足国际、国内包括IEEE.519-1992和GB/T14549-93在内各种标准的要求。同时，也改善了系统的功率因数。
变压器柜中同时包括温度监测控制器的测温点（其温控器安装在控制柜内），它实时循环监测各相绕组的温度，当温度高于预定设置值时，会启动变压器柜下部的6个冷却风扇。同时，变压器温度监测控制器会及时在变压器故障时，把信息立即反馈给控制柜，保证了变压器的可靠运行。
l 功率柜构成：
功率柜是变频器功率主电路核心的部分，它由多个完全相同的功率单元组成，各功率单元的输出电压串联叠加后组成输出到电机的三相电压。功率单元中的主功率器件为IGBT，所采用的IGBT耐压为1700V级的IGBT。
以6kV的高压变频器调速系统为例，当采用1700V的IGBT时，每相中包含5个或6个功率单元，而每个功率单元的输出电压为交流693V，则相电压为6×693，即3464V，相应的，其线电压为6kV。
若所设计的装置为10kV变频调速系统，采用的器件也是1700V级的IGBT，则每相中包含8个或9个功率单元。
通过采用了具有自主知识产权的优化PWM（脉冲宽度调制）控制技术，使得输出到电机的电压波形非常接近正弦波，谐波含量小，dv/dt小，无须额外增加滤波器，可以直接输出到普通异步电动机，且对变频器到电机的电缆长度没有要求。
功率单元和控制柜之间通过高速可靠的光纤进行通信，可有效避免电磁干扰，提高系统的可靠性。
l 控制柜构成：
控制柜是整个高压变频调速系统的核心，它根据用户在本地或远程的操作和设置，并采集系统中电压、电流模拟量，及各开关量，进行逻辑处理和计算后，决定并控制各功率单元的动作，进一步驱动电机，满足输出要求。
控制柜中包括不间断电源UPS、断路器、可编程逻辑控制器PLC、DSP 控制板、IO板、光纤板、液晶操作人机界面及控制按钮、开关等。其中，所有的计算在 DSP 控制板中进行。控制核心为专业设计的双DSP（数字信号处理器），并辅之以FPGA（现场可编程门阵列）和CPLD（复杂可编程逻辑器件），它们的采用不但可进行高速运算，实现复杂的控制功能，而且还大大简化了控制电路的设计，提高了控制系统的可靠性。
2.3结构和材质
高压变频器串联H桥高压变频调速系统组成部分包括变压器柜、功率柜、控制柜及开关柜（可选），如图1所示。
图1 FRHV串联H桥高压变频调速系统典型组成部分
图1中主要示意系统的组成部分，具体到各系列产品的实际安装方式，可能有所区别。尤其是针对800kW以下的系列产品，采用了优化设计方案，不但保证了整个系统的可靠性，而且更加紧凑，降低了对用户的安装空间的要求。（功率柜的数量随装置的具体的容量而不同）
图2是串联H桥式高压变频调速系统功率电路原理图，以输出6kV，每相5或6个单元为例。（而对于10kV，每相8或9个单元）。图中6 kV电网电压直接给移相变压器供电，移相变压器二次侧有15或18个独立的三相低压绕组。每一个三相低压绕组给一个低压单相变频器（称为H桥，或功率单元）供电，其电路图如图3所示。在图2给出的例子中，输出到电机的三相中，每一相由5个功率单元串联，三相共15个功率单元，即可输出三相对称，电压、频率都可调的变压、变频电源。最高输出电压为6 kV，频率50Hz,可直接驱动6 kV的三相异步电动机。如果需要输出10kV电压，可增加每一相功率单元的串联个数或者增加每个H桥单元的输出电压。
图2 串联H桥高压变频调速系统功率电路（5串/相）原理图
图3 H桥单个功率单元内部电路原理图
为了保证系统的可靠性和使用寿命，主要元器件均采用国际知名厂家产品，主要元器件清单见表1。
表1：主要元器件清单
序号 | 名称 | 品牌 |
1 | IGBT | 日本富士 |
2 | 整流管 | 德国西门康或日本三社 |
3 | 电解电容 | 德国优派克 |
4 | 驱动片 | 日本三菱公司 |
5 | 风机 | 德国 |
6 | 吸收电容 | 美国CDE |
7 | 输出电流传感器 | 德国莱姆 |
8 | 光纤及接口 | 美国安捷伦 |
9 | 光耦 | 日本东芝 |
10 | 移相变压器 | 北京新华都 |
变频器安装
变频器采用底部进出线方式，从正面看，高压进线孔位于变压器柜后部居中的位置，高压出线及二次进出线电缆孔位于单元柜后部居左的位置。变频器应安装在电缆沟上，见下图。
变频器安装在10#槽钢焊接的底座上，通过点焊方式将其固定在安装槽钢上，槽钢需可靠接地，接地电阻不得大于4Ω。
变频器在正面操作，二次接线室在正面。为了保证操作、维护的方便性和通风散热效果，变频器正面距墙距离不小于
室内冷却方式：若采用空调制冷，则空调容量不小于平均负载功率×1.6%为空调的匹数；若采用排风方式，则每个风机排风量不小于
2.4技术水平要求和技术性能
高压变频调速系统性能指标
输 入 | 主回路电压/频率 | 3相3 kV 、6kV、10kV，45～55Hz |
控制回路 | 3相380V，50Hz/60Hz | |
变动容许值 | 电压：±15%（输入移相变压器有±5%的抽头）；电压失衡率：<3%，频率:±5% | |
输入功率因数 | > 0.95 （>20％额定负载) | |
输 出 | 适用电机(kW) | 200～2000 |
额定容量(kVA) | 250～2500 | |
额定电压（3相） | 3kV、6kV、10kV | |
电流过载能力 | 120% 额定负载1分钟；130％，30秒；150％，立即保护 | |
输出频率 | 0.2~120Hz | |
运 行 控 制 特 性 | 变频器效率 | > 0.97 （额定负载时） |
控制方法 | 高性能转差自动补偿的VVVF控制，简易矢量控制 | |
最高频率 | 50~120Hz | |
基本频率 | 20~60Hz | |
起动频率 | 1~20Hz | |
频率分辨率 | 模拟设定：0.1%；数字设定：0.01Hz | |
频率精度 | 模拟设定：±0.5%最高频率；数字设定：±0.1%最高频率 | |
加减速时间 | 0.5~3600s | |
电压频率特性 | 基频以下恒V/F，基频以上恒功率 | |
频率设定 | 数字面板操作，模拟设定：0~10V，0~20mA，上位机通讯设定 | |
结构 | 防护等级 | IP20 |
整体结构 | 多柜式 | |
冷却方式 | 顶部风扇强制风冷 | |
输 出 信 号 | 继电器输出 | 250VAC/ |
开路集电极输出 | 24VDC，最大100mA，输出阻抗30~35Ω | |
模拟表校准 | 50.0～200.0%（最小单位：0.1%） | |
模拟表输出 | 4~20mA/0~10V | |
保护 | 变频器输入过压、欠压保护，变频器过载保护，电机过流保护，系统接地故障保护，系统过电流保护，输入变压器过热保护，变压器缺相保护，控制电源过压、欠压保护，控制电源故障保护，功率单元直流过压、欠压保护，功率单元通讯失败保护，功率单元过热保护，功率单元旁路失败保护等等。 | |
使用环境 | 工作温度： 储存温度： -40℃～ + 相对湿度： 5% ～ 90%（无凝露） 海拔高度： < | |
安全规范 | 高压变频器可靠接地，可能触及的金属部件与外壳接地点处的电阻不大于0.1Ω，能够承受按相应开关算出的短路电流冲击（40KA以上），接地点有明显的接地标志。高压变频器柜内装屏蔽罩等防止电击的保护设施。 | |
串联式的高压变频器 现在到处都是呀。
我听高人有说：最早 这种类型的在国内的 天水传动研究所 也有研究出来过，只是推广的失败，当时美国（现在是西门子的了）的罗宾康 就是这样的变频器在国内得到了广泛的推广。
处于技术保密协议的规定，同时期的雷同产品都销售的不好。而罗宾康 就这样铺天盖地了。
如今技术解禁了，就很多产家了。如 提麦克， 施耐德， 森蓝，利得华福（据说卖给schneider了）==。
这类的变频器 延续了 美国货的风格 占地面积大，器件都是低压器件，维修成本低，每个cell都是小变频器，如加入相应的选件 可以在运行的时候bypass掉 突然出现故障的cell，不影响正常运行。
它的核心是 移相变压器，结构复杂，但目前国内很多变压器厂家都能生产了。
不足：这类变频器 目前采用的控制技术 应该还是在 工控机的控制级别，所以在动态响应高的场合，如船舶驱动，提升，挤出挤等用的就不是很多（仅我接触过的啊） 。
但在要求比较粗旷的场合，如 风机，水泵，煤矿的皮带运输等都有很好的用武之地，特别是水泵，风机，可以当作软起动器一样，接入/接出 数台电机（当然该功能很多变频器也有的）。
还有最重要的一点（西门子完美无谐波变频器－－－－原罗宾康）标称是完美无谐波的哦，驱动距离可达10km（具体数据还要看看手册，我只是影像，记不清了）都没有多大谐波。呵呵，有兴趣的可以访问西门子官方网站！
向LZ的这种bypass的应用 在同步机中应该合适点，要是在风机、泵类的条件下，节能的优势就不怎么样了。
个人愚见，高手多多包含！！
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