高压变频器介绍

信号处 理接口
脉 冲 发 生 器
功率单元 状态信息
Mlink1
脉冲信号 控制信号
Mlink8 5V电源 CAN
基于双DSP和FPGA 一DSP负责对变频器的监测； 一DSP实现对变频器和异步电机的控 制； 脉冲发生器则基于FPGA器件实现； 由交流插件、IO插件、主控制器、通 讯板、脉冲发生器、人机界面、脉冲编 码解码MLink板等电路组成。
通信板 四方平台 人机界面 远程
录波装置
28
软件
人机界面软件
CAN
功能细分
菜单系统 功能参数设计 与监测器的数据交互——CAN

软件包括三大部分

远程信号 本地信号
监测程序
监控程序； 电机控制和脉冲发生程序； 人机界面程序；
控制程序
SPI
功能细分
变频器运行状态判断与切换 软件保护系统 电量采集与输出 与人机界面的数据交互——CAN 与控制器的数据交互——SPI 参数存储 远程通讯与控制处理
缺点：需要器件串联，均压和缓冲技术复杂。 输入侧采用可控硅相控整流，电流型变频器 输入电流谐波较大。

10
直接高压二电平电压型变频器



采用高压器件直接串联，可以构成 两电平PWM的高压变频器，输出电 压可达6kV 变频器结构简明，功率器件直接串 联，串联桥臂上的所有器件作用相 同，便于互相备用和冗余保护 输出电压dv/dt大，要用特种电机或 加滤波器
VAO
二极管箝位式；H桥级联式；悬浮 E + S E C S S 通过多电平的组合 电容式 E
O
+
3
C3
C4
Sa4n
-
a21
a22
+
Sa3n
逼近参考波形，输 出电压具有更好的 谐波性能
+
E
-
C4
Sa3n
Sa4n
-
Sa23
Sa24
E
-
Sa2n
Sa1n
O
2013-7-21
12
三电平中点箝位逆变器
20世纪80年代初提出
18
国内公司情况

凯奇、先行 国内较早研制成采用IGBT的H桥级联逆变器的中压 变频器样机，并都生产和销售了多套变频器； 冶金自动化院（金自天正 ）、天传所、天水所



利德华福、中山明阳、成都佳灵 民办公司1998年开始涉足电力电子和高压变频,进 行中压变频器的研制。 其他公司的一些产品

动力源、九州电气、新电创拓、合康亿盛
M
高压断路器
输入 变压器
输出 滤波器 滤波 整流器 电容器 三电平逆变器
高压 电动机
若输入也采用对称的PWM结构，则可做到系统功率因数可 调，输入谐波很低，且可四象限运行。
输出电平数少，dv/dt仍较大，输出需要LC滤波器，而且要 求器件耐压高，输出6kV需要器件串联
13
H桥级联多电平逆变器
模块化设计，维护简单。 多个低压变频单元串联组成 输入侧功率因数高，有 高压大容量多电平输出 很好的输出波形，dv/dt 小 需要多个独立直流电源， 输入的隔离变压器设计 复杂
11
1) 输出电平数多，具 有较低的dv/dt；
基于多电平逆变器的高压变频器
+
E
C1
Sa1p
VAO
+
Sa11
Sa12
S a14
+
2) 采用低压功率器件 即可实现更高等级 的电压输出； 3)
+
Sa2p
C2
E
+
C1
Sa1p Sa2p
E
-
E
-
Sa3p Sa4p VAO Sa1n
a2n
Sa13
E
+
C2
O
Sa3p Sa4p
19
国内产品的技术

主电路拓扑结构

大都采用成熟的产品方案 对于风机水泵类负载，V/f恒定控制已足够 尚未有更精确的控制策略，以满足要求更高性能的应用 场合 提升产品等级的关键，与国外产品相比较有较大的差距 产品可靠性，抗干扰性能需要进一步提高 器件选型

控制策略


工艺结构设计


电磁兼容设计
14
悬浮电容多电平逆变器

ALSTOM公司
sa N
～ ～
iN ic.k
i2 sa2
' sa2
i1 ic.1 sa1 sa1'
ia R jL Vao
E
' sa N
CN-1
C1
1992年由法国学者 T.A.Meynard 提出
换流单元
o
CN-1
～ ～
～ ～
C1
悬浮电容
CN-1
～ ～
～ ～
C1

关键：控制电容电压的平衡！
4
变频调速装置的分类

交直交电流型变频调速


高低高电流型变频器 高高电流型变频器
高低高电压型变频器 直接高压 两电平电压型变频器 二极管箝位式多电平电压型变频器 H桥级联式多电平电压型变频器 悬浮电容式多电平电压型变频器
5

交直交电压型变频调速

高－低－高

为避免直接高压变频在技术和成本上的困 难，小容量高压变频可以采用高-低-高方 式，输出电压可达10KV
远程监控
监测器


监控系统选用DSP和 FPGA等大规模集成电路， 提高可靠性和抗干扰能 力 采用水冷系统散热
人机界面
监控系统
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系统的组成
变压器柜、功率柜、控制柜、水冷柜 旁路柜、输入开关柜、输出开关柜
23
移相变压器
将输入的三相6KV交流电变换成 3×5组互差12°电角度的690V 低压三相交流电分别供给功率逆 变器的15个整流逆变功率单元 变压器参数： 额定容量：1600KVA 额定电压：6KV/0.69KV 一次侧为三相单绕组，有+5% 和-5%的抽头；二次侧为三相15 绕组，每组移相互差12°
3
节能效果

据现场实测试验报告表明，高压电动机采用 变频调速技术节能效果非常显著，其中风机 类：28％～69％；泵类：18～41％


火力发电厂各辅机容量裕度太大，相当于 1.68～2.54倍实际所需功率 大部分时间机组处于低负荷率运行，“大马拉 小车”现象严重

对风机和水泵类负载，节电率在40％左右
高压变频器介绍
1
主要内容


高压变频器的分类 国内外公司概况 高压变频器样机设计 调研问题
2
高压变频器




电压等级：2.3kV、3.3kV、4.16kV、 6kV、6.6kV和10kV等 容量范围：200kW---5000kW 应用对象：高压大容量异步电动机， 如风机、水泵等的节能调速运行 应用领域：电厂、水厂、油田、冶金 等行业
17
国外公司情况
4)ROBICON 产品. H桥级联多电平逆变器, 低压变频器技术的延伸，发展快， 性能好。 5)ROCKWELL ( AB ) 产品 1557系列中压变频器，采用GTO电流型, GTO元件串联。 AB同RELANCE合并，目前主要是采用SGCT的 PowerFlex 7000电流型变频。 6)ALSTOM 采用悬浮电容多电平逆变器技术
+1 5 V
UOR
UOL
XPI
XFUS1 XUD
XUO
XFUS2
XFUS3
XIGBT POWCON板
XP XR XV
XP1
-1 5 V IO
UD+
UD-
UA UB UC
XIO
XP2
XSCR
电源、控制、保护和驱动电路
26
功率单元试验
模块的输出电压和输出电流
电阻型负载，满功率 运行下：
输出电压基波有 效值约为690V；
功率单元
功率单元
功率单元
功率单元
功率单元
C
25
整流逆变功率单元
整流单元
DA DB DC SST SCR
滤波电容
逆变电路
RS1 CS1
RS2
RS3
E1
E2
R1
SAL1
CS2 CS3 RYM 200W/2K RST E3 E4 CD1 LAO R2 FO
SAR1
移相变压器
旁路电路
CD2
A1 B1 C1
15
～ ～
其他几种多电平逆变器

通用式多电平逆变器

可实现电压的自动平衡，但成本高

混合多电平逆变器（或者改进的H桥级联多 电平逆变器）


综合使用了两种功率器件的高阻断电压和快的 开关速度，如IGCT和IGBT 但本身存在一些特殊需要解决的问题

层叠式多电平逆变器
16
国外公司情况
欧美公司
1)SIEMENS 工程+产品 IMOVERT－A系列，晶闸管电流型，低价、成熟。 SIMOVERT MV系列中压变频器： HVIGBT，三电平 2)ABB 工程为主 中压变频器ASC1000系列， 采用IGCT，三电平，体积小， DTC直接转矩控制。 3)GE 工程为主 INNOVITION MV系列中压变频器 , 采用IGCT、IGBT 三电平, 三电平单相桥，主要应用大功率轧机传动。
功率单元
光纤信号接口 每个功率单元三条光纤连接 信号从控制柜的监控系统输出
功率单元 功率单元
功率单元 功率单元
功率单元 功率单元
功率单元 功率单元
B
公共端
每组5个功率单元输出串联 在一起叠加成一相输出，最 终形成 0～6kV，0～50Hz可 调的三相近似正弦的交流电 输出。
三相交流 6kV脉冲电压 输出 连接至输出 开关柜
脉冲输出
29
人机界面

现场调试使用
30
输出电压波形
2N+1 N是单相 串联的模 块数量
31
技术参数
产品型号 标准适用电机(KW) 额定容量(KVA) 额定电流(A) 额定电压 电流过载能力 输出频率 主回路电压/频率 控制回路 变动容许值 控制方法 最高频率 基本频率 起动频率 频率分辨率 频率精度 加减速时间 电压频率特性 400 500


国产高压变频器能够根据国内用户需要设计
20
系统原理框图
21
装置的总体技术
～6kV 输 入 开 关 移相变 压器 功率逆 变器
主电路
输 出 开 关 M

包括三大部分

旁 路 开 关
输 出
脉冲发生与分配
主电路选用H桥级联多 电平逆变器技术

控制器

技术成熟，易做到各 种电压和容量等级 生产安装模块化

电机控制算法：V/f控制和 矢量控制

已实现V/f控制； 矢量控制——下一步工作；
总线接口
控制目标的PID调节 电机参数辨识 V/f开环控制 V/f闭环控制 矢量控制 PWM脉冲发生程序 与监测器的数据交互——SPI 与脉冲扩展与分配电路的数据交互

PWM方法

脉冲扩展与分配
多电平直接PWM方法
三相交流 输出 690V 交流6kV输入 接输入开关柜 接功率柜
过温保护触点（TP1）
每相5个 共15个 总共45根 电缆输出
过温报警触点（TP2）
柜门辅助触点（S3）
到 控 制 柜 的 监 控 系 统
24
功率逆变器
功率单元
每个功率单元，三相交流690V输入 通过电缆连接从移相变压器柜接入
A
功率逆变器有15个整流逆变 功率单元，A、B、C三相 分成三组。
低压 变频器 降压变压器 升压变压器
6
高－低－高电流型

输入电源侧采用可控硅移相控制，控制电动 机电流的幅值；输出电动机侧为强迫换流开 关PWM控制，控制电动机电流的频率和相位
7
优缺点
优点：传动具四象限运行能力。可以任 意匹配电动机电压等级，容量小的时侯 改造成本较低。
缺点：降压/升压变压器体积大，装置 结构复杂，能量经过多次变换后系统效 率降低。采用可控硅移相整流，电流型 变频器输入电流为方波。
52
500 630
62
630 800
78
800 1000
98
1000 1250
120
1250 1600 154 3相,6000V
1400 1750
170
1600 2000
192
1800 2250
218
2000 2500
240
120%额定负载1分钟 0.1~120Hz 3相6000V，50HZ 3相380V，50HZ；或者DC220V 电压:±10%（另外输入移相变压器有±5%的抽头） 电压失衡率<3%，频率:±5% 正弦PWM控制 50~120HZ 20~50HZ 1~20HZ 数字设定:0.01HZ 数字设定:±0.1%最高频率 0.5~3600S,线性或者平方曲线 基频以下恒V/F，基频以上恒功率
FB1
FA FB FC CS4 SF FC1 RS4 CS5 RS5 CS6
O2 O1
交流输出
DE S1
R3 RS6 E5 E6
-1 IO5 V
SAL2
+1 5 V
SAR2
DD L1 L2
FA1
TP
SFO ST
GDU
XP
旁路单元
XP
SCRDRV板
K FU S1 V CC
V CC K FU S2
V CC K FU S3
输出电流有效值 约为190A，幅值约为 300A。
27
监控系统
24V电源
5V电源
旁路失败信号 减速过电压 脉冲封锁 故障复位 选通信号 CONL/CONR 24旁路失败信号 24路减速过电压信号
接 线 端 子 排 保 护 开 出
信 号 接 口 板 1 信 号 接 口 板 2
模入 模出 SPI 开入 开出 监测 DSP 控制 DSP 总线
8
高－低－高电压型

通过降压变压器将中压变成低压，供电给低 压电压型通用变频器，得到可变频率的PWM信 号，经过滤波器，再通过升压变压器后驱动 电动机
LF
9
高－高电流型


用GTO，IGBT，IGCT或SCR器件串联的办法 实现直接的高压变频，电压可达10KV 优点：四象限运行能力。工作可靠，保护 性能好，没有降压、升压变压器，设备紧 凑，效率高