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高压变频器详细介绍

添加时间:2015-04-21 09:18:46   浏览次数: 次    【 】   打印   关闭窗口

变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。随着现代电力电子技术和微电子技术的迅猛发展,高压大功率变频调速装置不断地成熟起来,原来一直难于解决的高压问题,近年来通过器件串联或单元串联得到了很好的解决。
1测量仪表
面对变频器含有大量谐、畸变或是非工频的电量,准确的测量方法是采用具有FFT功能的仪器。
对于高压、大容量的变频器进行测试,由于电压、电流数值较大,一般的仪表不能满足要求,要采用电压或电流传感器,然后再接仪表进行测量。WP4000变频功率分析仪根据搭配不同的变频功率传感器最高测试可实现电压10kV、电流7000A高压变频器的输入、输出、效率测试。
  • 包括:
  • 输入值:额定输入电压、额定输入电流、额定容量、有功功率、功率因数、输入各次谐波、输入总谐波失真度。
  • 输出值:最大额定输出电压、额定连续电流、额定功率、频率范围、过载能力、输出各次谐波、输出总谐波失真度。
  • 效率:在设计的频率范围内,各个频率下的效率。

2基本原理

高压大功率变频调速装置被广泛地应用于大型矿业生产厂、石油化工、市政供水、冶金钢铁、电力能源等行业的各种风机、水泵、压缩机、轧钢机等。
在冶金、化工、电力、市政供水和采矿等行业广泛应用的泵类负载,占整个用电设备能耗的40%左右,电费在自来水厂甚至占制水成本的50%。这是因为:一方面,设备在设计时,通常都留有一定的余量;另一方面,由于工况的变化,需要泵机输出不同的流量。随着市场经济的发展和自动化,智能化程度的提高,采用高压变频器对泵类负载进行速度控制,不但对改进工艺、提高产品质量有好处,又是节能和设备经济运行的要求,是可持续发展的必然趋势。对泵类负载进行调速控制的好处甚多。从应用实例看,大多已取得了较好的效果(有的节能高达30%-40%),大幅度降低了自来水厂的制水成本,提高了自动化程度,且有利于泵机和管网的降压运行,减少了渗漏、爆管,可延长设备使用寿命。

调节方法

泵类负载的流量调节方法及原理
泵类负载通常以所输送的液体流量为控制参数,为此,常采用阀门控制和转速控制两种方法。
阀门控制
这种方法是借助改变出口阀门开度的大小来调节流量的。它是一种相沿已久的机械方法。阀门控制的实质是改变管道中流体阻力的大小来改变流量。因为泵的转速不变,其扬程特性曲线H-Q保持不变,如图1所示。
当阀门全开时,管阻特性曲线R1-Q与扬程特性曲线H-Q相交于点A,流量为Qa,泵出口压头为Ha。若关小阀门,管阻特性曲线变为R2-Q,它与扬程特性曲线H-Q的交点移到点B,此时流量为Qb,泵出口压头升高到Hb。则压头的升高量为:ΔHb=Hb-Ha。于是产生了阴线部分所示的能量损失:ΔPb=ΔHb×Qb 。
转速控制
借助改变泵的转速来调节流量,这是一种先进的电子控制方法。转速控制的实质是通过改变所输送液体的能量来改变流量。因为只是转速变化,阀门的开度不变,如图2所示,管阻特性曲线R1-Q也就维持不变。额定转速时的扬程特性曲线Ha-Q与管阻特性曲线相交于点A,流量为Qa,出口扬程为Ha。
当转速降低时,扬程特性曲线变为Hc-Q,它与管阻特性曲线R1-Q的交点将下移到C,流变为为Qc 。此时,假设将流量Qc控制为阀门控制方式下的流量Qb,则泵的出口压头将降低到Hc。因此,与阀门控制方式相比压头降低了:ΔHc=Ha-Hc。据此可节约能量为:ΔPc=ΔHc×Qb。与阀门控制方式相比,其节约的能量为:P=ΔPb+ΔPc=(ΔHb-ΔHc)×Qb。
将这两种方法相比较可见,在流量相同的情况下,转速控制避免了阀门控制下因压头的升高和管阻增大所带来的能量损失。在流量减小时,转速控制使压头反而大幅度降低,所以它只需要一个比阀门控制小得多的,得以充分利用的功率损耗。

效率分析

泵机在变速下的效率分析
随着转速的降低,泵的高效率区段将向左方移动。这说明,转速控制方式在低速小流量时,仍可使泵机高效率运行。
在变频状态下供水方式的研究
在由多点、多泵站构成的供水系统中,需对泵站出口的压头进行控制,以便与管网系统适配,达到更好的系统性能指标,这可以分为恒压供水、变压供水和分时段变压供水。
恒压供水
使泵站出口压头维持不变,是该系统控制的目标。在图4中,给定出口压头为Hg。
当流量Q变动时,因转速变化导致扬程特性H1-Q上下移动,泵的工作点将在H=Hg线上作水平移动(A、B、C、D)。这虽然满足了流量的要求,但因为管阻特性R变陡,造成了能量浪费。
恒压供水系统实施比较方便,易于和多泵站供水的中、大型管网系统相协调,具有一定的通用性,和实用性,所以有些装备调速泵机的自来水厂乐于采用此法,在恒压控制方式下,因泵站出口处的压头维持不变,使泵并联特性与负载的实际特性之间有一定的差距,节能效果不如变压供水系统。
变压供水方式
为了节约能量,应尽量使出口压头随着流量的减小而降低(至少不能升高),此时可采用泵站出口端“变压供水”方式,如图5所示。在图中,因转速下降时扬程特性下移,与管阻特性R1-Q相交于点C,流量从Qa减小到Qc(设流量Qc与恒压控制时的QB相等)。变压控制形成了较大的压差 H=Hac,因而可节约如图5阴线部分所示的能量。变压供水因出口压头降低,抑制了管阻特性变化所赞成的损耗及水泵的附加损耗,节能效果显著。

总结

通过分析,变频器在泵类负载的调速过程中,是可以供水方式进行优化的,已达到更好的节电效果。

3基本分类

高压变频器的种类繁多,其分类方法也多种多样。按着中间环节有无直流部分,可分为交交变频器和交直交变频器;按着直流部分的性质,可分为电流型和电压型变频器;按着有无中间低压回路,可分为高高变频器和高低高变频器;按着输出电平数,可分为两电平、三电平、五电平及多电平变频器;按着电压等级和用途,可分为通用变频器和高压变频器;按着嵌位方式,可分为二极管嵌位型和电容嵌位型变频器等等。

电流型

由于在变频器的直流环节采用了电感元件而得名,其优点是具有四象限运行能力,能很方便地实现电机的制动功能。缺点是需要对逆变桥进行强迫换流,装置结构复杂,调整较为困难。另外,由于电网侧采用可控硅移相整流,故输入电流谐波较大,容量大时对电网会有一定的影响。

高压型

由于在变频器的直流环节采用了电容元件而得名,随着技术的进步,高压变频器可以实现四象限运行,也能实现矢量控制,已经成为当前传动系统调速的主流产品。

高低高型

采用升降压的办法,将低压或通用变频器应用在中、高压环境中而得名。原理是通过降压变压器,将电网电压降到低压变频器额定或允许的电压输入范围内,经变频器的变换形成频率和幅度都可变的交流电,再经过升压变压器变换成电机所需要的电压等级。
这种方式,由于采用标准的低压变频器,配合降压,升压变压器,故可以任意匹配电网及电动机的电压等级,容量小的时候(<500KW)改造成本较直接高压变频器低。缺点是升降压变压器体积大,比较笨重,频率范围易受变压器的影响,还有就是由于引入了变压器使得系统效率比较低。
一般高低高变频器可分为电流型和电压型两种。

高电流型

电路拓扑结构如图1所示,在低压变频器的直流环节由于采用了电感元件而得名。输入侧采用可控硅移相控制整流,控制电动机的电流,输出侧为强迫换流方式,控制电动机的频率和相位。能够实现电机的四象限运行。

高电压型

前段引入降压变压器,将电网降压,然后连接低压变频器。低压变频器输入侧可采用可控硅移相控制整流,也可以采用二极管三相桥直接整流,中间直流部分采用电容平波并储能。逆变或变流电路常采用 IGBT元件,通过SPWM变换,即可得到频率和幅度都可变的交流电,再经升压变压器变换成电机所需要的电压等级。需要指出的是,在变流电路至升压变压器之间还需要置入正弦波滤波器(F),否则升压变压器会因输入谐波或dv/dt过大而发热,或破坏绕组的绝缘。该正弦波滤波器成本很高,一般相当于低压变频器的1/3到1/2的价格。

高高变频

高高变频器无需升降压变压器,功率器件在电网与电动机之间直接构建变换器。由于功率器件耐压问题难于解决,目前最直接的做法是采用器件串联的办法来提高电压等级,其缺点是需要解决器件均压和缓冲难题,技术复杂,难度大。但这种变频器由于没有升降压变压器,故其效率较高低高方式的高,而且结构比较紧凑。

高高电流

它采用GTO,SCR或IGCT元件串联的办法实现直接的高压变频,电压可达10KV。由于直流环节使用了电感元件,其对电流不够敏感,因此不容易发生过流故障,逆变器工作也很可靠,保护性能良好。其输入侧采用可控硅相控整流,输入电流谐波较大。变频装置容量大时要考虑对电网的污染和对通信电子设备的干扰问题。均压和缓冲电路,技术复杂,成本高。由于器件较多,装置体积大,调整和维修都比较困难。逆变桥采用强迫换流,发热量也比较大,需要解决器件的散热问题。其优点在于具有四象限运行能力,可以制动。
需要特别说明的是,该类变频器由于较低的输入功率因数和较高的输入输出谐波,故需要在其输入输出侧安装高压自愈电容。

高高电压

电路结构采用IGBT 直接串联技术,也叫直接器件串联型高压变频器。其在直流环节使用高压电容进行滤波和储能,输出电压可达13.8KV,其优点是可以采用较低耐压的功率器件,串联桥臂上的所有IGBT作用相同,能够实现互为备用,或者进行冗余设计。缺点是电平数较低,仅为两电平,输出电压dV/dt也较大,需要采用特种电动机或加装共模电压滤波器和高压正弦波滤波器,其成本会增加许多。由于它与低压变频器有着一样的拓扑结构,因此它像低压变频器一样具有四象限运行功能,也可以实现矢量控制。
这种变频器同样需要解决器件的均压问题,一般需特殊设计驱动电路和缓冲电路。对于IGBT驱动电路的延时也有极其苛刻的要求。一旦IGBT的开通、关闭的时间不一致,或者上升、下降沿的斜率相差太悬殊,均会造成功率器件的损坏.

嵌位型

钳位型变频器一般可分为二极管钳位型和电容钳位型。
二极管型
它既可以实现二极管中点嵌位,也可以实现三电平或更多电平的输出,其技术难度较直接器件串联型变频器低。由于直流环节采用了电容元件,因此它仍属于电压型变频器。这种变频器需要设置输入变压器,它的作用是隔离与星角变换,能够实现12脉冲整流,并提供中间嵌位零电平。通过辅助二极管将IGBT等功率器件强行嵌位于中间零电平上,从而使IGBT两端不会因过压而烧毁,又实现了多电平的输出。
这种变频器结构,输出可以不安装正弦波滤波器。但是由于采用了变压器,成本上有所增加。
电容型
它采用同桥臂增设悬浮电容的办法实现了功率器件的嵌位,这种变频器应用的比较少。
单元串联

基本信息

这是近几年才发展起来的一种电路拓扑结构,它主要由输入变压器、功率单元和控制单元三大部分组成。采用模块化设计,由于采用功率单元相互串联的办法解决了高压的难题而得名,可直接驱动交流电动机,无需输出变压器,更不需要任何形式的滤波器。
6KV变频器,可以有15个或者18个功率单元组成,每相由5或者6台功率单元相串联,并组成Y形连接,直接驱动电机。每台功率单元电路、结构完全相同,可以互换,也可以互为备用。
变频器的输入部分是一台移相变压器,原边Y形连接,副边采用延边三角形连接,共15到18副三相绕组,分别为每台功率单元供电。它们被平均分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三大部分,每部分具有5到6副三相小绕组,之间均匀相位偏移8.5或者10度。

特点

该变频器的特点如下:
① 采用多重化PWM方式控制,输出电压波形接近正弦波。
② 整流电路的多重化,脉冲数多达30或36,功率因数高,输入谐波小。
③ 模块化设计,结构紧凑,维护方便,增强了产品的互换性。
④ 直接高压输出,无需输出变压器。
⑤ 极低的dv/dt输出,无需任何形式的滤波器。
⑥ 采用光纤通讯技术,提高了产品的抗干扰能力和可靠性。
⑦ 功率单元自动旁通电路,能够实现故障不停机功能。

缺点

1、由于变压器采用延边三角形接法,实现8.5度或者10度的移相,由于工艺原因造成相应的误差,使得变压器内部环流大,发热量高,变压器效率低,从而整个系统效率下降。
2、由于随着负载率的不同,不是所有的功率单元都输出功率,导致谐波不能互相抵消。因此在低于额定负载时,谐波增加很快。由于同样原因,使得启动转矩较小,电机抖动及发热较大,噪声也较高。
3、由于需要保护电机不受共模电压的影响需要将电机接地,因此将共模电压引到了变压器上,使得变压器承受了更大的电应力,使得变压器可靠性降低,寿命降低。
4、由于引入了复杂的移相隔离变压器,使得成本增加。

5生产现状

发展背景

随着现代电力电子技术及计算机控制技术的迅速发展,促进了电气传动的技术革命。交流调速取代直流调速,计算机数字控制取代模拟控制已成为发展趋势。交流电机变频调速是当今节约电能,改善生产工艺流程,提高产品质量,以及改善运行环境的一种主要手段。变频调速以其高效率,高功率因数,以及优异的调速和启制动性能等诸多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。
以前的高压变频器,由可控硅整流,可控硅逆变等器件构成,缺点很多,谐波大,对电网和电机都有影响。发展起来的一些新型器件将改变这一现状,如IGBT、IGCT、SGCT等等。由它们构成的高压变频器,性能优异,可以实现PWM逆变,甚至是PWM整流。不仅具有谐波小,功率因数也有很大程度的提高。

行业特点

变频器是一种使电动机变速运行进而达到节能效果的设备,习惯上把额定电压在3kV到10kV之间的电动机称为高压电机,因此一般把针对3kV至10kV高电压环境下运行的电动机而开发的变频器称为高压变频器。与低压变频器相比,高压变频器适用于大功率风电、水泵的变频调速,可以收到显著的节能效果。
随着节能环保需求的增加以及装备升级改造步伐的加快,中国高压变频器行业呈现稳步增长态势,市场规模从2005年的11亿元增至2011年的63亿元,年复合增长率达到35.4%;在变频器中的比重也从2006年的12.9%增至2011年的22.8%。2012年随着下游行业变频化率的提升,高压变频器市场增长速度有望达到34.92%。中国高压变频器行业主要有以下几个运行特点

国产现状

随着技术研究的进一步深入,在理论上和功能上国产高压变频器已经可以与进口变频器相比肩,但是受工艺技术的限制,与进口产品的差距还是比较明显。这些状况主要表现在如下几个方面:
① 国外各大品牌的产品正加紧占领国内市场,并加快了本地化的步伐。
② 具有研发能力和产业化规模的逐年增加。
③ 国产高压变频器的功率也越做越大,目前国内最大的应用做到了20000KW。
④ 国内高压变频器的技术标准还有待规范。
⑤ 与高压变频器相配套的产业很不发达。
⑥ 生产工艺一般,可以满足变频器产品的技术要求,价格相对低廉。
⑦ 变频器中使用的功率半导体关键器件完全依赖进口,而且相当长时间内还会依赖进口。
⑧ 与发达国家的技术差距在缩小,具有自主知识产权的产品正应用在国民经济中。
⑨ 已经研制出具有瞬时掉电再恢复、故障再恢复等功能的变频器。
⑩ 部分厂家已经开发出四象限运行的高压变频器。
11矢量控制的高压变频器也已经在应用。

国外现状

国外各大品牌的变频器生产商,均形成了系列化的产品,其控制系统也已实现全数字化。几乎所有的产品均具有矢量控制功能,完善的工艺水平也是国外品牌的一大特点。在发达国家,只要有电机的场合,就会同时有变频器的存在。其现阶段发展情况主要表现如下:
① 技术开发起步早,并具有相当大的产业化规模。
② 能够提供特大功率的变频器,已超过10000KW。
③ 变频调速产品的技术标准比较完备。
④ 与变频器相关的配套产业及行业初具规模。
⑤ 能够生产变频器中的功率器件,如IGBT、IGCT、SGCT等。
⑥ 高压变频器在各个行业中被广泛应用,并取得了显著的经济效益。
⑦ 产品国际化,当地化加剧。
⑧ 新技术,新工艺层出不穷,并被大量的、快速的应用于产品中。

未来态势

交流变频调速技术是强弱电混合,机电一体的综合技术,既要处理巨大电能的转换(整流、逆变),又要处理信息的收集、变换和传输,因此它必定会分成功率和控制两大部分。前者要解决与高压大电流有关的技术问题,后者要解决的软硬件控制问题。因此,未来高压变频调速技术也将在这两方面得到发展,其主要表现为:
① 高压变频器将朝着大功率,小型化,轻型化的方向发展。
② 高压变频器将向着直接器件高压和多重叠加(器件串联和单元串联)两个方向发展。
③ 更高电压、更大电流的新型电力半导体器件将应用在高压变频器中。
④ 现阶段,IGBT、IGCT、SGCT仍将扮演着主要的角色,SCR、GTO将会退出变频器市场。
⑤无速度传感器的矢量控制、磁通控制和直接转矩控制等技术的应用将趋于成熟。
⑥ 全面实现数字化和自动化:参数自设定技术;过程自优化技术;故障自诊断技术。
⑦ 应用32位MCU、DSP及ASIC等器件,实现变频器的高精度,多功能。
⑧ 相关配套行业正朝着专业化,规模化发展,社会分工将更加明显。[1] 

发展趋势

随着本土高压变频器得到更多的用户的认可,本土品牌凭借良好的性价比优势正在逐步扩大在国内的市场份额。
品牌:国外品牌多为综合自动化供应商,拥有多种自动化产品的品牌关联效应。这种关联效应还体现在譬如渠道等其他资源的共享上。因此这种“品牌推广”对于该品牌的产品销售有很好的推动作用。而本土品牌在自动化产品结构上相对比较单一,更多的是“产品推广”的营销策略,因此有一定劣势。但是随着本土品牌在市场的逐渐历练成熟,“产品推广”的营销策略也正在向“品牌推广”转变。
另外,国外品牌也实施积极的市场策略,ABB的ACS2000系列可能就是应对国内企业风机 泵 压缩机等市场的。对于本土品牌,在电气传动领域,平方转矩或曰恒功率负载一直是其进入市场的切入点,也是传动领域的低端市场
技术:技术已经不成为进入这一行业的壁垒,而稳定性及产品性能则逐渐成为各个厂商面临的主要技术问题。国外品牌由于产品技术相对成熟,行业应用经验也相对丰富,因此在故障率,元器件质量、以及超大功率产品上用户相对比较满意。但是随着本土品牌的不断发展,这一差距也在逐步缩小。
价格:毋庸置疑,价格优势是本土品牌的巨大优势。这种优势是短期内不会改变的。而这一特点也迎合了金融危机后,用户要求性价比,注重减少项目成本的需求。
资金:由于高压变频器的单价较高,收款周期都较长,资金的充裕性成为关键的竞争力之一,在这一点上,国外品牌压力较小。通过发展,本土品牌也已积累了一定的资金实力,部分国内厂商已经拥有较充足的资金应对资金流问题以及进行产品的研发与升级。另外,广州智光、哈尔滨九洲、合康亿盛等本土品牌陆续上市,也表明这一行业如低压变频一样会出现更多资本运作。国内厂商逐步度过发展期,开始寻求资本运作,以期提升企业规模效应。
纵观国内外品牌,技术竞争,营销竞争已经进入白热化,但是随着各品牌针对的目标市场逐渐细化,市场竞争不止表现为价格,也是品牌竞争,脱离制造环节,转向前端的品牌及研发设计,后端的渠道及服务,也是这一领域可行的商业模式。
同时,如何提高管理水平,严格成本控制,优化资金流,人才引进等逐渐成为各品牌之间竞争的核心内容。这种“软实力”的竞争将在未来更加激烈。
未来我国高压变频器行业发展可能还将遵循以下四点发展策略:
一是加强中国变频器行业协会作用。通过组织和举办行业发展研讨会等方式,统一行业企业认识,避免行业出现恶性价格竞争情况;出面协调行业企业与政府、社会、上下游客户的相互关系,积极协助政府落实有关节能降耗政策。
二是以人为本。随着新产品的开发和应用拓宽进程的加速,人才的培养和补充成为未来行业能否维持高速成长的关键。变频器企业在培养和尊重人才的同时,在使用及留住人才方面,应避免无序竞争控制工程网版权所有,树立行业全局意识。
三是企业要大力发展推进产业结构和产品结构的调整,依靠科技进步,努力转变经济增长方式。健全和完善销售服务体系,提高企业整体服务水平。构建细化产业发展战略联盟,鼓励产业集中向优势企业转移。
四是大力加强国家及行业标准化工作的开展。据了解,现有涉及变频调速设备的3个标准都是以大的传动设备系统出现,变频调速设备只是作为一个部件。因此,变频调速设备还没有独立可执行的生产、检测、验收等方面的标准。对此,成立全国变频调速设备标准化技术委员会相关材料已上报国标委,行业协会今后将逐步启动变频调速设备标准的制修订工作,逐步实现变频调速设备通用标准、各行业特性标准、技术标准、产品标准、方法标准相配套的体系。

6市场发展

高压变频器行业下游可谓是冰火两重天。从下游高压变频器市场规模增速看,好的行业是水化工增幅达到10%,化工行业增幅达到7%,石化行业增幅达到6%、石油行业增幅达到6%,增速不好的的行业有冶金、建材、矿山、电力,分别萎缩7%、8%、9%、12%。
尽管,整个高压变频器市场没有出现持续的爆发式的增长,但我国变频器品牌已经涵盖了几乎所有领域,而且相对国际品牌有信价比优势。内资高压变频器的市场占比已经超过55%.从企业排名看,合康变频增长13.2%,市场占比13%,已经跻身行业首位的位置;利德华福市场占比12%、西门子占比11%、ABB占比9%、东方日立占比5%.国电四维发展速度较快,2012年增长44%,行业占比接近5%.
纵观近些年整个高压变频器市场,其价格的底线到了。内资企业价格战几乎不可能,外企还有很大利润空间。外资品牌至少还具有10%的空间,西门子、abb、东芝三菱,可能有特价,但不会全面降价。他们都通过代工或是其他品牌做,但是仍然价格高。

7常用措施高压变频器抗干扰的常用措施

(1)高压变频器的E端要与控制柜及电机的外壳相连,要接保安地,接地电阻应小于100Ω,可吸收突波干扰。
(2)高压变频器的输入或输出端加装电感式磁环滤波器。平性并绕3-4圈,有助于抑制高次谐波(此方法简单易行,价格低廉)。
(3)上述磁环滤波器还可根据现场情况加绕在高压变频器控制信号端或模拟信号给定端的
进线上。
(4)装有高压变频器的电控柜中,动力线和信号线应分开穿管走线,金属软管应接地良好。
(5)模拟信号线要选用屏蔽线,单端在高压变频器处接仿真地。
(6)还可通过调整高压变频器的载频来改善干扰。频率越低,干扰越小,但电磁噪声越大。
(7)RS485通讯口与上位机相连一定要采用光电隔离的传输方式,以提高通信系统的抗
干扰性能。
(8)外配计算机或仪表的供电要和高压变频器的动力装置供电分开,尽量避免共享一个内
部变压器。
(9)在受干扰的仪表设备方面也要进行独立屏蔽,市场上的温控器、PID调节器、PLC、传感器或变送器等仪表,都要加装金属屏蔽外壳并与保安地相连。必要时,可在此类仪表的电源进线端加装上述的电感式磁环滤波器。

8维护保养

高压变频器一般的安装环境要求:最低环境温度-5℃,最高环境温度40℃。大量研究表明,高压变频器的故障率随温度升高而成指数的上升,使用寿命随温度升高而成指数的下降,环境温度升高10℃,高压变频器使用寿命将减半。此外,高压变频器运行情况是否良好,与环境清洁程度也有很大关系。夏季是高压变频器故障的多发期,只有通过良好的维护保养工作,才能够减少设备故障的产生,请用户务必注意。
在夏季高压变频器维护时,应注意变频器安装环境的温度,定期清扫变频器内部灰尘,确保冷却风路的通畅。加强巡检,改善变频器、电机及线路的周边环境。检查是否紧固,保证各个电气回路的正确可靠连接,防止不必要的停机事故发生。

注意事项

1、 认真监视并记录变频器人机界面上的各显示参数,发现异常应即时反映
2、 认真监视并记录变频室的环境温度,环境温度应在-5℃~40℃之间。移相变压器的温升不能超过130℃
3、 夏季温度较高时,应加强变频器安装场地的通风散热。确保周围空气中不含有过量的尘埃,酸、盐、腐蚀性及爆炸性气体
4、 夏季是多雨季节,应防止雨水进入变频器内部(例如雨水顺风道出风口进入)
5、 变频器柜门上的过滤网通常每周应清扫一次;如工作环境灰尘较多,清扫间隔还应根据实际情况缩短
6、 变频器正常运行中,一张标准厚度的A4纸应能牢固的吸附在柜门进风口过滤网上
7、 变频室必须保持干净整洁,应根据现场实际情况随时清扫。
8、 变频室的通风、照明必须良好,通风散热设备(空调、通风扇等)能够正常运转。

维护项目

1、 用带塑料吸嘴的吸尘器彻底清洁变频器柜内外,保证设备周围无过量的尘埃。
2、 检查变频室的通风、照明设备,确保通风设备能够正常运转。
3、 检查变频器内部电缆间的连接应正确、可靠
4、 检查变频器柜内所有接地应可靠,接地点无生锈
5、 每隔半年(内)应再紧固一次变频器内部电缆的各连接螺母
6、 变频器长时间停机后恢复运行,应测量变频器(包括移相变压器、旁通柜主回路)绝缘,应当使用2500V兆欧表。测试绝缘合格后,才能启动变频器
7、 检查所有电气连接的紧固性,查看各个回路是否有异常的放电痕迹,是否有怪味、变色,裂纹、破损等现象
8、每次维护变频器后,要认真检查有无遗漏的螺丝及导线等,防止小金属物品造成变频器短路事故。特别是对电气回路进行较大改动后,确保电气连接线的连接正确、可靠,防止'反送电'事故的发生。

9选型事项

弊端

选择过高的电压等级造成投资过高,回收期长。电压等级的提高,电机的绝缘必须提高,使电机价格增加。电压等级的提高,使变频器中电力半导体器件的串联数量加大,成本上升。
可见,对于200~2000kW的电机系统采用6kV、10kV电压等级是极不经济、很不合理的。

相数关系

变频器装置投入6kV电网必须符合国家有关谐波抑制的规定。这和电网容量和装置的额定功率有关。
短路容量在1000MVA以内,1000kW装置12相(变压器副边双绕组)即可,如果24相功率就可达2000kW,12相基本上消除了幅值较大的5次和7次谐波。
整流相数超过36相后,谐波电流幅值降低不显著,而制造成本过高。如果电网短路容量2000MVA,则装置容许容量更大。

节约投资

从电力电子器件特性及安全系数考虑电压等级的必要性,受电力电子器件电压及电机允许的dv/dt限制,6kV变频器必须采用多电平或多器件串联,造成线路复杂,价格昂贵,可靠性差。对于6kV变频器若是用1700VIGBT,以美国罗宾康的PERFECTHARMONY系列6kV高压变频器为例,每相由5个额定电压为690V的功率单元串联,三相共60只器件。若是用3300V器件,也需3串共30只器件,数量巨大。另一方面装置电流小,器件的电流能力得不到充分利用,以560kW为例,6kV电机电流仅60A左右,而1700V的IGBT电流已达2400A,3300V器件电流达1600A,有大器件不能用,偏要用大量小器件串联,极不合理。即使电机功率达2000kW,电流也只有140A左右,仍很小。
国外的中压变频器有多个电压等级:1.1kV,2.3kV,3kV,4.2kV,6kV,它们主要由电力电子器件的电压等级所确定。
输出同样功率的变频器,使用较高电压或较多单元串联所花的代价大于用较低电压,较少数量而电流较大单元的代价,也就是说在器件电流允许条件下应尽可能选用低的电压等级。

隔离问题

为了隔离、改善输入电流及减小谐波,所有的中压“直接变频”器都不是真正的直接变频,其输入侧都装有输入变压器,这种配置短时间内不会改变。既然输入侧有变压器,变频器和电机的电压就没有必要和电网一样,非用10kV和6kV不可,功率2500kW以下电压可以不超过3kV,因此就有了变频器和电机的合理电压等级问题。
200kW~800kW以下的变频调速宜选用380V或660V电压等级。它线路简单,技术成熟,可靠性高,dv/dt小,价格便宜。仍以560kW电机为例,630kW660V的低压变频器约35万,而同容量6000V中压变频器约90万。实现的方法有低-低,低-高,高-低和高-低-高等几种形式。由于电机,变压器的价格远低于变频器,即使更换电机、变压器也合理。

如何配套

原有6kV高压电机如何与3.5kV变频器电压配套
自建国以来传统的6kV高压电机是已投产的主要产品,为了推广3.5kV变频器不可能再花钱更换电机,作者提出一个简便方案,以供参考。
制造厂原有6kV电机一般均为星形接线,其相绕组承受实际电压为3468V,故只要将绕组改接成三角形其它不变。配3.5kV变频器就把变频器电压从6kV下降到3.5kV,从表3可见4.5kV器件不串联就可承受3kV耐压。如果用1.7kV器件3串即可。制造成本将下降30%。而我国目前30MW机组最大电机2500kW采用3.5kV电压完全合理。

谐波污染

从实用角度整流桥组成12相整流可消除5、7次谐波已基本满足电网谐波要求。因此400kW~800kW采用12相整流即可,1000kW~2500kW采用24相也可以符合要求

10故障预防

由主回路、电源回路、IPM驱动及保护回路、冷却风扇等几部分组成。其结构多为单元化或模块化形式。由于使用方法不正确或设置环境不合理,将容易造成变频器误动作及发生故障,或者无法满足预期的运行效果。为防患于未然,事先对故障原因进行认真分析尤为重要。

主回路

主回路主要由三相或单相整流桥、平滑电容器、滤波电容器、IPM逆变桥、限流电阻、接触器等元件组成。其中许多常见故障是由电解电容引起。电解电容的寿命主要由加在其两端的直流电压和内部温度所决定,在回路设计时已经选定了电容器的型号,所以内部的温度对电解电容器的寿命起决定作用。电解电容器会直接影响到变频器的使用寿命,一般温度每上升10 ℃,寿命减半。因此一方面在安装时要考虑适当的环境温度,另一方面可以采取措施减少脉动电流。采用改善功率因数的交流或直流电抗器可以减少脉动电流,从而延长电解电容器的寿命。
在电容器维护时,通常以比较容易测量的静电容量来判断电解电容器的劣化情况,当静电容量低于额定值的80%,绝缘阻抗在5 MΩ以下时,应考虑更换电解电容器。

典型故障

故障现象:变频器在加速、减速或正常运行时出现过电流跳闸。
首先应区分是由于负载原因,还是变频器的原因引起的。如果是变频器的故障,可通过历史记录查询在跳闸时的电流,超过了变频器的额定电流或电子热继电器的设定值,而三相电压和电流是平衡的,则应考虑是否有过载或突变,如电机堵转等。在负载惯性较大时,可适当延长加速时间,此过程对变频器本身并无损坏。若跳闸时的电流,在变频器的额定电流或在电子热继电器的设定范围内,可判断是IPM模块或相关部分发生故障。首先可以通过测量变频器的主回路输出端子U、V、W, 分别与直流侧的P、N端子之间的正反向电阻,来判断IPM模块是否损坏。如模块未损坏,则是驱动电路出了故障。如果减速时IPM模块过流或变频器对地短路跳闸,一般是逆变器的上半桥的模块或其驱动电路故障;而加速时IPM模块过流,则是下半桥的模块或其驱动电路部分故障,发生这些故障的原因,多是由于外部灰尘进入变频器内部或环境潮湿引起。

控制回路

控制回路影响变频器寿命的是电源部分,是平滑电容器和IPM电路板中的缓冲电容器,其原理与前述相同,但这里的电容器中通过的脉动电流,是基本不受主回路负载影响的定值,故其寿命主要由温度和通电时间决定。由于电容器都焊接在电路板上,通过测量静电容量来判断劣化情况比较困难,一般根据电容器环境温度以及使用时间,来推算是否接近其使用寿命。
电源电路板给控制回路、IPM驱动电路和表面操作显示板以及风扇等提供电源,这些电源一般都是从主电路输出的直流电压,通过开关电源再分别整流而得到的。因此,某一路电源短路,除了本路的整流电路受损外,还可能影响其他部分的电源,如由于误操作而使控制电源与公共接地短接,致使电源电路板上开关电源部分损坏,风扇电源的短路导致其他电源断电等。一般通过观察电源电路板就比较容易发现。
逻辑控制电路板是变频器的核心,它集中了CPU、MPU、RAM、EEPROM等大规模集成电路,具有很高的可靠性,本身出现故障的概率很小,但有时会因开机而使全部控制端子同时闭合,导致变频器出现EEPROM故障,这只要对EEPROM重新复位就可以了。
IPM电路板包含驱动和缓冲电路,以及过电压、缺相等保护电路。从逻辑控制板来的PWM信号,通过光耦合将电压驱动信号输入IPM模块,因而在检测模快的同时,还应测量IPM模块上的光耦。

冷却系统

冷却系统主要包括散热片和冷却风扇。其中冷却风扇寿命较短,临近使用寿命时,风扇产生震动,噪声增大最后停转,变频器出现IPM过热跳闸。冷却风扇的寿命受陷于轴承,大约为10000~35000 h。当变频器连续运转时,需要2~3年更换一次风扇或轴承。为了延长风扇的寿命,一些产品的风扇只在变频器运转时而不是电源开启时运行。

电磁感应

如果变频器周围存在干扰源,它们将通过辐射或电源线侵入变频器的内部,引起控制回路误动作,造成工作不正常或停机,严重时甚至损坏变频器。减少噪声干扰的具体方法有:变频器周围所有继电器、接触器的控制线圈上,加装防止冲击电压的吸收装置,如RC浪涌吸收器,其接线不能超过20 cm;尽量缩短控制回路的配线距离,并使其与主回路分离;变频器控制回路配线绞合节距离应在15 mm以上,与主回路保持10 cm以上的间距;变频器距离电动机很远时(超过100 m),这时一方面可加大导线截面面积,保证线路压降在2%以内,同时应加装变频器输出电抗器,用来补偿因长距离导线产生的分布电容的充电电流。变频器接地端子应按规定进行接地,必须在专用接地点可靠接地,不能同电焊、动力接地混用;变频器输入端安装无线电噪声滤波器,减少输入高次谐波,从而可降低从电源线到电子设备的噪声影响;同时在变频器的输出端也安装无线电噪声滤波器,以降低其输出端的线路噪声。

安装环境

变频器属于电子器件装置,对安装环境要求比较严格,在其说明书中有详细安装使用环境的要求。在特殊情况下,若确实无法满足这些要求,必须尽量采用相应抑制措施:振动是对电子器件造成机械损伤的主要原因,对于振动冲击较大的场合,应采用橡胶等避振措施;潮湿、腐蚀性气体及尘埃等将造成电子器件锈蚀、接触不良、绝缘降低而形成短路,作为防范措施,应对控制板进行防腐防尘处理,并采用封闭式结构;温度是影响电子器件寿命及可靠性的重要因素,特别是半导体器件,应根据装置要求的环境条件安装空调或避免日光直射。
除上述几点外,定期检查变频器的空气滤清器及冷却风扇也是非常必要的。对于特殊的高寒场合,为防止微处理器因温度过低不能正常工作,应采取设置空气加热器等必要措施。

应用领域

电力:引风机、送风机、一次风机、吸尘风机、增压风机、排粉机、给水泵、循环水泵、凝结水泵、渣浆泵
冶金:除尘风机、通风机、泥浆泵、除垢泵
石化:注水泵、电潜泵、输油泵、管道泵、排风机、压缩机、除垢泵
水务:供水泵、取水泵
环保:污水泵、净化泵、清水泵
水泥:窑炉引风机、压力送风机、冷却器吸尘机、生料碾磨机、供气风机、冷却器排风机、分选器风机、主吸尘风机
造纸:打浆机
制药:清洗泵、一次风机、二次风机
采矿:排水泵、排风扇、介质泵、渣浆泵

11各种保护

随着现代电子技术的发展,高压大功率变频调速装置不断地成熟起来,原来一直难于解决的高压问题,通过器件串联或单元串联得到了很好的解决。
Ipower系列高压变频器是采用多单元串联结构的交-直交电压源型变频器,它通过多重叠加技术实现输入、输出电压、电流波形的正弦化,谐波得到有效控制,减少了对电网和负载的污染是不需要滤波器的环保型高压变频器。同时它还有完备的保护装置与措施来保护变频器和负载,以杜绝和避免因各种复杂工况而造成的损失,为用户创造更大的效益。

进线保护

进线保护是对用户进线端以及变频器的保护,其中包括防雷保护,接地保护,缺相保护,反相保护,不平衡度保护,过压保护,变压器保护等等。这些保护装置一般都安装在变频器的输入端,在运行变频器之前得首先保证进线保护没有问题,方可运行。

防雷保护

是通过安装在旁路柜或变频器输入端的避雷器进型防雷保护,避雷器是一种能释放雷电或兼能释放电力系统操作过电压能量,保护电工设备免受瞬时过电压危害,又能截断续流,不致引起系统接地短路的电器装置。避雷器接于变频器进线与地之间,与被保护变频器并联。当过电压值达到规定的动作电压时,避雷器立即动作,流过电荷,限制过电压幅值,保护设备绝缘;电压值正常后,避雷器又迅速恢复原状,以保证系统正常运行,防止因雷击而受到损害。

接地保护

是通过在变频器进线端安装零序互感器装置,零序电流保护的原理是基于基尔霍夫电流定律,流入电路中任一节点的复电流的代数和等于零。在线路与电气设备正常的情况下,各相电流的矢量和等于零,因此,零序电流互感器的二次侧绕组无信号输出,执行元件不动作。当发生某一相接地故障时的各相电流的矢量和不为零,故障电流使零序电流互感器的环形铁芯中产生磁通,零序电流互感器的二次侧感应电压,反馈到主监控箱,进而发出保护命令,达到接地故障保护的目的。

过压保护

缺相、反相、不平衡度保护、过压保护。缺相、反相、不平衡度保护,过压保护主要是由变频器进线电压反馈版或电压互感器进行进线电压采集,再通过CPU板进行运算来判断是否是缺相,反相,进线电压是否平衡,是否过压,因为如果输入缺相,或反相,以及电压不平衡或者过压很容易造成变压器烧毁,或是功率单元损坏,或者电机反转。

变压器保护

Ipower系列高压变频器只要由三部分组成:变压器柜,功率单元柜,控制柜组成,变压器是采用切分式干式变压器将高压交流电变换成一系列不同角度的低电压为功率单元供电,变压器只能通过风冷进行冷却,因此对变压器的保护主要是通过变压器的温度进行保护,防止变压器温度过高,而造成变压器线圈烧毁。在变压器三相得线圈里放置温度探头,将温度探头的令一端连接到温控装置,该温控装置可以设施变压器底部风机自动启动温度,告警温度,和跳闸温度,同时将各相线圈温度显示数来,如果温度达到告警或跳闸值,温控器会将信号送至PLC,将报警信息显示在用户界面,PLC会进行告警或跳闸保护。

出线侧保护

Ipower系列高压变频器的出线保护是对变频器输出侧部分及负载的保护,包括输出过压保护,输出过流保护,输出短路保护,电机超温保护等等。

输出过压

输出过压保护是通过输出侧电压采样板对输出电压进行采集,如果输出电压过高,系统会自动报警。

输出过流

输出过流保护是通过检测输出的霍尔采集的输出电流,而进行比较判断是否造成过流。

输出短路

针对电动机定子绕组及其引出线相间发生短路故障时所采取的保护措施。变频器如果判断输出短路则立即对功率单元发出封锁,停止运行。

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