10KV斷路器概述

1 引言 　在國(guó)產(chǎn)高壓變頻器的設(shè)計(jì)中，為了提高高壓變頻器內(nèi)部控制的靈活性以及在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的可擴(kuò)展性，通常在高壓變頻器中內(nèi)置PLC。自從20世紀(jì)70年代第一臺(tái)PLC誕生以來(lái)，PLC的應(yīng)用越來(lái)越廣泛、功能越來(lái)越完善，除了具有強(qiáng)大的邏輯控制功能外還具其他擴(kuò)展功能：A/D和D/A轉(zhuǎn)換、PID閉環(huán)回路控制、高速記數(shù)、通信聯(lián)網(wǎng)、中斷控制及特殊功能函數(shù)運(yùn)算等功能，并可以通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行顯示、報(bào)警、記錄、人機(jī)對(duì)話，使其控制水平大大提高。

2 高壓變頻器簡(jiǎn)介 　新一代高性能ZINVERT系列智能高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)為直接高-高型變頻調(diào)速系統(tǒng)，通過(guò)直接調(diào)節(jié)接入高壓電機(jī)定子繞組的電源頻率和電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)從而達(dá)到節(jié)能的目的。它是集大功率電力電子控制技術(shù)、微電子技術(shù)、高速光纖通信技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)和高電壓技術(shù)等多學(xué)科為一體的高新技術(shù)產(chǎn)品。該產(chǎn)品采用主流高性能專(zhuān)用雙DSP控制系統(tǒng)和大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)，通過(guò)精確的數(shù)字移相技術(shù)和波形控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高壓電機(jī)的靈活調(diào)節(jié)和能耗控制。 　　

3 PLC在國(guó)產(chǎn)高壓變頻器中的設(shè)計(jì)使用 　　

3.1 PLC主要邏輯控制 （1）用戶(hù)要求高壓變頻器在出現(xiàn)故障停機(jī)時(shí)能快速自動(dòng)切換到工頻旁路運(yùn)行，筆者給高壓變頻器專(zhuān)門(mén)配置了可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)旁路功能的旁路柜，如圖1所示，K1～K4為手動(dòng)操作刀閘，J1～J3為高壓真空接觸器。在變頻器發(fā)生故障時(shí)，旁路柜可以在幾秒內(nèi)完成從變頻到工頻的轉(zhuǎn)換；而變頻器在工頻運(yùn)行時(shí)，通過(guò)1個(gè)按鈕就可以實(shí)現(xiàn)變頻器從工頻到變頻的轉(zhuǎn)換。這樣的控制要求增加了變頻器整機(jī)控制邏輯的復(fù)雜性。 自動(dòng)旁路柜控制邏輯簡(jiǎn)要介紹如下： 變頻調(diào)速系統(tǒng)退出變頻轉(zhuǎn)工頻運(yùn)行有兩種方式，一種是自動(dòng)方式，一種是手動(dòng)方式，選擇自動(dòng)方式時(shí)，當(dāng)變頻器發(fā)生停機(jī)故障時(shí)變頻器自動(dòng)從變頻轉(zhuǎn)工頻；選擇手動(dòng)方式時(shí)則需人工操作。 變頻調(diào)速系統(tǒng)退出工頻轉(zhuǎn)變頻運(yùn)行也有兩種方式，一種是自動(dòng)方式，一種是手動(dòng)方式，選擇自動(dòng)方式時(shí)，只需在控制柜上按一個(gè)按鈕，變頻器就自動(dòng)完成從工頻轉(zhuǎn)變頻；選擇手動(dòng)方式時(shí)則需人工操作。 　　

3.2 PLC控制系統(tǒng)原理 　PLC主機(jī)選用輸入輸出點(diǎn)數(shù)48點(diǎn)，型號(hào)為FX2N-48MR，PLC作為系統(tǒng)邏輯量控制的控制核心，在自動(dòng)旁路柜的邏輯關(guān)系控制中起著至關(guān)重要的作用。旁路柜的邏輯控制要求比較復(fù)雜，采用PLC控制，接線簡(jiǎn)單，提高了可靠性；旁路柜的邏輯更改也變得很簡(jiǎn)單，只需修改PLC梯形圖程序就可以了，很方便滿足用戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)的控制要求。

3.3 PLC功能指令實(shí)現(xiàn)高壓變頻器PID閉環(huán)控制 　用戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)變頻器閉環(huán)控制提出的要求是：變頻器能夠根據(jù)用戶(hù)系統(tǒng)用水量的變化，自動(dòng)調(diào)整變頻泵的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)恒壓供水；同時(shí)還可以在液晶屏上設(shè)定壓力目標(biāo)值。 針對(duì)用戶(hù)的要求，PLC另外配置了模擬特殊模塊FX2N-4AD和FX2N-2DA。FX2N-4AD為模擬輸入模塊，有四個(gè)輸入通道，最大分辨力12位，模擬值輸入范圍為-10V～10V或者4～20mA；FX2N-2DA為模擬輸出模塊，有2個(gè)輸出通道，最大分辨力12位，模擬值輸出值范圍為-10V到10V或者4到20mA。這樣通過(guò)讀取指令（FROM）和寫(xiě)入指令（TO），以及PLC帶有的PID閉環(huán)控制功能指令（如圖3所示），就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)的管網(wǎng)水壓進(jìn)行PID閉環(huán)控制。 其具體編程過(guò)程是這樣：PLC讀取指令（FROM）讀取用戶(hù)水壓反饋值，把反饋值用移動(dòng)指令（MOV）存入PID指令中的D12數(shù)據(jù)地址里；把用戶(hù)的水壓設(shè)定值用移動(dòng)指令（MOV）存入PID指令中的D10數(shù)據(jù)地址里；D200～D222保存PID的運(yùn)行參數(shù)；

D14為PID指令的運(yùn)算值輸出，通過(guò)PLC的寫(xiě)入指令（TO）把PID閉環(huán)運(yùn)算結(jié)果D14寫(xiě)入模擬輸出模塊，再通過(guò)模擬輸出模塊轉(zhuǎn)換成-10V～10V或者4～20mA的模擬信號(hào)送入高壓變頻器控制器進(jìn)行頻率設(shè)定。在進(jìn)行PID運(yùn)行參數(shù)設(shè)置時(shí)，P、I、D的參數(shù)設(shè)定尤其重要，其設(shè)定的好壞直接關(guān)系到管網(wǎng)水壓控制的好壞。P表示比例增益，設(shè)定范圍為0～99（%），比例調(diào)節(jié)設(shè)定大，系統(tǒng)出現(xiàn)偏差時(shí)，可以加快調(diào)節(jié)，減少誤差，但是過(guò)大的比例增益，會(huì)造成系統(tǒng)不穩(wěn)定；I表示積分時(shí)間，設(shè)定范圍為0～32767（*100ms），積分時(shí)間越小，積分作用就越強(qiáng)，反之I越大則積分作用弱；D表示微分時(shí)間，設(shè)定范圍為0～32767（*10ms），微分調(diào)節(jié)有超前的控制作用，合適的微分時(shí)間能改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。 　　

3.4 PLC功能指令實(shí)現(xiàn)PLC與變頻器上位機(jī)通信 　為了使變頻器上位機(jī)能對(duì)PLC進(jìn)行顯示、報(bào)警及記錄，PLC還配置了通信模塊FX2N-232BD，實(shí)現(xiàn)與變頻器上位機(jī)的串口通信，PLCRS232串口通信可使用無(wú)協(xié)議（RS指令）或?qū)Ｓ脜f(xié)議與上位機(jī)進(jìn)行通信，本例中使用無(wú)協(xié)議與上位機(jī)進(jìn)行通信。

4 結(jié)語(yǔ) 　高壓變頻器自動(dòng)旁路柜采用PLC進(jìn)行旁路邏輯控制，通過(guò)運(yùn)行的智光高壓變頻器模擬故障說(shuō)明，高壓變頻器自動(dòng)旁路柜在從變頻轉(zhuǎn)工頻，工頻轉(zhuǎn)變頻的相互切換非常方便，能在10s以?xún)?nèi)完成，大大提高了水泵運(yùn)行的可靠性?，F(xiàn)場(chǎng)PID閉環(huán)控制效果非常理想，水壓波動(dòng)非常小，波動(dòng)在超過(guò)0.1kg時(shí)，變頻器能迅速調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，把水壓控制在設(shè)定范圍內(nèi)，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速時(shí)不會(huì)產(chǎn)生任何振蕩。同時(shí)通過(guò)PLC與高壓變頻器控制器的串口RS-232通信，在高壓變頻器液晶屏上能監(jiān)視系統(tǒng)管網(wǎng)水壓及PLC各種狀態(tài)量。

1 概述 　為了節(jié)能降耗，韶鋼第三煉鋼廠連鑄水處理和轉(zhuǎn)爐水處理分別對(duì)原部分高壓水泵電機(jī)進(jìn)行了變頻技術(shù)改造，以下分別對(duì)連鑄水處理變頻系統(tǒng)改造（變頻器為國(guó)產(chǎn)ZINVERT型智能高壓變頻器）和轉(zhuǎn)爐水處理變頻系統(tǒng)改造（變頻器為東芝TMdrive-MV無(wú)諧波系列6kV/450kW）做技術(shù)總結(jié)。 　　連鑄水處理對(duì)以下4組水泵電機(jī)新增4組高壓變頻器，連鑄水處理有1#板坯二冷水、2#板坯二冷水、2#板坯結(jié)晶器水、3#板坯結(jié)晶器水等四組水泵，分別為1#板坯、2#板坯、3#板坯供水，每組水泵有2臺(tái)6kV高壓電機(jī)（一用一備），電機(jī)功率和額定電流分別為560kW/63.44A、315kW/36.11A、315kW/36.11A、630kW/73.5A；改造前均為全壓工頻直接啟動(dòng)，工作時(shí)為額定電流，新增4組變頻器后電流降低，故障率減少，可根據(jù)生產(chǎn)板坯種類(lèi)不同，通過(guò)閉環(huán)控制，對(duì)水流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，且能始終保持恒壓狀態(tài)，改善穩(wěn)定了板坯質(zhì)量。 　　

轉(zhuǎn)爐水處理氧槍原高壓供水系統(tǒng)主要由三臺(tái)6kV/250kW電機(jī)、泵以及電動(dòng)閥組成，其用途是供給兩座轉(zhuǎn)爐氧槍冷卻作用。系統(tǒng)正常運(yùn)行情況下，給水泵采用兩用一備方式運(yùn)行，電機(jī)控制方式為直接工頻起動(dòng)。采用這種方式主要存在以下問(wèn)題：采用定速運(yùn)行，出口壓力高、管損嚴(yán)重、系統(tǒng)效率低，造成能源的浪費(fèi)；交流電機(jī)在直接接電網(wǎng)工頻起動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生極大的沖擊電流，導(dǎo)致對(duì)電機(jī)本身及電網(wǎng)的嚴(yán)重?fù)p害；由于要增加一座轉(zhuǎn)爐，且保持原來(lái)供水管道不變，以原電機(jī)容量是不能滿足生產(chǎn)要求的，所以本次增大電機(jī)容量以及泵的容量，選用3臺(tái)400kW電機(jī)，改用高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，增加3臺(tái)變頻器450kWTMdrive-MV。氧槍高壓供水泵通過(guò)本次技改后，完全能滿足3座爐子氧槍供水需求，電機(jī)起動(dòng)過(guò)程平緩，對(duì)電網(wǎng)的干擾小，電機(jī)損耗小，功率因數(shù)高，節(jié)能效果顯著，使用方便，實(shí)現(xiàn)了恒壓供水。

2 設(shè)備現(xiàn)狀及工藝要求 　　

2.1 連鑄水處理原系統(tǒng)的缺點(diǎn) （1）電能損耗大，啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)沖擊大，對(duì)電機(jī)沖擊損壞嚴(yán)重。（2）投產(chǎn)以來(lái)，由于生產(chǎn)工作的電機(jī)出現(xiàn)故障，曾導(dǎo)致被迫停澆。（3）不能滿足生產(chǎn)工藝需求，要手動(dòng)調(diào)節(jié)閥門(mén)調(diào)節(jié)水量，不能實(shí)現(xiàn)恒壓控制。 　　

2.2 轉(zhuǎn)爐水處理原系統(tǒng)的缺點(diǎn) （1）出口壓力高、管損嚴(yán)重，導(dǎo)致閥門(mén)泄漏、不能關(guān)嚴(yán)等。（2）交流電機(jī)在直接接電網(wǎng)工頻起動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生極大的沖擊電流，導(dǎo)致對(duì)電機(jī)本身及電網(wǎng)的嚴(yán)重?fù)p害。（3）不能滿足3座爐子氧槍供水需求。 　　

2.3 連鑄水處理系統(tǒng)改造方案 （1）2008年7月利用4#板坯水處理新建高壓電氣室剩余空間新增4套ZINVERT型智能高壓變頻器，原高壓開(kāi)關(guān)柜保持不動(dòng)，作為至現(xiàn)用高壓變頻柜一通斷開(kāi)關(guān)，拆除原高壓開(kāi)關(guān)柜至現(xiàn)場(chǎng)電機(jī)的動(dòng)力電纜，改為開(kāi)關(guān)柜——變頻器——電機(jī)。新增現(xiàn)場(chǎng)操作4個(gè)，在變頻器旁增加兩套遠(yuǎn)程I/O站，作為原1#板坯水處理PLC、2#、3#機(jī)（共用）水處理PLC子站，與其通訊。 　　

其中F1～F4為6kV高壓真空斷路器，F(xiàn)3、F4為供貨方提供；J1～J4為6kV高壓接觸器，根據(jù)電力規(guī)程要求分別配置K1～K4為刀閘。正常運(yùn)行中各刀閘閉合狀態(tài)，在檢修時(shí)根據(jù)需要切開(kāi)相應(yīng)刀閘。 　　若M1泵變頻運(yùn)行M2泵工頻備用，則F1、J1、F3閉合，F(xiàn)2、F4、J2、J3、J4斷開(kāi)；若M2泵變頻運(yùn)行M1泵工頻備用，則F2、J2、F4閉合，F(xiàn)1、F3、J1、J3、J4斷開(kāi)；該方案中的J1、J2相互閉鎖，J3、F3相互閉鎖，J4、F4相互閉鎖，F(xiàn)3與F4高壓相互閉鎖。確保同一電機(jī)不出現(xiàn)變頻、工頻同時(shí)驅(qū)動(dòng)。同一泵組之間不能出現(xiàn)兩臺(tái)電機(jī)同時(shí)工作。另外，ZINVERT智能高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)旁路刀閘柜符合“五防”閉鎖的要求，旁路柜高壓有電或高壓側(cè)開(kāi)關(guān)在合閘位置時(shí)，閉鎖所有刀閘操作，前后柜門(mén)不能開(kāi)啟；旁路刀閘之間具有閉鎖，防止誤操作。 　　

2.4 轉(zhuǎn)爐水處理系統(tǒng)改造方案 （1）每個(gè)柜子放一根3×185的高壓變頻器到電機(jī)之間的電纜。一根3×185從高壓開(kāi)關(guān)柜到高壓變頻器的電纜。3根高壓開(kāi)關(guān)柜到高壓變頻器的控制電纜。做兩根3×185電纜的絕緣和耐壓實(shí)驗(yàn)，確保電纜的安全性能。高壓變頻器調(diào)試。調(diào)試人員對(duì)高壓變頻器各個(gè)驅(qū)動(dòng)板和通信電纜進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)無(wú)誤后，設(shè)置變頻參數(shù)，在變頻器旁對(duì)電機(jī)進(jìn)行空載試車(chē)，并對(duì)電機(jī)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線監(jiān)控。PLC程序員編寫(xiě)程序和修改控制畫(huà)面，以通過(guò)上級(jí)PLC來(lái)控制高壓開(kāi)關(guān)柜的合閘和改變變頻器的頻率來(lái)改變供水泵的轉(zhuǎn)速。最后由本廠操作人員在畫(huà)面進(jìn)行控制，達(dá)到滿意效果。把電機(jī)帶負(fù)載運(yùn)行，對(duì)供水流量、管道壓力、電機(jī)參數(shù)等進(jìn)行監(jiān)控一個(gè)工作日后，各參數(shù)正常，改造圓滿結(jié)束，設(shè)備投入正式運(yùn)行。（2）轉(zhuǎn)爐水處理氧槍高壓供水系統(tǒng)改造以后的系統(tǒng)主回路圖，如圖2所示： 　

2.5 每套系統(tǒng)配置 （1）450kW，6kV輸入6kV輸出TMEIC高壓變頻器。（2）高壓工頻切換柜KA（K12與K13之間有機(jī)械連鎖，不能同時(shí)合上）。手動(dòng)刀閘旁路切換方案如主回路圖所示，采用手動(dòng)刀閘切換也可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的工頻/變頻切換。當(dāng)工頻旁路柜KA中K12斷開(kāi)時(shí)，K11、K13閉合，此時(shí)，電機(jī)由6kV輸出TMEIC無(wú)諧波高壓變頻器驅(qū)動(dòng)，電機(jī)處于變頻調(diào)速運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)工頻旁路柜KA中K12閉合，K11、K13斷開(kāi)時(shí)，電機(jī)可以由6kV工頻電網(wǎng)直接驅(qū)動(dòng)，電機(jī)處于工頻運(yùn)行狀態(tài)。由于此方案采用了手動(dòng)刀閘，在切換過(guò)程中，需要切斷用戶(hù)高壓開(kāi)關(guān)，操作人員在現(xiàn)場(chǎng)完成切換操作。（3）該系統(tǒng)如主回路圖所示：在正常工作時(shí)K11、K13閉合，K12開(kāi)路。此時(shí)水泵由變頻器驅(qū)動(dòng)，變頻器根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際的工況變化，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)亩鴮?shí)現(xiàn)水泵速度的平滑調(diào)節(jié)。當(dāng)變頻器需要檢修時(shí)，可以使K11、K13開(kāi)路，同時(shí)閉合K12。此時(shí)，水泵亦可直接由電網(wǎng)直接驅(qū)動(dòng)。TMEIC高壓變頻器本身具有極高的可靠性，如果再配上工頻旁路刀閘柜，則整套系統(tǒng)將更加可靠。在變頻方式下，原來(lái)電機(jī)的保護(hù)通過(guò)變頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于切回工頻方式時(shí)還采用原差動(dòng)保護(hù)，差動(dòng)保護(hù)的切換可以通過(guò)工頻旁路柜上的相應(yīng)輔助接點(diǎn)來(lái)自動(dòng)切換。在變頻方式下，不需要采用無(wú)功補(bǔ)償裝置，如在工頻方式運(yùn)行，則根據(jù)系統(tǒng)情況考慮采用無(wú)功補(bǔ)償裝置。 　　

3 系統(tǒng)組成及控制功能 　　

3.1 連鑄變頻系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)（1）完整的工頻/變頻自動(dòng)互切技術(shù)，高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)配置工頻旁路切換柜，變頻器發(fā)生故障時(shí)能迅速自動(dòng)使高壓電機(jī)轉(zhuǎn)至工頻運(yùn)行。（2）PLC給變頻器一個(gè)模擬量（轉(zhuǎn)速），通過(guò)閉環(huán)控制和變頻調(diào)速達(dá)到水流恒壓。（3）ZINVERT系列智能高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)采用功率單元串聯(lián)技術(shù)，直接輸出3kV、6kV、10kV電壓，屬高-高電壓源型變頻器。由于采用功率單元串聯(lián)而非功率器件的直接串聯(lián)，因此解決了器件耐壓的問(wèn)題。同時(shí)由于同相各級(jí)功率單元輸出SPWM信號(hào)通過(guò)移相后進(jìn)行疊加，提高了輸出電壓諧波性能，降低了輸出電壓的dv/dt；通過(guò)電流多重化技術(shù)降低輸入側(cè)諧波，減小了對(duì)電網(wǎng)的諧波污染。 （4）據(jù)估算，該套系統(tǒng)投運(yùn)后，按適配高壓電機(jī)年運(yùn)行7000小時(shí)計(jì)算，節(jié)電率一般在20%～40%之間，年節(jié)電可達(dá)500萬(wàn)kWh，以國(guó)內(nèi)工業(yè)用電0.5～0.7元計(jì)算，年節(jié)約電費(fèi)可達(dá)200～300萬(wàn)元，用戶(hù)在一年內(nèi)可回收設(shè)備投資。 （5）變頻器帶有自診斷顯示，運(yùn)行中可選擇觀察輸出電流、電壓、頻率、同步轉(zhuǎn)速等參數(shù)。變頻裝置提供中文操作界面，具有參數(shù)設(shè)定、系統(tǒng)監(jiān)控等功能。（6）系統(tǒng)能在電子噪聲、射頻干擾及振動(dòng)的環(huán)境中連續(xù)運(yùn)行，且不降低系統(tǒng)的性能。距電子柜1.2m處以外發(fā)出的工作頻率470Hz、功率輸出達(dá)5W的電磁干擾和射頻干擾，不影響系統(tǒng)正常工作。 　　

3.2 轉(zhuǎn)爐水處理變頻系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn) （1）變頻器采用高壓直接輸入、高壓直接輸出的電壓源方式。變頻裝置采用多繞組、多單元串聯(lián)的無(wú)諧波方式。6kV輸出采用36脈沖，不加任何濾波器就可以滿足“GB/T14549”電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波中規(guī)定的每次諧波電流值的要求及“IEEE519”國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定（0%～100%頻率范圍內(nèi)）。（2）逆變器側(cè)采用高開(kāi)關(guān)頻率的IGBT器件，IGBT采用經(jīng)過(guò)三菱嚴(yán)格篩選的軍品級(jí)最新一代1700V的高壓IGBT，具有極高的可靠性，保證良好的輸出波形。變頻器輸出電壓近似正弦波，輸出電流為正弦波。 （3）變頻單元內(nèi)部有非常先進(jìn)的自動(dòng)預(yù)充電電路，可以使10kV高壓上電時(shí)的電流沖擊減到最小，防止高壓斷路器速斷保護(hù)動(dòng)作跳閘。（4）變頻器系統(tǒng)總效率（滿載）達(dá)到97%，輸入功率因數(shù)0.95以上，無(wú)需功率因素補(bǔ)償器。

4 節(jié)能及效益分析 　系統(tǒng)改造后可以快速地調(diào)節(jié)流量，運(yùn)行人員對(duì)系統(tǒng)的調(diào)整控制更為穩(wěn)定自如。系統(tǒng)的功率因素可以提高到0.95以上，減少無(wú)功損失。提高了系統(tǒng)自動(dòng)裝置的穩(wěn)定性，為系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)化運(yùn)行提供了可靠保證，系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)得到改善，提高了效率。電機(jī)直合時(shí)：電流39～42A，功率因素0.75～0.85，日用電量9180kWh。電機(jī)帶變頻器運(yùn)行時(shí)：電流30～35A，功率因素0.95～0.97，日用電量6720kWh。通過(guò)數(shù)據(jù)分析，采用變頻器后，電機(jī)的功率因數(shù)明顯提高，節(jié)電效果顯著。電機(jī)采用高壓變頻器后：功率因數(shù)（平均值）提高到0.96以上；節(jié)電達(dá)到27%。 　　

5 結(jié)語(yǔ) 　經(jīng)過(guò)這次改造，兩系統(tǒng)運(yùn)行均非?？煽浚岛墓?jié)能效果顯著，為穩(wěn)定生產(chǎn)、節(jié)能降耗、提高產(chǎn)品質(zhì)量打下了良好的基礎(chǔ)。

1、前言　　目前世界上的高壓變頻器不像低壓變頻器一樣具有成熟一致的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而限于功率器件的電壓耐量和高壓使用的矛盾，國(guó)內(nèi)外各高壓變頻器的生產(chǎn)廠商采用不同的功率器件和不同的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以適應(yīng)不同的電壓等級(jí)和各種拖動(dòng)的設(shè)備要求，因而在各項(xiàng)性能指標(biāo)和適應(yīng)范圍上也各有差異。主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有：（1）功率器件串聯(lián)二電平直接高壓變頻；（2）采用HV-IGBT、IGCT的多電平電壓源型變頻器；（3）采用LV-IGBT的單元串聯(lián)多重化電壓源型變頻器等?！　?/p>

2、單元串聯(lián)多重化電壓源型變頻器技術(shù)

2.1 西門(mén)子羅賓康公司利用單元串聯(lián)多重化技術(shù)，生產(chǎn)出功率為315kW～10MW的完美無(wú)諧波　?。≒ERFECTHARMONY）高壓變頻器，無(wú)須輸出變壓器實(shí)現(xiàn)了直接3.3kV或6kV高壓輸出；首家在高壓變頻器中采用了先進(jìn)的IGBT功率開(kāi)關(guān)器件，達(dá)到了完美無(wú)諧波的輸出波形，無(wú)須外加濾波器即可滿足各國(guó)供電部門(mén)對(duì)諧波的嚴(yán)格要求；輸入功率因數(shù)可達(dá)0.95以上，THD<1%，總體效率（包括輸入隔離變壓器在內(nèi)）高達(dá)97%。達(dá)到這么高指標(biāo)的原因是采用了三項(xiàng)新的高壓變頻技術(shù)：一是在輸出逆變部分采用了具有獨(dú)立電源的單相橋式SPWM逆變器的直接串聯(lián)疊加；二是在輸入整流部分采用了多相多重疊加整流技術(shù)；三是在結(jié)構(gòu)上采用了功率單元模塊化技術(shù)?！　?/p>

2.2 單元串聯(lián)多重化電壓源型變頻器主電路基本構(gòu)成　所謂多重化技術(shù)就是每相由幾個(gè)低壓PWM功率單元串聯(lián)組成，各功率單元由一個(gè)多繞組的隔離變壓器供電，用高速微處理器實(shí)現(xiàn)控制和以光導(dǎo)纖維隔離驅(qū)動(dòng)。多重化技術(shù)從根本上解決了一般6脈沖和12脈沖變頻器所產(chǎn)生的諧波問(wèn)題，可實(shí)現(xiàn)完美無(wú)諧波變頻?！　?/p>

2.2.1 6kV變頻器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)　圖1為6kV變頻器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，每組由5個(gè)額定電壓為690V的功率單元串聯(lián)，因此相電壓為690V×5=3450V，所對(duì)應(yīng)的線電壓為6000V?！　?/p>

2.2.2 五功率單元串聯(lián)變頻器的電氣連接　圖2為五功率單元串聯(lián)變頻器的電氣連接，每個(gè)功率單元由輸入隔離變壓器的15個(gè)二次繞組分別供電，15個(gè)二次繞組分成5組，每組之間存在一個(gè)12°的相位差。每個(gè)功率單元都是由低壓絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）構(gòu)成的三相輸入，單相輸出的低壓PWM電壓型逆變器?！　?/p>

2.2.3 功率單元電路　　圖3為功率單元電路，每個(gè)功率單元輸出電壓為1、0、-1三種狀態(tài)電平，每相5個(gè)單元疊加，就可產(chǎn)生11種不同的電平等級(jí)，分別為±5、±4、±3、±2、±1和0?！　?/p>

2.2.4 一相合成的正波輸出電壓波形。圖4為一相合成的正波輸出電壓波形。　　

2.3 多重化技術(shù)構(gòu)成的高壓變頻器技術(shù)分析　　多重化技術(shù)構(gòu)成的高壓變頻器，也稱(chēng)為單元串聯(lián)多電平PWM電壓型變頻器，采用功率單元串聯(lián)，而不是用傳統(tǒng)的器件串聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)高壓輸出，所以不存在器件均壓的問(wèn)題。每個(gè)功率單元承受全部的輸出電流，但僅承受1/5的輸出相電壓和1/15的輸出功率。變頻器由于采用多重化PWM技術(shù)，由5對(duì)依次相移12°的三角載波對(duì)基波電壓進(jìn)行調(diào)制。對(duì)A相基波調(diào)制所得的5個(gè)信號(hào)，分別控制A1～A5五個(gè)功率單元，經(jīng)疊加可得具有11級(jí)階梯電平的相電壓波形，線電壓波型具有21階梯電平，它相當(dāng)于30脈波變頻，理論上19次以下的諧波都可以抵消，總的電壓和電流失真率可分別低于1.2%和0.8%，堪稱(chēng)完美無(wú)諧波變頻器。它的輸入功率因數(shù)可達(dá)0.95以上，不必設(shè)置輸入濾波器和功率因數(shù)補(bǔ)償裝置。變頻器同一相的功率單元輸出相同的基波電壓，串聯(lián)各單元之間的載波錯(cuò)開(kāi)一定的相位，每個(gè)功率單元的IGBT開(kāi)關(guān)頻率若為600Hz，則當(dāng)5個(gè)功率單元串聯(lián)時(shí)，等效的輸出相電壓開(kāi)關(guān)頻率為6kHz。功率單元采用低的開(kāi)關(guān)頻率可以降低開(kāi)關(guān)損耗，而高的等效輸出開(kāi)關(guān)頻率和多電平可以大大改善輸出波形。波形的改善除減小輸出諧波外，還可以降低噪聲、dv/dt值和電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)?！　?/p>

所以這種變頻器對(duì)電機(jī)無(wú)特殊要求，可用于普遍籠型電機(jī)，且不必降額使用，對(duì)輸出電纜長(zhǎng)度也無(wú)特殊限制。由于功率單元有足夠的濾波電容，變頻器可承受-30%電源電壓下降和5個(gè)周期的電源喪失。這種主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)雖然使器件數(shù)量增加，但由于IGBT驅(qū)動(dòng)功率很低，且不必采用均壓電路、吸收電路和輸出濾波器，可使變頻器的效率高達(dá)96%以上?！　?/p>

2.4 單元串聯(lián)多重化變頻器的優(yōu)缺點(diǎn)

2.4.1 單元串聯(lián)多重化變頻器的優(yōu)點(diǎn)（1）由于采用功率單元串聯(lián)，可采用技術(shù)成熟，價(jià)格低廉的低壓IGBT組成逆變單元，通過(guò)串聯(lián)單元的個(gè)數(shù)適應(yīng)不同的輸出電壓要求；（2）完美的輸入輸出波形，使其能適應(yīng)任何場(chǎng)合及電機(jī)使用；（3）由于多功率單元具有相同的結(jié)構(gòu)及參數(shù)，便于將功率單元做成模塊化，實(shí)現(xiàn)冗余設(shè)計(jì)，即使在個(gè)別單元故障時(shí)也可通過(guò)單元旁路功能將該單元短路，系統(tǒng)仍能正?；蚪殿~運(yùn)行?！　?/p>

2.4.2 單元串聯(lián)多重化變頻器的缺點(diǎn)（1）使用的功率單元及功率器件數(shù)量太多，6kV系統(tǒng)要使用150只功率器件（90只二極管，60只IGBT），裝置的體積太大，重量大，安裝位置成問(wèn)題；（2）無(wú)法實(shí)現(xiàn)能量回饋及四象限運(yùn)行，且無(wú)法實(shí)現(xiàn)制動(dòng)；（3）當(dāng)電網(wǎng)電壓和電機(jī)電壓不同時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)旁路切換控制。　　3、高壓變頻器運(yùn)行過(guò)程中存在的問(wèn)題及其對(duì)策　　自從高壓變頻器進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)以來(lái)，在短短的十幾年時(shí)間里得到了非常廣泛的應(yīng)用。目前，高壓變頻器以其智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化等優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越受到人們的青睞。隨著高壓變頻器應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，暴露出來(lái)的問(wèn)題也越來(lái)越多，主要有以下幾方面： 　　（1）諧波問(wèn)題。（2）發(fā)熱問(wèn)題?！　?/p>

3.1 諧波問(wèn)題對(duì)策　隨著高壓變頻器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不斷改進(jìn)。諧波問(wèn)題已從高壓變頻器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)中得到很大改善?！　?/p>

3.2 發(fā)熱問(wèn)題及其對(duì)策　變頻器是一種精密的電氣設(shè)備，其發(fā)熱是由內(nèi)部的損耗產(chǎn)生的。因變頻器內(nèi)部有很多的電路板以及電解電容組成，決定了它運(yùn)行中對(duì)環(huán)境的要求比較高，同時(shí)由于元器件本身的差異，即使同批次的產(chǎn)品也存在一些差異，這就導(dǎo)致了變頻器之間的差異也比較多。環(huán)境對(duì)設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行有著很大的影響，高溫高濕及高污染的環(huán)境大大降低了設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。例：我廠2009年9月18日變頻器功率單元過(guò)熱導(dǎo)致電容燒毀故障原因的分析：我廠2008年在延遲焦化3300KW氣壓機(jī)上投用的西門(mén)子公司生產(chǎn)的羅賓康3300KW高壓變頻器，于2009年9月18日出現(xiàn)因溫度高而造成功率單元電容器爆炸，引起單元IGBT爆炸，造成高壓變頻器跳機(jī)。當(dāng)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境高壓變頻器室存在負(fù)壓，周?chē)奶糠鄣热菀走M(jìn)入變頻器室。該變頻室的進(jìn)風(fēng)口設(shè)計(jì)為地下抽風(fēng)，潮濕的空氣容易進(jìn)入房間?！　?/p>

3.2.1 高壓變頻器的故障原始記錄與分析（1）變頻器的故障原始記錄（如圖5-7）。（2）變頻器的故障原始記錄分析。根據(jù)上述原始故障事件記錄以及功率單元的照片，分析如下：變頻器最早于2009年8月18日10：51分出現(xiàn)接地故障，其機(jī)理為它的輸入電源三相電壓相差40%以上，變頻器就發(fā)出這個(gè)報(bào)警，但此時(shí)變頻器還在運(yùn)行中，該報(bào)警一直持續(xù)到8月19日的5：07分，此時(shí)變頻器出現(xiàn)A4overtemperature報(bào)警，報(bào)警于9：27分復(fù)位，在下午的14：27分，出現(xiàn)多個(gè)功率單元過(guò)溫報(bào)警，并且于14：44分，A4功率單元最終導(dǎo)致過(guò)溫故障而被旁路，因?yàn)橛信月废到y(tǒng)，所以變頻器繼續(xù)運(yùn)行而沒(méi)有停機(jī)，在15：04分，另一個(gè)功率單元A5也因?yàn)楣β蕟卧^(guò)溫故障而被旁路，變頻器仍然沒(méi)有停機(jī)，很快15：05分，B5功率單元也由于同樣的過(guò)溫故障而被旁路掉，變頻器在三個(gè)單元都被旁路后仍然在繼續(xù)運(yùn)行中，一直到15：06分，變頻器由于B4功率單元OOS故障而停止了運(yùn)行。將這些功率單元拆開(kāi)看，變頻器B5單元損壞最為嚴(yán)重，其中一個(gè)電容擊穿，其余有幾個(gè)電容發(fā)熱閥打開(kāi)，確定為外部受熱，導(dǎo)致電容損壞，電容損壞后，電容瞬間短路，導(dǎo)致IGBT短路爆炸?？梢源_定的是，變頻器的這些故障，都是由于變頻器過(guò)熱所導(dǎo)致的。

3.2.2 功率單元損壞原因（1）高壓變頻器在8月18日出現(xiàn)接地故障。接地故障是由于變頻器電壓不平衡，這樣總的電壓就會(huì)下降，而變頻器的高壓與控制系統(tǒng)的低壓系統(tǒng)屬于一個(gè)母線，導(dǎo)致控制系統(tǒng)的電壓降低，由于控制部分由UPS供電，對(duì)它沒(méi)有任何影響；但對(duì)于風(fēng)機(jī)影響較大，風(fēng)機(jī)的電壓降低，風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就會(huì)降低，那么變頻器的散熱就會(huì)受到影響，同時(shí)空調(diào)的正常工作受到了影響，其冷卻能力打了折扣，這就解釋了為什么變頻器在5：07分出現(xiàn)變頻器A4overtemperature報(bào)警，但因熱量已經(jīng)在內(nèi)部累積，無(wú)法將這些熱量及時(shí)散發(fā)出去。（2）變頻器通風(fēng)系統(tǒng)不能滿足要求?，F(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)變頻器的房間已經(jīng)形成負(fù)壓，打開(kāi)房間的門(mén)是十分困難的，需要很大的力氣才能打開(kāi)，測(cè)量濾網(wǎng)上的風(fēng)速，發(fā)現(xiàn)最低的地方是1.3米/S，最高的地方是2.3米每秒，可以看出，糾其原因是因?yàn)闉V網(wǎng)堵塞，造成風(fēng)速不均勻，并且房間發(fā)生負(fù)壓，產(chǎn)生的熱量不能有效的排出變頻器柜外，這也是過(guò)熱的原因之一?！　?/p>

綜上，以上兩種因素導(dǎo)致變頻器內(nèi)部產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)排除柜外，而在柜內(nèi)累積。即使后來(lái)風(fēng)機(jī)的速度恢復(fù)正常，但由于一直以來(lái)變頻器的散熱已經(jīng)處于臨界狀態(tài)飽和，內(nèi)部累積的熱量加上后來(lái)產(chǎn)生的熱量無(wú)法及時(shí)排除柜外，最終造成變頻器過(guò)熱而損壞功率單元，這就是此次事故的原因?！　?/p>

3.3 對(duì)策　根據(jù)以上的原因，可以采取措施來(lái)改善目前的狀況：（1）由于目前房間的濾網(wǎng)是固定式的，當(dāng)濾網(wǎng)發(fā)生堵塞的時(shí)候，房間的進(jìn)風(fēng)量減少，不能滿足要求，從而房間負(fù)壓增大。建議要將房間進(jìn)風(fēng)口的濾網(wǎng)做成可更換式的，準(zhǔn)備兩套濾網(wǎng)，定期檢查，定期清潔，保持清潔就是保持通風(fēng)良好，保證進(jìn)風(fēng)量充足。（2）變頻器的發(fā)熱量主電路約占98%，控制電路占2%，其散熱主要靠柜頂風(fēng)機(jī)風(fēng)扇散熱，將變頻器箱體內(nèi)部熱量帶走。如果此風(fēng)扇電源不穩(wěn)定，則風(fēng)扇的風(fēng)量就會(huì)波動(dòng)，絕對(duì)影響變頻器的散熱。（3）降低安裝環(huán)境溫度：由于變頻器是電子裝置，內(nèi)含電子元、電解電容等，所以溫度對(duì)其壽命影響比較大。高壓變頻器的環(huán)境運(yùn)行溫度一般要求-10℃～-50℃，如果能夠采取措施盡可能降低變頻器運(yùn)行溫度，那么變頻器的使用壽命就延長(zhǎng)，性能也比較穩(wěn)定?！　?/p>

4、結(jié)語(yǔ)　本文通過(guò)對(duì)高壓變頻的基本構(gòu)成及技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐的分析，提出了解決這些問(wèn)題的實(shí)際對(duì)策，隨著新技術(shù)和新理論不斷在變頻器上的應(yīng)用，變頻器存在的這些問(wèn)題有望通過(guò)變頻器本身的功能和補(bǔ)償來(lái)解決。隨著工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)和社會(huì)環(huán)境對(duì)變頻器的要求不斷提高，滿足實(shí)際需要的真正“綠色”變頻器也會(huì)不久面世。