第二部分高壓變頻系統(tǒng)組成

第二部分高壓變頻系統(tǒng)組成第1頁，課件共19頁，創(chuàng)作于2023年2月HIVERT系列高壓變頻器采用交-直-交直接高壓（高-高）方式，主電路開關(guān)元件為IGBT。由于IGBT耐壓所限，無法直接逆變輸出6kV、10kV，又因開關(guān)頻率高、均壓難度大等技術(shù)難題無法完成直接串聯(lián)。HIVERT變頻器采用功率單元串聯(lián)，疊波升壓，充分利用常壓變頻器的成熟技術(shù)，因而具有很高的可靠性。第2頁，課件共19頁，創(chuàng)作于2023年2月1.輸入側(cè)：移相變壓器輸入側(cè)移相變壓器將網(wǎng)側(cè)高壓變換為副邊的多組低壓，各副邊繞組在繞制時(shí)采用延邊三角接法，相互之間有一定的相位差相位差為60°/n。第3頁，課件共19頁，創(chuàng)作于2023年2月這種多級(jí)移相疊加的整流方式，能夠消除大部分由獨(dú)立功率單元引起的諧波電流，可以大大改善網(wǎng)側(cè)的電流波形，使變頻器網(wǎng)側(cè)電流近似為正弦波，使其負(fù)載下的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)達(dá)到0.95以上。每個(gè)功率單元分別由輸入變壓器的一組副邊供電圖2.2為6kV系列（每相五個(gè)單元串聯(lián)）輸入電流實(shí)錄波形，幾近完美的正弦波。圖2.2輸入電流波形第4頁，課件共19頁，創(chuàng)作于2023年2月2.輸出側(cè)變頻器輸出是將多個(gè)三相輸入、單相輸出的低壓功率單元的輸出串聯(lián)疊波得到。三相輸出Y接，中性點(diǎn)懸浮，得到驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需的可變頻三相高壓電源。圖2.3為6kV和10kV變頻器系列的電壓疊加示意圖。圖2.3a6kV（5單元串聯(lián)）電壓疊加圖

圖2.3b10kV電壓疊加圖第5頁，課件共19頁，創(chuàng)作于2023年2月圖2.4為五個(gè)690VAC功率單元串聯(lián)時(shí)，每個(gè)功率單元輸出的電壓波形及其串聯(lián)后輸出的相電壓波形示意圖，可以得到5～0～-5共11個(gè)不同的電壓等級(jí)。增加電壓等級(jí)的同時(shí)，每個(gè)等級(jí)的電壓值大為降低，從而減小了dv/dt對電機(jī)絕緣的破壞，并大大削弱了輸出電壓的諧波含量，圖2.5為6kV五單元變頻器輸出的Uab線電壓波形實(shí)錄圖，峰值電壓為8.5KV。因?yàn)殡姍C(jī)電感的濾波效果，輸出電流波形更優(yōu)于電壓波形，圖2.6即為輸出電流Ia的實(shí)錄波形圖，峰值電流130A。電壓等級(jí)數(shù)量的增加，大大改善了變頻器的輸出性能，輸出波形幾乎接近正弦波。圖2.46kV系列5單元輸出及相電壓波形示意圖圖2.5輸出線電壓波形圖2.6輸出電流波形第6頁，課件共19頁，創(chuàng)作于2023年2月二、功率單元

功率單元原理見圖2.7，輸入電源端R、S、T接變壓器二次線圈的三相低壓輸出，三相二極管全波整流為直流環(huán)節(jié)電容充電，電容上的電壓提供給由IGBT組成的單相H形橋式逆變電路。功率單元通過光纖接收信號(hào)，采用空間矢量正弦波脈寬調(diào)制（PWM）方式，控制Q1～Q4IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷，輸出單相脈寬調(diào)制波形。每個(gè)單元僅有三種可能的輸出電壓狀態(tài)，當(dāng)Q1和Q4導(dǎo)通時(shí)，L1和L2的輸出電壓狀態(tài)為1；當(dāng)Q2和Q3導(dǎo)通時(shí)，L1和L2的輸出電壓狀態(tài)為-1；當(dāng)Q1和Q2或者Q3和Q4導(dǎo)通時(shí)，L1和L2的輸出電壓狀態(tài)為0。圖2.7功率單元原理圖第7頁，課件共19頁，創(chuàng)作于2023年2月功率單元可選單元旁路功能，當(dāng)某個(gè)單元發(fā)生缺相故障、過熱和IGBT故障而不能繼續(xù)工作時(shí)，該單元及其另外兩相相應(yīng)位置上的單元將自動(dòng)旁路，此時(shí)旁路開關(guān)K導(dǎo)通，以保證變頻器連續(xù)工作，并發(fā)出旁路報(bào)警。單元旁路時(shí)，變頻器因運(yùn)行單元數(shù)量減少，額定輸出電壓能力將降低，但當(dāng)變頻器本身運(yùn)行頻率較低，如6kV系列運(yùn)行頻率低于40Hz時(shí)，10kV系列運(yùn)行頻率低于43.7Hz時(shí)，變頻器將自動(dòng)提高工作單元的輸出電壓，而保證變頻器輸出性能不變，實(shí)現(xiàn)無擾動(dòng)自動(dòng)旁路。第8頁，課件共19頁，創(chuàng)作于2023年2月每個(gè)功率單元內(nèi)均有一塊控制板和一塊驅(qū)動(dòng)板?？刂瓢逶韴D見圖2.8?？刂瓢逋ㄟ^光纖（XS4）接收來自控制器的信號(hào)，經(jīng)接收解碼器解碼后用于對IGBT及旁路開關(guān)（可選）的控制。同時(shí)，控制板上還有各種單元故障檢測電路，如過熱檢測、缺相檢測、直流母線過壓檢測、電源故障監(jiān)測、光纖故障監(jiān)測、驅(qū)動(dòng)故障檢測等，這些故障信號(hào)經(jīng)過故障編碼邏輯電路編碼后，由光纖（XS3）發(fā)送回控制器，實(shí)現(xiàn)故障保護(hù)（接口板輸出故障保護(hù)跳閘及故障報(bào)警指示）和故障記憶（人機(jī)界面顯示故障原因、時(shí)間、位置，并保存）?？刂瓢迳系目刂齐娫粗苯尤∽灾绷髂妇€（通過XS1），經(jīng)過開關(guān)電源的隔離和變換后得到所需控制電源。因此，高壓電源失電后，控制電源并不會(huì)立即消失，控制板上的電源指示燈經(jīng)過幾分鐘后才能熄滅。這種取電方式可以確保高壓電源瞬時(shí)停電跟蹤功能的實(shí)現(xiàn)。第9頁，課件共19頁，創(chuàng)作于2023年2月圖2.8單元控制板原理圖第10頁，課件共19頁，創(chuàng)作于2023年2月圖2.9為單元驅(qū)動(dòng)板原理圖。驅(qū)動(dòng)板用于產(chǎn)生4個(gè)IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并將IGBT的故障信號(hào)反饋到單元控制板。驅(qū)動(dòng)板通過端子XS5與控制板端子XS6相連，其中L控制左橋臂上的Q1、Q3兩個(gè)IGBT，R控制右橋臂上的Q2、Q4兩個(gè)IGBT，Q1、Q3和Q2、Q4通過反相器互鎖；/INHB為IGBT禁止信號(hào)；/DR為IGBT的故障信號(hào)，反饋回控制板用于單元保護(hù)。

驅(qū)動(dòng)板上的電源來自控制板，其中+15V電源被隔離成4路電源，分別用于4個(gè)IGBT的驅(qū)動(dòng)。圖2.9單元驅(qū)動(dòng)板原理圖第11頁，課件共19頁，創(chuàng)作于2023年2月三、控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)由控制器、IO接口板和人機(jī)界面組成，各部分之間的聯(lián)系，如圖2.10HIVERT變頻器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖所示。

圖2.10HIVERT變頻器控制系統(tǒng)圖（10kV系列）第12頁，課件共19頁，創(chuàng)作于2023年2月

控制器由三塊光纖板、一塊信號(hào)板、一塊主控板和一塊電源板組成，各板之間通過總線底板連接，如圖2.11所示。光纖板通過光纖與功率單元傳遞數(shù)據(jù)信號(hào)，每塊光纖板控制一相的所有單元。光纖板周期性向單元發(fā)出脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)或工作模式。單元通過光纖接收其觸發(fā)指令和狀態(tài)信號(hào)，并在故障時(shí)向光纖板發(fā)出故障代碼信號(hào)。信號(hào)板采集變頻器的輸出電壓、電流信號(hào)，并將模擬信號(hào)隔離、濾波和量程轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后的信號(hào)用于變頻器控制、保護(hù)，以及提供給主控板數(shù)據(jù)采集。主控板采用高速單片機(jī)，完成對電機(jī)控制的所有功能，運(yùn)用正弦波空間矢量方式產(chǎn)生脈寬調(diào)制的三相電壓指令。通過RS232通訊口與人機(jī)界面主控板進(jìn)行交換數(shù)據(jù)，提供變頻器的狀態(tài)參數(shù)，并接受來自人機(jī)界面主控板的參數(shù)設(shè)置。第13頁，課件共19頁，創(chuàng)作于2023年2月圖2.11控制器連接圖第14頁，課件共19頁，創(chuàng)作于2023年2月人機(jī)界面為用戶提供友好的全中文操作界面，負(fù)責(zé)信息處理和與外部的通訊聯(lián)系，可選上位監(jiān)控來實(shí)現(xiàn)變頻器的網(wǎng)絡(luò)化控制，人機(jī)界面由主控板、電源板、液晶顯示屏和觸摸鍵盤組成，見圖2.12。通過主控板和IO接口板通訊來的數(shù)據(jù)，計(jì)算出電流、電壓、功率、運(yùn)行頻率等運(yùn)行參數(shù)，并實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的過載、過流報(bào)警和保護(hù)等。通過RS232通訊口與主控板連接，通過RS485通訊口與IO接口板連接，實(shí)時(shí)監(jiān)控變頻器系統(tǒng)的狀態(tài)。人機(jī)界面主控板上還有兩個(gè)模擬輸入通道，可以接收0-10V或4-20mA模擬信號(hào)，一路用于頻率或閉環(huán)運(yùn)行時(shí)的給定量模擬設(shè)定，另一路用于接收來自現(xiàn)場變送器的壓力或流量等信號(hào)。第15頁，課件共19頁，創(chuàng)作于2023年2月圖2.12人機(jī)界面原理圖第16頁，課件共19頁，創(chuàng)作于2023年2月IO接口板用于變頻器內(nèi)部開關(guān)信號(hào)以及現(xiàn)場操作信號(hào)和狀態(tài)信號(hào)的邏輯處理，增強(qiáng)了變頻器現(xiàn)場應(yīng)用的靈活性。IO接口板具有處理2路模擬量輸入和2路模擬量輸出的能力，模擬量輸入用于處理模擬設(shè)置時(shí)的設(shè)置信號(hào)和來自現(xiàn)場的流量