一.市場(chǎng)意義，我國(guó)電力工業(yè)2004年底發(fā)電總裝機(jī)容量達(dá)到4.4億kW，年發(fā)電量達(dá)到了218700億kWh。平均每年15%的增長(zhǎng)速度，滿足不了社會(huì)日益增長(zhǎng)的電力需求。連續(xù)四年的“電荒”，已讓國(guó)民經(jīng)濟(jì)遭受了一萬億元的巨大損失。一方面電力供給不足，另一方面我國(guó)低效率、高電耗的工業(yè)裝備和民用設(shè)施還在迅速增長(zhǎng)，單位GDP產(chǎn)能消耗的電能為發(fā)達(dá)國(guó)家的3-5倍。同國(guó)際先進(jìn)水平的差距仍在繼續(xù)拉大。
目前，全世界正在為能源緊缺而困擾，我國(guó)的能源形勢(shì)尤其嚴(yán)峻。在這樣的背景下，國(guó)家頒布了《節(jié)能法》，并號(hào)召各級(jí)政府、廠礦企業(yè)為建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)而努力。推動(dòng)社會(huì)各方面的節(jié)能改造，是當(dāng)前重要工作之一。
     節(jié)能改造有各種不同的方面，如加強(qiáng)廢物利用、利用可再生能源、禁用耗能設(shè)備等，但是，通過對(duì)拖動(dòng)風(fēng)機(jī)、水泵、空氣壓縮機(jī)的高電壓大功率電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速方式來實(shí)現(xiàn)節(jié)能，無疑是潛力比較大的節(jié)能方式。風(fēng)機(jī)和水泵在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門的數(shù)量眾多，分布面極廣，耗電量巨大。據(jù)有關(guān)部門的統(tǒng)計(jì)，全國(guó)風(fēng)機(jī)、水泵電動(dòng)機(jī)裝機(jī)總?cè)萘考s35000MW，耗電量約占全國(guó)電力消耗總量的40%左右。目前，風(fēng)機(jī)和水泵大多數(shù)還采用定速運(yùn)行的方式，利用閥門或擋板的節(jié)流進(jìn)行調(diào)節(jié)，如果采用調(diào)速節(jié)能，據(jù)估計(jì)可達(dá)300～500億kWh/年，相當(dāng)于6～10個(gè)裝機(jī)容量為1000MW級(jí)的大型火力發(fā)電廠的年發(fā)電總量。
風(fēng)機(jī)、水泵類負(fù)載80%的耗電集中在高壓大功率電動(dòng)機(jī)上，功率大多集中在300-5000KW之間，分布在各大電廠、自來水廠、鋼廠、石油化工企業(yè)，進(jìn)行節(jié)能改造易于操作；經(jīng)過前期的論證和選擇，改造后節(jié)能一般在20%-40%之間。
    3250kW/6kV是迄今為止我公司生產(chǎn)的比較大功率的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，也是目前國(guó)產(chǎn)高壓交-直-交電壓源型變頻調(diào)速系統(tǒng)達(dá)到的比較大功率，其額定輸出電流達(dá)到400A。3250kW/6kV高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的開發(fā)成功，進(jìn)一步滿足了市場(chǎng)對(duì)大容量高品質(zhì)高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的需求，標(biāo)志著我公司高壓大功率變頻器技術(shù)又邁上了一個(gè)新的臺(tái)階。
下面就其系統(tǒng)原理、功能特點(diǎn)、應(yīng)用范圍、優(yōu)化設(shè)計(jì)、技術(shù)參數(shù)等方面進(jìn)行詳細(xì)闡述。
二.系統(tǒng)原理
HARSVERT-A系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)采用直接“高-高”變換形式，為單元串聯(lián)多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)由多組功率模塊串聯(lián)而成，從而由各組低壓疊加而產(chǎn)生需要的高壓輸出，它對(duì)電網(wǎng)諧波污染小，輸入電流諧波畸變小于4%，電網(wǎng)輸入電壓諧波畸變小于2%，直接滿足IEEE519-1992的諧波抑制標(biāo)準(zhǔn)，輸入功率因數(shù)高，不必采用輸入諧波濾波器和功率因數(shù)補(bǔ)償裝置；輸出波形質(zhì)量好，輸出電流諧波畸變小于2%，不存在諧波引起的電機(jī)附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題，不必加輸出濾波器，就可以使用普通的異步電機(jī)。3250kW/6KV高壓變頻系統(tǒng)共有15個(gè)功率單元，每5個(gè)功率單元串連構(gòu)成一相，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖，其中(1)為高壓開關(guān)；(2)為干式移相隔離變壓器；(3)為電動(dòng)機(jī)；(4)為功率單元；(5)為主控箱；(6)人機(jī)接口；(7)為可編程控制器；(8)為電流霍爾；(9)為電壓檢測(cè)。

功率單元
每個(gè)功率單元分別由輸入變壓器的一組副邊供電，功率單元之間及變壓器二次繞組之間相互絕緣，二次繞組采用延邊三角形接法，實(shí)現(xiàn)多重化，以達(dá)到降低輸入諧波電流的目的。每個(gè)功率單元結(jié)構(gòu)上完全一致，可以互換，其電路結(jié)構(gòu)圖如下，系統(tǒng)為基本的單相逆變電路，整流側(cè)為二極管三相全橋，IGBT逆變橋的控制方式為PWM控制，并且有自動(dòng)單元旁路功能。
功率單元內(nèi)器件承受的比較高電壓為單元內(nèi)直流母線的電壓，可以直接使用低壓功率器件，器件不必串聯(lián)，不存在器件串聯(lián)引起的均壓?jiǎn)栴}，而且功率單元中采用的低壓IGBT功率模塊，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟可靠，器件工作在低壓狀態(tài)，不易發(fā)生故障。
單元旁路功能：當(dāng)某個(gè)功率模塊發(fā)生故障時(shí)自動(dòng)旁路運(yùn)行，變頻裝置不停機(jī)，但需降額使用，即在每個(gè)功率單元輸出端之間并聯(lián)旁路電路，當(dāng)功率單元故障時(shí)，封鎖該功率單元IGBT的觸發(fā)信號(hào)，然后讓旁路SCR導(dǎo)通，保證電機(jī)電流能通過，仍形成通路。這樣能維持生產(chǎn)要求，大大提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。
三.HARSVERT-A系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)性能特點(diǎn)
Ø 變頻器為高－高結(jié)構(gòu)，6kV直接輸出，不需輸出升壓變壓器，輸出為單元串聯(lián)移相式PWM方式；
Ø 系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)，包括輸入干式隔離變壓器，變頻器等所有部件及內(nèi)部連線，用戶只須連接高壓輸入、高壓輸出、低壓控制電源和控制信號(hào)線即可。整套系統(tǒng)在出廠前進(jìn)行整體測(cè)試；
Ø 30脈沖輸入符合并優(yōu)于IEEE519～1992及GB/T14549～93標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電壓失真和電流失真比較嚴(yán)格的要求；
Ø 在20～100%的負(fù)載變化情況內(nèi)達(dá)到或超過0.95的功率因數(shù)，并且電流諧波少，無須功率因數(shù)補(bǔ)償/諧波抑制裝置；
Ø 無需濾波器變頻器就可輸出正弦輸出電流和電壓波形，對(duì)電機(jī)沒有特殊的要求，可以使用普通異步電機(jī)，電機(jī)不必降額使用。具有軟起動(dòng)功能，沒有電機(jī)啟動(dòng)沖擊引起的電網(wǎng)電壓下跌，可確保電機(jī)安全、長(zhǎng)期運(yùn)行；
Ø 變頻裝置輸出波形不會(huì)引起電機(jī)的諧振，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小于0.1%。可避免風(fēng)機(jī)喘振現(xiàn)象。變頻器有共振點(diǎn)頻率跳躍功能；
Ø 變頻裝置對(duì)輸出電纜無特殊要求，電機(jī)不會(huì)受到共模電壓和dv/dt的影響；
Ø 變頻器可在輸出不帶電機(jī)的情況下進(jìn)行空載調(diào)試，也可在沒有6kV高壓情況下用低壓電進(jìn)行空載調(diào)試；
Ø 控制系統(tǒng)采用全數(shù)字微機(jī)控制，有很強(qiáng)的自診斷功能，能對(duì)所發(fā)生的故障類型及故障位置提供中文指示，能在就地顯示并遠(yuǎn)方報(bào)警，便于運(yùn)行人員和檢修人員能辨別和解決所出現(xiàn)的問題；
Ø 具有就地監(jiān)控方式和遠(yuǎn)方監(jiān)控方式。在就地監(jiān)控方式下，通過變頻器上的觸摸屏顯示，可進(jìn)行就地人工啟動(dòng)、停止變頻器，可以調(diào)整轉(zhuǎn)速、頻率；就地控制窗口采用中文操作界面，功能設(shè)定、參數(shù)設(shè)定等均采用中文。賣方提供的變頻裝置支撐軟件為漢化的比較新的正版軟件；
Ø 變頻器高壓主回路與控制器之間為光纖連接，具有很高的通信速率和抗干擾能力，安全性好；
Ø 轉(zhuǎn)矩特性：0～50Hz恒轉(zhuǎn)矩特性，額定轉(zhuǎn)矩輸出，轉(zhuǎn)矩階躍響應(yīng)＜200ms。50Hz以上恒功率特性，比較大轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比下降；
Ø 輸出頻率0-60Hz(根據(jù)電機(jī)情況可設(shè)定)；
Ø 變頻器抗地震能力為7級(jí)，振動(dòng)0.5G；
Ø 臨界速度可跳過(共2組，可任意設(shè)定)；
Ø 安裝、設(shè)定、調(diào)試簡(jiǎn)便；
Ø 功率電路模塊化設(shè)計(jì)，維護(hù)簡(jiǎn)單；
Ø 完整的故障監(jiān)測(cè)電路、精確的故障報(bào)警保護(hù)；
Ø 自帶冷卻風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)電源與控制電源分開取電，電源取自輸入側(cè)變壓器；
Ø 內(nèi)置PLC，易于改變控制邏輯關(guān)系，適應(yīng)多變的現(xiàn)場(chǎng)需要；
Ø 可靈活選擇現(xiàn)場(chǎng)控制/遠(yuǎn)程控制；
Ø 可接受和輸出0～10V/4～20mA工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)；
Ø 可根據(jù)用戶需要內(nèi)置PID調(diào)節(jié)器；
Ø 完整的通用變頻器參數(shù)設(shè)定功能；
Ø 優(yōu)異的性能/價(jià)格比；
Ø 自備UPS，可維持30分鐘。
Ø 旋轉(zhuǎn)再起動(dòng)功能
Ø 單個(gè)功率單元故障時(shí)，輸出電壓仍可達(dá)到93%以上，在大多數(shù)情況下不影響負(fù)載的運(yùn)行。
四.高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用范圍
火力發(fā)電：引風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)、吸塵風(fēng)機(jī)、凝結(jié)泵、排污泵、鍋爐給水泵等；
冶 金：引風(fēng)機(jī)、除塵風(fēng)機(jī)、通風(fēng)機(jī)、泥漿泵、除垢泵等；
石油化工：主管道泵、注水泵、循環(huán)水泵、鍋爐給水泵、電潛泵、鹵水泵、引風(fēng)機(jī)、除垢泵等；
市政供水：水泵等；
污水處理：污水泵、凈化泵、清水泵等；
水泥制造：窯爐引風(fēng)機(jī)、壓力送風(fēng)機(jī)、冷卻器吸塵風(fēng)機(jī)、生料碾磨機(jī)、窯爐供氣風(fēng)機(jī)、
冷卻器排風(fēng)機(jī)、分選器風(fēng)機(jī)、主吸塵風(fēng)機(jī)等；
造 紙：打漿機(jī)等；
制 藥：清洗泵等；
其 它：風(fēng)洞試驗(yàn)等。
五.3250kW/6kV高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)
3250kW/6kV高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)主要由控制柜、功率柜、變壓器柜三大部分組成，其各個(gè)部分不僅繼承了以前產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)，而且在產(chǎn)品外觀、可靠性、模塊設(shè)計(jì)、散熱設(shè)計(jì)等各方面都作了許多的改進(jìn)，具有一些新的特點(diǎn)，如下所示。
1．3250kW/6kV與2500kW/6kV高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的功率柜部分尺寸完全相同，這樣就相當(dāng)于把2500kW/6kV高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)整流逆變部分的功率密度提高了30%。
我們通過在設(shè)計(jì)上采用新的散熱器（與2500kW/6kV使用的散熱器外形尺寸相同，散熱面積增大一倍），新型號(hào)的電解電容，IGBT等，成功的解決了電解電容的容量和功率模塊的發(fā)熱等一系列的問題，大大提高了系統(tǒng)的功率密度，減小了設(shè)備的體積，為變頻器的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供了方便。
2．系統(tǒng)全部使用新的拼裝機(jī)柜。
拼裝機(jī)柜不僅外觀上更加美觀，而且提高了機(jī)柜的強(qiáng)度，門與柜體間安裝了新的壓條式密封條，增強(qiáng)了門的密封性能，提高了系統(tǒng)的防護(hù)等級(jí)。我們通過將變壓器柜底座密封，在變壓器柜柜門上加裝通風(fēng)濾網(wǎng)，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的散熱風(fēng)道等，使系統(tǒng)的防護(hù)等級(jí)從IP20提高到IP31，通過特殊設(shè)計(jì)，還可以達(dá)到IP42。
3．系統(tǒng)安裝了更加友好的人機(jī)界面，并采用了低功耗、可靠性高的嵌入式人機(jī)界面。
新的人機(jī)界面集成了變頻器產(chǎn)品在各個(gè)行業(yè)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)各個(gè)不同的用戶，只需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況在界面中進(jìn)行設(shè)置即可，不需要對(duì)程序進(jìn)行改動(dòng)，這樣就避免了因?yàn)轭l繁改動(dòng)程序而造成失誤的可能，提高了軟件的可靠性；新的嵌入式人機(jī)界面取消了老式工控機(jī)中的一些易損部件，例如CPU風(fēng)扇，電源風(fēng)扇等，并用閃存代替了硬盤存儲(chǔ)器，使操作界面的可靠性更高，真正實(shí)現(xiàn)了免維護(hù)；系統(tǒng)采用微軟公司的Windows CE操作系統(tǒng)代替了Windows 2000操作系統(tǒng)，使之更加適合變頻器產(chǎn)品，進(jìn)一步提高變頻器產(chǎn)品的可靠性。
4．系統(tǒng)優(yōu)化了電量的檢測(cè)電路。
高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)需要檢測(cè)輸入、輸出側(cè)的電量參與控制和顯示，在3250kw/6kV系統(tǒng)中，改變了原來的檢測(cè)電路體積大、結(jié)構(gòu)笨重的不足，提高了變頻器低頻運(yùn)行時(shí)的檢測(cè)精度，不僅提高了系統(tǒng)的性能，更為下一步高性能的變頻器—矢量控制型高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。
 

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