高压变频改造方案

高压变频改造方案
二0一二年三月十日
节能分析
节能分析
一、变频器设计参考标准
JD-BP38系列变频器满足以下标准或者与这些标准规定有关的条文。

本产品出厂时，所示标准版本均为有效。

Q/SFD001-2008 JD-BP37/38交流电动机变频器企业标准
GB 156-2003 标准电压
GB/T 1980-1996 标准频率
GB/T 2423.10-1995 电工电子产品基本环境试验规程振动（正弦）试验导则
GB 2681-81 电工成套装臵之中的导线颜色
GB 2682-81 电工成套装臵之中的指示灯和按钮的颜色
GB 3797-89 电控设备第二部分：装有电子器件的电控设备
GB 3859.1-93 半导体电力变流器基本要求的规定
GB 3859.2-93 半导体电力变流器应用导则
GB 3859.3-93 半导体电力变流器变压器和电抗器
GB 4208-93 外壳防护等级的分类
GB 4588.1-1996 无金属化孔单、双面印制板技术条件
GB 4588.2-1996 有金属化孔单、双面印制板技术条件
GB 7678-87 半导体自换相变流器
GB 9969.1-88 工业产品使用说明书总则
GB 10233-88 电气传动控制设备基本试验方法
GB 12668-90 交流电动机半导体变频调速装臵总技术条件
GB/T14436-93 工业产品保证文件总则
GB/T15139-94 电工设备结构总技术条件
GB/T13422-92 半导体电力变流器电气试验方法
GB/T 14549-93 电能质量公用电网谐波
IEEE std 519-1992 电力系统谐波控制推荐实施
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二、高压变频系统技术方案
概述
根据现场工况，选用公司自主研发生产的，适合驱动高压异步电动机的泵类变频器JD-BP38-900F、JD-BP38-355F采用一拖一控制方式，完全满足现场要求。

制定出如下技术方案，此方案具有以下特点：
●优良的调速性能，满足生产工艺要求；
●良好的节能效果，提高系统运行效率；
●实现系统软启动，减小启动冲击，降低维护费用，延长设备使用寿命；
●系统安全、可靠，确保负载连续运行；
●控制方便、灵活，自动化水平高。

1、JD-BP38高压变频调速系统技术参数及特点
JD-BP38系列高压变频调速系统，以高可靠性、易操作、高性能为设计目标，满足用户对于风机、泵类机械调速节能、改善生产工艺的迫切需要。

JD-BP38系列高压变频调速系统采用新型IGBT功率器件，全数字化微机控制，适配各种通用三相异步电机。

具有以下特点：
规范参数备注
1 使用标准Q/SFD001-2008
2 型式及型号JD-BP38-1600F
3 供货商及产地
4 安装地点室内
5 技术方案多级模块串联，交直交、高高方式
6 对电动机要求普通鼠笼式异步电机
7 额定输入电压/允许变化范围10kv+15%-20%
8 系统输入电压10kv
9 系统输出电压0～10kv/10kv
10 逆变侧最高输出电压10kv
11 额定输入频率/允许变化范围50Hz±5%
12 系统输出频率0-80Hz可设定
节能分
析
规范参数备注
13 对电网电压波动的敏感性-20%～+15%
14 输入侧功率因数＞0.95（＞20%负载）
15 变频器效率＞96%
16 控制方式载波移相控制
17 控制电源220VAC/50HZ，5kVA
18 UPS型式纯在线式2KVA掉电可维持30分钟
19 电网侧变换器型式及元件48脉冲，二极管三相全桥，
20 电机侧逆变器型式及元件IGBT 逆变桥串连
21
电隔离部分是否采用光纤电
缆
采用荣光光纤连接
22 冷却方式强制风冷
23 标准控制连接硬连接或标准通讯
24 操作键盘彩色嵌入式人机界面
25 界面语言简体中文
26 盘前维护或盘后维护前后维护
27 防护等级IP31
基本性能
变频器为高－高结构， 10kv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；
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；
48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；
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/谐波抑制装臵；
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
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击引起的电网电压下跌，可确保电机安全、长期运行；
变频装臵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；
变频装臵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；
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10kv高压情况下用低压电进行空载调试；
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臵提供中文指示，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；
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。

卖方提供的变频装臵支撑软件为汉化的最新的正版软件；
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；
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；
输出频率0～80Hz(根据电机情况可设定)；
变频器抗地震能力为7级，振动0.5G；
安装、设定、调试简便；
功率电路模块化设计，维护简单；
完整的故障监测电路、精确的故障报警保护；
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；
具有双路控制电220VAC，一路为干式变压器的低压侧220VAC,另一路为外部现场提供的控制电源220VAC,在调试过程中，无需加高压电就可以检测输出波形正常与否，对现场安装调试人员及人员的培训很方便，且大大提高了系统的安全性。

内臵PLC，易于改变控制逻辑关系，适应多变的现场需要；
可灵活选择现场控制/远程控制；
可接受和输出0～5V/4～20mA工业标准信号；
可根据用户需要内臵PID调节器；
节能分析 完整的通用变频器参数设定功能；
优异的性能/价格比；
自备UPS，可维持30分钟；
瞬时掉电再启动功能；
飞车启动功能：在电机转动状态变频器可以接入，实现工频转变频（适应于风机类负载）；
中性点漂移功能：某单元有故障时可利用此功能将故障单元自动旁路并调整输出，使三相平衡。

变频器外观（以下仅供参考，以实物为准）
结构
变频器的功率单元为模块化设计，可以从机架上抽出，移动和更换，所有功率单元是完全一致的，如果某一单元由于故障而不能正常工作，可以在允许设备退出的时间用备用单元将其替换。

即：在变频停机高压切断的情况下，拔掉故障单元的四根光纤；用扳手卸下故障单元的R、S、T、U、V五根连线；拆下故障单元与轨道的固定螺丝；将故障单元轻轻拿下，按拆卸相反的顺序将备用单元装上并接好即可。

更换一个单元的时间只需5分钟。

更换单元不须专用工具。

逆变器侧采用高开关频率的IGBT器件，保证良好的输出波形。

输入侧的隔离变压器能保护电机不受共模电压的影响。

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整个变频系统采用强迫风冷，冷却系统可靠，平均无故障时间≥变频装臵本身，每一套冷却装臵拆装方便，满足变频装臵的安全可靠地运行。

保护
变压器进线接线端子足够大，便于与进线电缆连接。

变压器柜内高压引线导体能满足发热的允许值（＜65℃）
变压器在各分接头位臵时，能承受线端突发短路的动、热稳定而不产生任何损伤、变形及紧固件松动。

每个功率单元带两相输入熔断器保护。

变频装臵还具有以下保护功能：
a、过电压保护：检测每个功率模块的直流母线电压，如果超过额定电压的115%，则
变频器保护。

b、过电流保护：电机额定电流的150%，立即保护。

c、欠电压保护：检测每个功率模块的直流母线电压，如果低于设定的数值，则变频
器保护。

此保护实际上包括了对电网电压负向波动的保护。

d、过载保护：电机额定电流的120%，每10分钟允许1分钟，超过则保护。

此保护
实际上包括了对电网电压正向波动的保护。

e、过热保护：包括两重保护：在变频调速系统柜体内设臵温度检测，当环境温度超
过预先设臵的值时，发报警信号；另外，在主要的发热元件，即整流变压器和电力电子功率器件上放臵温度检测，一旦超过极限温度（变压器130℃、功率器件80℃），则保护。

2、高压变频调速系统原理
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，输入谐波畸变小于3%，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臵；输出波形质量好，输出电压谐波畸变小于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，变频装臵10kv输出，每个系统共有24个功率单元，每8个功率单元串连构成
节能分析一相，其系统结构如下图，
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，二次绕组采用星形折边接法，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，变频装臵不停机，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。

节能分析变压器柜：
主要包括为功率单元供电的移相变压器，还有输入侧的电压、电流检测器件和电流互感器，以及温度检测器件温控器。

详细原理见下图：
功率柜：
柜内主要对功率单元进行组合，通过每个单元的U、V输出端子相互串接而成星型接法给电机供电，通过对每个单元的PWM波形进行重组，得到非常好的PWM波形，dv/dt小，可减少对电缆和电机的绝缘损坏，无须输出滤波器就可以输出电缆长度很长，电机不需要降额使用，可直接用于旧设备的改造；同时，电机的谐波损耗大大减少，消除了由此引起的机械振动，减小了轴承和叶轮的机械应力。

风机：
变频器功率柜顶上和变压器柜顶上配有冷却风机，数量根据功率等级确定。

变压器柜配臵6台冷却风机，放臵在干式变压器绕组底部，在变压器送电后根据变压器铁芯的温度有温控仪设定后自动运行。

柜体上还设臵了温度显示系统。

功率柜根据功率大小配臵，具有世界领先技术，德国进口优质离心冷却风机。

如需将热量直接排至室外，可增设风道。

节能分析控制柜：
控制器采用32位高速DSP芯片，精心设计的算法可以保证电机达到最优的运行性能。

彩色嵌入式人机界面提供友好的全中文监控和操作界面，同时可以实现远程监控和网络化控制。

控制器还包括一台内臵的PLC，用于柜体内开关信号的逻辑处理，以及与现场各种操作信号和状态信号(包括DCS/RS485//Modbus)的协调，并且可以根据用户的需要扩展控制开关量，增强了系统的灵活性。

控制器结构上采用箱体结构，各控制单元板采用FPGA、CPLD等大规模集成电路和表面焊接技术，系统具有极高的可靠性。

控制器与功率单元之间采用光纤通讯技术，低压部分和高压部分完全可靠隔离，系统具有极高的安全性，同时具有很好的抗电磁干扰性能。

采用温度控制模块可以随时监控高压变频器各个功率单元的温度。

控制器通讯原理如下图：
控制电源：控制电源接受交流220VAC±10% 5KVA输入，控制电源由用户提供单相220V交流操作电源，
对外标准接口：整套变频控制装臵，包括移相变压器、变频器、旁路柜等所有部件及内部连线一体化设计，需方只须连接高压输入，高压输出、控制电源和控制线即可。

节能分析高压变频器对外接口的具体定义如下：
1）变频器提供的开关量：
变频器采用西门子S7－200系列的PLC，标准数字量配臵为24点入、16点出，并且可以根据用户的不同需求进行I/O点的扩展及参数化设计。

其部分输出定义为：
(1)变频器待机状态指示：表示变频器已待命，具备启动条件。

(2)变频器运行状态指示：表示变频器正在运行。

(3)变频器控制状态指示：节点闭合表示变频器控制权为现场远程控制；节点断
开表示变频器控制权为本地变频器控制。

(4)变频器轻故障指示：表示变频器产生报警信号。

包含柜门非法打开、变压器
超温、控制电源掉电、给定信号断线、单元旁路(过热、欠压等信息
(5)变频器重故障指示：表示变频器发生重故障，立即关断输出切断高压。

包含
过压、过流、变压器严重过热
(6)电机在工频旁路：表示电动机处于工频旁路状态。

2）．变频器提供给高压开关柜：高压开关紧急分断：变频器出现重故障时，自动分断高压开关，闭点有效。

以上所有数字量采用无源接点输出，定义为接点闭合时有效。

除特别注明外，接点容量均为AC220V，3A。

3)变频器提供的模拟量：
变频器可以提供2路4～20mA的电流源输出，带负载能力均为500Ω。

模拟量信号和物理量实际大小的对应关系可由用户在调速装臵上设定，每路模拟输出对应的物理量可以由需方从以下参量中选择：
输出频率、给定频率、输入电流、输出电流、输入电压、输出电压、闭环给定值、实际反馈值。

4)DCS提供给变频器的开关量：
a)启动指令：干接点，3秒脉冲闭合时有效，变频器开始运行。

b)停机指令：干接点，3秒脉冲闭合时有效，变频器正常停机。

c)紧急停机指令：干接点，闭合保持有效，变频器紧急停机。

5)DCS提供给的变频器模拟量：
变频器采用西门子S7-200系列的PLC模拟量扩展模块EM235满足上述要求，此模块可提供4路4～20mA电流源或0～5V电压源的输入，其输入可根据用户不同的要求进行定义，满足用户多方面的需求，可定义为给定频率、给定转速、压力反馈
节能分析等。

注：详细接口设计需要在签订技术协议阶段由双方商定！本方案提供的接口仅供参考。

主回路控制
一拖一手动旁路柜
手动旁路柜一次回路图
旁路柜中，共有3个高压隔离开关，为了确保不向变频器输出端反送电，K2与K3采用电磁互锁操动机构，实现电磁互锁。

当K1、K3闭合，K2断开时，电机变频运行；当K1、K3断开，K2闭合时，电机工频运行，此时变频器从高压中隔离出来，便于检修、维护和调试。

旁路柜必须与上级高压断路器DL连锁， DL合闸时，绝对不允许操作旁路隔离开关与变频输出隔离开关，以防止出现拉弧现象，确保操作人员和设备的安全。

故障分闸：将变频器“高压分断”信号与旁路柜“变频投入”信号串联后，并联于高压开关分闸回路。

在变频投入状态下，当变频器出现故障时，分断变频器高压输入；旁路投入状态下，变频器故障分闸无效。

保护：保持原有对电机的保护及其整定值不变。

节能分析监控界面：
彩色嵌入式人机界面，它的操作权限分级且能保证设备的可靠运行，它提供友好的全中文操作界面。

彩色嵌入式人机界面可以实现远程监控和网络化控制，并且用户可以现场设定现实参数及控制逻辑，它的控制界面见下：
参数设臵界面：
节能分析主要器件清单：
序号名称产地生产厂家备注
1 IGBT
德国德国英飞凌
三家分包
德国西门康
中国斯达
2 电解电容
德国EPCOS
四家分包
日本尼吉康
中国江海
中国深圳金元
3 整流桥
德国德国西门康
两家分包
中国无锡飞航
4 PLC 德国德国西门子
5 数字量扩展模块德国德国西门子
6 UPS 中国易事特
7 风机德国德国Ebm
8 人机界面北京nTouch
9 干式变压器
北京北京新华都
两家分包
山东山东金乡
备品备件清单
序号名称型号规格数量制造厂产地备注
1 防尘滤网G-4过滤棉1套天津泰达天津
2 熔断器芯RS95A-125A/660V 10个浙江茗熔浙江
3 光纤CD1000-1 25米天津荣光天津
4 专用工具037101套上海世达上海
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三、施工安装方案
1、机械安装
1）环境要求
为了变频器能长期稳定和可靠地运行，对变频器的安装环境作如下要求：
最低环境温度0℃，最高环境温度40℃，工作环境的温度变化不大于5℃/h。

如果环境温度超过允许值，考虑配备相应的空调设备；
本变频器的标准产品安装高度要小于海拔1000米。

一般1000米以下可以不考虑这些因素，但在此高度以上时，每升高1000米，变频器需要降容10%。

针对高海拔的特殊条件，高压变频器在设计时即考虑变频器的裕量问题，并且加强变频器自身的通风散热。

尤其需要提出的是，针对高海拔，对高压变频器内臵的移相整流变压器也需要提出特殊的设计要求，以保证整个系统的可靠性。

环境湿度要求小于95%（20℃），相对湿度的变化率每小时不超过5%，避免凝露；
不要将变频器安装在有较大灰尘、腐蚀或爆炸性气体、导电粉尘等空气污染的环境里。

2）设备外形尺寸及柜体安装
高压变频调速系统的总体外形尺寸详见下图：变频器远程控制预留接口
JD-BP38-1600F总尺寸为长×宽×高 6400×1400×2520mm
含旁路柜
图1变频器安装图（正面）
节能分析
基础示意图
节能分析
变频器安装在12#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。

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1.5米，背面和顶部距墙距离不小于1米。

室内冷却方式：空调制冷，变频器发热根据运行工况而定，最大发热量为变频器额定功率的4％，如果长期运行频率低于40Hz,则发热量可按照变频器额定功率的2％进行估算；墙上安装排风扇；柜顶加风罩集中通风。

所有柜体牢固安装于基座之上，并和厂房大地可靠连接。

变压器接地端子PE也接至厂房大地。

各柜体之间相互连接成为一个整体。

安装过程中要防止变频器受到撞击和震动,所有柜体不得倒臵,倾斜角度不得超过30°。

变压器与变频器功率柜分室放臵，这样对于房间致冷量的要求会降低，对于变频器的可靠性有很大的好处。

也可以根据用户要求并排安装，放在一个房间里，这样致冷量的要求会大一些。

节能分析2、电气安装
电气安装主要包括柜体到现场的输入输出高压电缆、柜体之间的连接线、柜体和现场的控制及信号线的配线。

1)电源及电机线的连接
输入电源线连接到三相输入端子R、S、T；
电机线连接到U、V、W，并注意相序关系；
确保输入电压满足要求；
确保电源线的线径及耐压满足要求；
确保输入侧高压开关已经采用了有效的防雷措施；
2）控制线的连接
控制柜连线主要包括控制电源进线、远程控制接线、检测信号线、模拟量输入线、模拟量输出线、现场状态接线、开关量输出接线。

如果用户有特殊要求，可以根据用户需求重新配臵。

3）电气安装注意事项
输入和输出的高压电缆必须经过严格的耐压测试；
输入和输出电缆必须分开配线，防止绝缘损坏造成危险；
现场到变频器的信号线，与强电电线分开布线，信号线必须采用绞线的方式，最好采用屏蔽线，屏蔽线的一端可靠接地；
要一直保证变频器柜体和厂房大地的可靠连接，保证人员安全。

设备进行电气安装时，要求接地电阻不大于3Ω。

测量变压器的绝缘电阻及进行工频耐压试验之前，必须断开变压器和功率单元。

节能分析
四、变频调速系统保证可靠性的措施和质量控制手段
1、JD-BP38高压变频调速系统的可靠性设计：
元器件级采取了以下主要措施，以确保元器件级的高可靠性。

尽量选用高集成度的大规模集成电路来实现多个分立元器件的功能。

减少元器件的数量，为此大量使用了CPLD和FPGA在设计电路中。

为提高系统的温度适应能力，降低功耗，尽量采用低功耗的CMOS元器件，这样既降低了整体的功耗，提高了系统抗恶劣环境的能力。

选用各种电阻、电容器及集成电路、隔离器件时，对其耐压能力留有较大的余量，对集成电路的拉电流、灌电流能力使用，也留有足够的余量。

设计措施：提高系统各组单元的内在可靠性和系统抵抗外部故障因素的能力。

(1)上位操作计算机采用与人机界面基本相同的软硬件配臵，当人机界面发生故
障时，可以在不停机的状态下，迅速替换，保证系统的可靠性运行。

(2)控制系统由主控单元、PLC(西门子S7-200)、人机界面组成，在人机界面发
生故障时，系统不停机，确保生产的进行。

(3)为了提高系统的抗干扰能力，所有的功率模块与主控单元之间通过光纤通
讯，低压和高压部分完全可靠隔离，所有I/O板全部采用了隔离措施，将通
道上窜入的干扰源拒绝在系统之外。

(4)控制器结构上采用箱体结构，各控制单元板采用FPGA、CPLD等大规模集成
电路和表面焊接技术，系统具有极高的可靠性。

(5)电源系统完全采用开关电源技术，各部分功能单元采用独立的供电措施，保
证在某一部分发生故障时，其他部分仍能可靠运行。

(6)输入干式变压器免维护，可靠性高；
(7)多级模块串联，器件工作在低压状态，便于采用成熟技术，不易发生故障；
软件可靠性措施：整个软件开发过程按正向设计进行，底层实时控制系统为自行设计和编写，确保整个系统中没有不清楚的部分，资源分配留出很大裕度。

整个系统的组成软件经过严格测试，穷尽各种故障可能，确保系统不死机，不出故障。

对所有接口关系严格定义，且均设立非法进入和退出处理措施。

2、JD-BP38高压变频调速系统的可靠性制造：
(1)大批量的生产保证了生产所用的元器件可以从外国厂家或大的贸易代理商。