铝厂焙烧车间引风机的高压变频调速系统设计

1、河南理工大学万方科技学院本科毕业论文摘要变频调速技术从诞生到现在，一直经历着飞速的发展。变频调速以节能低耗、提高生产效率等突出优势，已成为企业提高产品市场占有率和竞争力的有效手段之一，其中大容量传动的高压变频调速技术也得到了广泛的应用。高压电机利用高压变频器可以实现无级调速，满足生产工艺过程对电机调速控制的要求,以提高产品的产量和质量。但是由于器件技术和逆变技术还不十分成熟，在变频器使用过程中还存在一些不尽人意的的地方；因此如何满足生产工艺要求、提高高压变频器可靠性是每个业内企业技术攻关和进步的主要难题。论文设计的内容是铝厂焙烧车间引风机的高压变频调速系统。在分析以上不足因素的同时，设计着手于

2、系统的节能和运行可靠性两方面。论文主要对高压变频器和高压变频调速系统做了具体阐述和设计；首先介绍了高压变频器的发展概况及趋势并做了市场分析，在高压变频器选型这方面为实现变频器应用的最佳性价比提供参考。其次，论文给出了高压变频调速系统的设计主回路。主系统针对“一拖一”即一台变频器控制一台电机，实现工频/变频切换的功能。在对高压变频器设计中主要涉及了移相变压器、功率单元和控制等系统的设计。设计过程中不仅要求满足工艺要求，而且保证整个系统的可靠性运行。特别是DCS控制系统参与控制高压变频调速系统，大大提高了高压变频器的运行可靠性。最后，从作者自身的学习和总结，预测了高压变频技术的发展和技术发展方向。

3、关键词：高压变频器 高压电机 节能 DCS AbsractFrequency control technology from birth to now, It has been experiencing rapid development. Frequency Control to highlight the advantages of energy saving and low consumption, improve production efficiency, has become one of an effective means to improve product market s

4、hare and competitiveness. High-voltage large-capacity transmission frequency conversion technology has also been widely used. The high-voltage motors with high-voltage inverter can realize stepless speed regulation, Meet the requirements of the production process of the motor speed control, To impro

5、ve product yield and quality. However, due to the device technology and inverter technology is not very mature, there are still some unsatisfactory place in the inverter using the process. How to meet the requirements of production process, improve the reliability of high voltage inverter is the mai

6、n challenge of the industrys technology research and progress.Paper is the content of the design of high pressure of roasting aluminum plant workshop induced draft fan variable frequency speed regulation system. On the analysis of the above factors and insufficient , design of energy saving and get

7、down to the system operation reliability two aspects.Paper mianly to the high voltage inverter and the high voltage variable frequency speed regulation system for the specific design; First, introduces the converter development situation and trends and made a market analysis, the high voltage invert

8、er in the selection for the realization of the optimal performance and price ratio of the frequency converter application to provide the reference. Secondly, this paper analyzes the design of high voltage variable frequency speed regulation system of mian loop. The system is a inverter control a mot

9、or, realize industrial frequency/frequency conversion switch function. In the high voltage inverter in the design phase shifting involved with the mian transformer and power unit and control system design. Design process requires not only meet the technological requirement, and ensure that the whole

10、 of the reliability of the system operation. Especially DCS control system and the connection between the high voltage inverter communication, greatly improving the reliability of the high voltage inverter. At last, from the author,s own learning and summarized, and forecasts the high voltage variab

11、le frequency technology development and technology development direction. Key words: High-voltage inverter High voltage motor Energy saving DCS 51河南理工大学万方科技学院本科毕业论文目录摘要IAbsractII1 绪 论11.1毕业设计研究背景11.2设计的目的和意义21.3设计原则与方案22 高压变频器52.1高压变频器52.2变频器的发展概况及趋势52.2.1变频器的发展概况52.2.2高压变频器的发展趋势62.2.3我国高压变频器市场分析62.

12、3变频器的选型72.4选型原则93 高压变频器交流调速系统103.1交流变频调速原理103.2系统组成介绍114 高压变频器交流调速系统的设计134.1铝厂高压变频交流调速系统的设计134.2高压变频器调速工作原理154.3旁路柜设计164.4移相变压器柜设计184.4.1移相变压器的设计184.4.2移相方式和工作原理194.5功率单元柜的设计224.5.1功率单元元件作用。234.5.2 输入侧及输出侧结构254.5.3功率单元的控制系统设计264.6控制柜设计284.6.1对外接口304.6.2控制方式314.6.3速度设置方式和运行方式314.7变频控制装置中的PLC及PID的设计35

13、4.8高压变频器的可靠性设计405 节能计算425.1引风机变频调速节能原理425.2风机节能计算436 总结与展望45总结45展望45致谢47参考文献48附录49河南理工大学万方科技学院本科毕业论文1 绪 论1.1毕业设计研究背景 节约能源、降低生产成本成为各个企业发展和盈利的关键因素之一，变频调速系统作为最理想、最有发展潜力的调速方式之一，既可以提高企业竞争力和开拓更大市场，又是国家经济和科技发展的重要战略。随着高压变频器产品中的高压大功率变频调速装置不断地成熟起来，高压变频器调速系统在企业中的运用越来越多。由于国内高压变频器市场还处于成长的初期，近年来国内高压变频器市场增长率大幅提高，其

14、增长速度和发展潜力相当可观。尽管国内高压变频器产品还不成熟，但技术在不断的发展提高。绝大多数的国内高压变频器都在向着不断突破更高功率、能够实现更多功能的新产品方向努力，同时着力提高产品的稳定性。传统的调速方式不仅存在着大量能量损耗和污染现象，而且不能够实现自动控制，操作繁琐，对人身和设备容易造成危害。变频调速系统的设计在满足企业生产要求的同时，本身也在不断创新进步，成为解决节约能源、开发利用环保的有效途径。铝厂拥有众多拖动风机、泵类负载的大型高压电动机，其中大部分都运行在通过风门或阀门调节流量的节流状态，造成大量能源浪费，存在巨大节能空间；对该类高压电机进行调速设计，不仅可大幅降低电能消耗，而

15、且可提高设备自动化水平，改善设备运行状态，节约设备维修费，并可改善工艺控制效果，是一条节能降耗的重要技术途径。对铝厂设计一套高压变频调速系统，在保证设备正常运行的情况下降低了风机的用电量，节约了生产成本。而且还可以做到将进口挡板的开度开到最大，风量的调节根据生产需求通过调节电机的转速来实现，使风机处于最佳节能运行状态，从而达到了节电的目的。变频改造后还为风机、电机以及各种管道附属设备提供多项保护措施，从而延长设备使用寿命。1.2设计的目的和意义近几年随着国内高压变频技术的进步，变频器的性价比和稳定性有很大幅度的提升，变频器是交流电气传动系统中的一种，它以节能、提高产品质量、提高生产率、实现自动

16、化、改善环境、推动技术进步在各个行业得到广泛应用。变频调速以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。设计一套高压变频调速系统对深入了解交流传动与控制技术的走向，具有十分积极的意义。如何解决设备运行中存在严重的能源浪费，不但是增强企业竞争力的要求，更是创建资源节约型社会的国策的要求。变频调速技术是风机、水泵等设备调速技术的首选，也是该类技术发展的必然方向。对设备进行变频器设计后，可以大大降低企业的生产成本，降低生产设备的故障率，延长设备的使用寿命，产生较大的经济效益和社会、环境效益，提高企业的综合竞争力和发展力。

17、采用高压变频器构成变频调速传动系统的主要目的，一是为了满足提高劳动生产率、改善产品质量、提高设备自动化程度、提高生活质量及改善生活环境等要求；二是为了节约能源、降低生产成本。从而达到提高了企业产品的竞争力，有利了企业的长期发展。1.3设计原则与方案本设计对铝厂焙烧车间焙烧炉设计一套变频器自动控制系统以降低能源消耗和资源浪费,提高设备的可维护性和运行的可靠性为目的,以达到解决好氧化铝厂设备运行中存在严重的能源浪费问题。变频调速技术是风机、水泵等设备调速技术发展的必然方向。对设备采用变频技术,可以降低企业的生产成本,降低生产设备的故障率,延长设备的使用寿命。氧化铝焙烧工艺流程：氧化铝焙烧炉将燃烧完

18、AL(OH)3以后，绝大部分AL2O3下沉到氧化铝冷却仓，但是燃烧后的烟气中含有部分有用的AL2O3、其他烟气和粉尘，这部分烟气经引风机引导进入电收尘中，电收尘将有用的AL2O3吸附住，经处理后的烟气随之排到大气中。生产量大时，引风机抽风量大，引风机转速高。生产量小时，用气量小，引风机转速低。未用变频前风量大小靠控制挡板和风门配合控制引风机的风量。引风机的原控制方式为，利用引风机入口的挡板调节开度的大小来控制风烟系统的风量（图1-1的实线部分），采用变频器变频以后（图1-1中增加的虚线部分），系统结构发生了变化，新结构下增加了变频器及相关的控制器设备，而且引风机的控制模式也发生了相关的变化。由

19、原来的挡板控制模式，改为挡板全开状态，保证在变频模式下挡板不参与控制而且尽量减少挡板本身产生的阻力，由变频器调速系统改变引风机的转速来调节风量，达到原有的控制要求。氧化铝厂焙烧车间引风机高压变频调速系统设计方案是：整个系统采取工频和变频切换，在正常工艺生产过程中，启用变频器，实现变频器对电机的控制。只有在变频器出现故障或需维护时，才会转换的工频运行。 1-1引风机控制系统图变频运行特性较工频改善方面运行特性：1）满足运行工况的要求，操作灵活方便，响应速度快。 2）效率高，能耗低，节能效益显著，性价比高。 3）风机变转速运行的状态参数如振动、轴承温度良好，减少机械磨损。 4）启动转矩大、电流小，

20、机械特性好。 5）系统动态响应速度快，可实现连续调速，调节线性度好，自动投入率高。6）系统抗干扰能力强，操作方便、工作可靠。7）采用移相干式隔离变压器进行输入侧隔离， 多重化脉冲整流， 系统对电网的谐波污染小、功率因数高。8）系统内部采用单旁路技术，降低故障停机时间，提高单元故障下的带负荷能力。2 高压变频器2.1高压变频器 变频器是利用电力电子器件把工频电源变换成各种频率的交流电源以实现电机变速运行的设备,是运动控制系统中的功率变换器。通常把驱动1KV 以上交流电动机的中、大容量变频器称为高压变频器。按照国际惯例和我国国家标准，电压在10KV 以上的称为高压，10KV 以下称为中压。但由于大

21、家习惯上把额定电压为3KV 和6KV 和 10KV 的电动机称为“高压电机”所以驱动这个电压等级的变频器统称为高压变频器。高压变频器是一种串联叠加性高压变频器，即采用多台单相三电平逆变器串联连接，输出可变频变压的高压交流电。2.2变频器的发展概况及趋势随着高压变频器技术的不断成熟，高压变频器在各个领域得多了广泛的应用。高压变频器应用上的巨大节能潜力和优良的调速性能，使得它具有强劲的发展动力和广阔的市场空间。目前，高压变频技术已经成为电力传动领域的热门话题之一，对于大容量电力传动系统，尤其是大容量风机水泵系统进行高压变频器改造已成为一种趋势，它为使用大功率传动装备的企业和行业带来了很大的节能效益

22、。 2.2.1变频器的发展概况随着变频调速技术的发展，作为大容量传动（2-10KV）变频调速技术也得到了广泛的研究和应用，高压变频器一成为当前电力电子技术最新发展动向之一。到目前为止，高压变频器还没有像低压那样近乎统一的拓扑结构，各种新型的高压变频器不断出现。根据其组成方式，高压变频器主要分为两种，即间接高压变频器和直接高压变频器。直接高压变频器主要有采用低压IGBT多重化技术的单元串联多电平PWM电压型高压变频器和采用高压IGBT、IGCT的三电平型高压变频器。 2.2.2高压变频器的发展趋势变频器从一开始进入我国，国外品牌就占据大部分市场份额，同时，国内变频器的研制和生产也在向前发展，目前

23、，国产变频器正在被更国的国内外客户认可和选用。高压变频器正向着高可靠性，低成本，高输入功率因数，高效率，低输入输出谐波，低共模电压，低 dv/dt 等方向发展。电流源型变频器技术成熟，且可四象限运行，但由于高压时器件串联的均压问题，输入谐波对电网的影响和输出谐波对电机的 影响等问题，使其应用受到限制。对风机和水泵等一般不要求四象限运行的设备，单元串联多电平 PWM电压源型变频器在输入，输出谐波，效率和输入功率因数等方面有明显的优势，具有较大的应用前景。对于轧机，卷扬机等要求四象限运行和动态性能较高的场合，双 PWM结构的三电平电压源型变频器会得到广泛的应用。同时高压变频器还朝着冗余设计、无速度

24、传感器矢量控制、高耐压功率器件、大容量化、能量回馈、多电平PWM等技术方向发展。 2.2.3我国高压变频器市场分析高压变频器作为大功率风机、水泵的变频调速设备，广泛应用于电力、冶金、石油化工、供水、水泥、采矿等行业。2004年及以前在我国还属于小规模应用阶段，然而近几年，应用规模在逐渐扩大，高压变频器市场正处于一个高速增长的时期。据统计，在最近几年内中国高压变频器的市场保持着年均30%以上的复合增长率。我国高压变频器市场“十一五”期间保持着爆发性增长的态势，该行业经过起步阶段，目前正逐步趋于成熟。近年来，国内具有一定规模和实力的变频器厂家开始在产品关键技术研制方面加大投入，进行自主研发和创新，

25、并按照国际标准进行生产，使国产变频器的整体技术水平得到大幅提高。同时，国内变频器厂家对市场进行了细分，针对中国市场的实际需求，实现了与国外产品的差异化生产，在专用变频器的开发和应用推广上取得了一定的成绩，并被市场所接受。根据我国目前电机装机总量、电机配装变频器比例、国家对“节能降耗”的规划目标，以及我国经济发展速度等因素考虑，我国变频器市场的潜力还很大。专家认为，未来变频器市场将向大功率、高端方向发展。变频器技术本身就存在一个从低压向高压、从小功率向大功率转变的技术发展过程，体现在产品发展趋势上就是变频器产品的功率越来越大，适用于更大规模电机的节能调速需求。大功率变频器市场份额早先基本掌握在国

26、外厂商手中，随着国内企业技术水平提高，国产变频器产品的功率也随之逐步提高，因此国内品牌对国外品牌实现替代的过程是一个先替代小功率变频器产品，后替代大功率变频器产品的过程。这种替代过程的演进，使得变频器市场上的大功率产品逐渐增多，市场向大功率产品发展的趋势明显。2.3变频器的选型变频器的大量推广使用，在节能、省力化、自动化及提高生产率、提高质量、减少维修和提高舒适性等多方面都取得了令世人瞩目的应用效果。但是，变频器毕竟是近二十年来新出现的一种蕴涵多种高新技术的电力电子产品，要想让它发挥很好的应用效果，就必须对它的选型做深入的研究。变频器的正确选用对于机械设备电控系统的正常运行是至关重要的。选择变

27、频器，首先要按照机械设备的类型、负载转矩特性、调速范围、静态速度精度、起动转矩和使用环境的要求，然后决定选用何种控制方式和防护结构的变频器最合适。所谓合适是在满足机械设备的实际工艺生产要求和使用场合的前提下，实现变频器应用的最佳性价比。变频器选型时要确定以下几点： 1) 采用变频的目的；恒压控制或恒流控制等。 2) 变频器的负载类型；如叶片泵或容积泵等，特别注意负载的性能曲线，性能曲线决定了应用时的方式方法。 3) 变频器与负载的匹配问题； I.电压匹配；变频器的额定电压与负载的额定电压相符。 II. 电流匹配；普通的离心泵，变频器的额定电流与电机的额定电流相符。 III.转矩匹配；这种情况在

28、恒转矩负载或有减速装置时有可能发生。 4) 在使用变频器驱动高速电机时，由于高速电机的电抗小，高次谐波增加导致输出电流值增大。因此用于高速电机的变频器的选型，其容量要稍大于普通电机的选型。铝行业中有金属粉尘、腐蚀性气体等等。因此必须根据现场情况做出相应 的对策。 1)变频器应该安装在控制柜内部。 2)变频器最好安装在控制柜内的中部；变频器要垂直安装，正上方和正下方要避 免安装可能阻挡排风、进风的大元件。 3)变频器上、下部边缘距离控制柜顶部、底部、或者隔板、或者必须安装的大元 件等的最小间距，应该大于 300 mm。2.4选型原则 在选型前，首先要根据机械对转速（最高、最低）和转矩（起动、连续

29、及过载）的要求，确定机械要求的最大输入功率（即电机的额定功率最小值）。P=n . T/9950（kW）式中: P机械要求的输入功率（kW）n机械转速（r/min）T机械的最大转矩（N.m） 然后，选择电机的极数和额定功率。电机的极数决定了同步转速，要求电机的同步转速尽可能地覆盖整个调速范围，使连续负载容量高一些。为了充分利用设备潜能，避免浪费，可允许电机短时超出同步速度，但必须小于电机允许的最大速度。转矩取设备在起动、连续运行、过载或最高速等状态下的最大转矩。最后，根据变频器输出功率和额定电流稍大于电机的功率和额定电流确定变频器的参数与型号。 3 高压变频器交流调速系统3.1交流变频调速原理由

30、电机学知，交流异步电动机的转速公式如下：n= 60 (1-s)/ p (1-1)式中 p电动机定子绕阻的磁极对数； f电动机定子电压供电频率； s 电动机的转差率。 从式（11）中可以看出，当异步电动机的磁极对数p一定，转差率s定时，改变定子绕组的供电频率f可以达到调速目的，电动机转速n基本上与电源的频率f成正比，因此，平滑地调节供电电源的频率，就能平滑，无级地调节异步电动机的转速。变频调速调速范围大，低速特性较硬，基频f=50Hz以下，属于恒转矩调速方式，在基频以上，属于恒功率调速方式，与直流电动机的降压和弱磁调速十分相似。且采用变频起动更能显著改善交流电动机的起动性能，大幅度降低电机的起动

31、电流，增加起动转矩。所以变频调速是交流电动机的理想调速方案。高压变频器调速原理:高压变频装置为交一直一交电压源型变频调速系统。三相高压电经高压开关柜进入，经输入降压、移相给功率单元柜内的功率单元供电，功率单元分为三组，一组为一相，每相的功率单元的输出首尾相串。主控制柜中的控制单元通过光纤时对功率柜中的每一功率单元进行整流、逆变控制与检测，这样根据实际需要通过操作界面进行频率的给定，控制单元把控制信息发送到功率单元进行相应得整流、逆变调整，输出满足负荷需求的电压等级。变频器输出的电流波形非常接近于理想正弦波形，对电网有害的谐波分量低，可通过改变调制波的频率和幅值来调节逆变器输出电压的频率和幅值。

32、3.2系统组成介绍高压变频调速系统采用功率单元串联技术，不仅解决了器件耐压的问题也解决了环流问题，级间输出电压移相叠加，极大第改善系统输出电压的谐波性能、降低输出电压的du/dt；通过电流的多重化技术降低输入侧谐波，减少了对电网的谐波污染。a)移相变压器柜柜内装置移相变压器，移相变压器采用移相延边三角形，减少了高压变频调速系统对电源网侧的谐波。移相变压器的输入是三相高压电（经开关柜）。输出是经过延边三角形整流后的互成一定角度的三相低压信号，分别接到每一相的功率单元的输入端。b)功率单元柜功率单元柜用于放置功率单元，由主控柜通过光纤通讯来控制各个功率单元的动作。功率单元柜的输入是移相变压器的输出

33、:每相的功率单元输出信号前后串联起来，形成三相的电压输出，用于控制电机。该柜内还有输出电压、电流检测部分。c)主控柜高压变频调速系统的主控制部分一数字处理器（DSP）为控制核心，辅以超大规模集成电路可编程逻辑器件（FPGA）、模拟输入（AI）和模拟输出（AO）、数字输入(SI)继电器输出(RO)单元。图3-1高压变频调速系统图人机界面由数码键盘（LED）和触摸屏组成。主控制部分和单元控制部分的控制信号通过光纤进行信号传输，有效避免电磁干扰，保证系统控制信号的可靠性。主控柜的输入信号有：旁路柜的接触器状态信号、输入、输出电压、电流检测信号、各个功率单元的反馈信号、以及用户通过人机界面的操作等。4

34、 高压变频器交流调速系统的设计4.1铝厂高压变频交流调速系统的设计图4-1 氧化铝厂焙烧车间引风机的方案主回路氧化铝厂焙烧车间引风机的设计方案主回路如图4-1所示；整个系统由1台功率柜、1台控制柜、1台变压器柜、一台旁路柜、一台电机及一台引风机组成，图中共有2个高压隔离开关，为了确保不向变频器输出端反送电，KM4与KM3采用机械互锁，并采用PLC控制系统实现电气连锁，避免系统误操作。当KM1、KM4闭合,KM3断开时，电机运行在变频状态；当KM1、KM4断开,KM3闭合时，电机工频运行，此时高压变频器从高压中隔离出来。系统实现工频/变频切换，在变频器出现故障时，依然能满足铝生产，保证故障时不需

35、停机，提高运行可靠性，减少甚至避免企业因故障停机造成的损失。图4-2 变频器开停运行机流程图 KM3和KM4之间存在机械和电气双重闭锁关系，防止变频器输出侧和10kV电源侧短路。当引风机需要变频运行时，操作变频器下口开关KM4、变频器上口开关KM1合闸，然后启动引风机运行。需要引风机工频运行时，停止引风机、断开变频器下口开关KM4和变频器上口开关KM3；然后闭合引风机工频旁路开关KM3，然后启动引风机运行。电气控制图见附录图2。高压变频器的设计由移相变压器、功率单元、控制系统三部分设计组成。高压变频器采用高-高方式，用额定电压为10KV的高压PWM电压型变频器直接驱动电机，实现变频器的调速，这

36、种方式整体效率高，高压变频器设计参数要求：变频器功率：1250kW额定输出电流：85A额定输入电压：10KV输入功率因数 0.98输出频率范围：050HZ输出电压范围 010KV 变频器效率 96% 过载能力 100% 连续 160% 连续 1min 220% 允许 1.5S 4.2高压变频器调速工作原理电网电压经过副边多重化的隔离变压器降压后给功率单元供电，功率单元为三相输入，单相输出的交直交PWM(Pulse Width Modulation)电压源型逆变结构，相邻功率单元的输出端串接起来，形成Y接结构，实现变压变频的高压直接输出，供给高压电动机。高压变频凋速系统每相由8个功率单元串联而成

37、 ，每个功率单元承受全部的电机电流、提供1/8相电压和 124的输出功率每个功率单元分别由输入变压器的一组副边供电，功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘，二次绕组采用延边三角形接法，实现多重化，以达到降低输入谐波电流的目的。给功率单元供电的二次绕组每3个一组，分为8个不同的相位组输入电流波形非常接近于正弦波，总的谐波电流失真小于 1，输入的综合功率因数可达O98以上。逆变器输出采用多电平控制式 PWM技术，同一相的功率单元输出相同幅值和相位的基波电压，但串联各单元的载波之间互相错开一定的电角度，实现多电平PWM，输出电压非常接近于正弦波 ，每个电平台阶只有单元直流母线电压大小dvdt很小，

38、功率单元采用较低的开关频率，以降低开关损耗。 4.3旁路柜设计旁路柜在变频器维护过程中或变频器出现故障时，将电机投入到工频电网运行，保证生产不受影响。变频运行时，变频器为电机提供全面的保护。旁路柜的设计主要决定于高压变频器所带负载的数目以及工频和变频工作方式的切换方法。引风机的运行方式决定了变频调速系统采用了一拖一的变频器调速方式，因此，其旁路柜功能和结构就较为简单。旁路柜主要配置：四个真空接触器KM1、KM2、KM3、KM4和两个刀闸隔离开关K1、K2。该方案在设计中考虑了如下问题:(1)刀闸k1、k2无机械闭锁功能，只是在检修时由手动断开以形成明显的断开点，确保工作人员的安全。在工频和变频

39、运行状况下均处于闭合状态。(2)工频旁路接触器KM3与变频进线接触器KM4、变频出线接触器KM1具备电气闭锁功能，不能同时闭合。(3)在变频运行状况下，KM1、KM4闭合，KM3断开。如需自动切换至工频运行，此时先停止变频器输出，跳闸用户10kv开关柜，再由电气控制依次断开KM1、KM4，然后闭合KM3使电机切换至工频侧，再合闸开关柜，使电机工频运行。(4)在工频旁路运行状况下KM3闭合，KM1、KM4断开。如需自动切换至变频运行，此时由电气线路控制先跳闸10kv开关柜，再断开KM3，然后依次闭合KM4、KM1，再合闸开关柜，启动变频器，完成由工频旁路运行到变频运行的自动切换。电机工频运行时，

40、若需对变频器进行故障处理或维护，切记在KM1、KM4分闸状态下，将隔离刀闸K1和K2断开。 合闸闭锁：将变频器“合闸允许”信号串联于KM1、KM4合闸回路。在变频器故障或不就绪时，高压断路器KM1、KM4合闸不允许；在KM1、KM4合闸状态下，若变频器出现故障，则“合闸允许”断开，KM1、KM2跳闸，分断变频器高压输入电源。 旁路投入：将变频器“旁路投入”信号并联于KM3合闸回路。变频运行状态下，若变频器出现故障且自动投入允许，或者需要将电机从变频投入到工频状态运行（按下“工频投切”按钮），系统将首先分断变频器高压输入、输出开关KM1和KM4，经过一定延时后，“旁路投入”闭合，即工频旁路开关K

41、M3合闸，电机投入电网工频运行。旁路功能:高压变频器增设有旁路开关柜分自动和手动旁路柜两种，设计时可以根据现场运行设备稳定性要求分别选择自动或手动旁路柜。高压变频器可实现正常状态时的软启动，工频运行与变频运行的相互切换功能一满足现场运行需要。手动旁路：当高压变频器在故障维护状态时，可将旁路柜的K1和K2断开，然后人工合上KM3，将高压变频器隔离，从而不影响高压电动机的正常运行。自动旁路：变频器在故障维护状态时，可通过智能控制设备实现K1和K2开关自动跳闸，KM3自动合闸的切换功能，变频器需要检修维护时也可通过自动旁路开关柜的自动/手动启停方式选择实现高压电机的变频/工频运行，从而满足工艺要求。

42、4.4移相变压器柜设计 本文设计的10kV电压等级的高压变频器最大优势之一就是采用移相变压器，实现输入多重化，使其减少输入谐波。移相变压器具有三个功能：实现一次侧、二次侧线电压的相位偏移，以消除谐波。变换得到需要的二次侧电压。实现整流器与电网间的隔离。图4-3 移相变压器结构图其系统结构如图 4-3所示。变压器输入绕组接到10KV三相电压，输出绕组有24组副边绕组，分为8个功率单元 / 相，三相共 24 个单元。移相角分为375、1125、1875、2625，每移相组的电压为720V，有a1-a8供8个移相组串接组成的A相的每相相电压为5760V，同此情况，分别有b1-b8和c1-c8串接组成

43、B相和C相的相电压也为5760V，线电压为10000V。4.4.1移相变压器的设计移相整流变压器为功率单元串联型高压变频器的输入端的整流变压器又称为“移相整流变压器”或“移相隔离变压器”。在电网三相电压的情况下，为了使阀侧（整流后的低压直流侧）输出有更好的波形及减少谐波分量，我们往往采用多相的整流线路。采用移相整流变压器一方面是为了提高整流效率，也为了降低谐波分量，而后者往往是人们要进行要求设计的。论文设计的采用8级串联，理论上能消除23次以内的谐波。4.4.2移相方式和工作原理设计时采用了二次侧移相，二次侧移相比较简单，我们知道在电网三相电压的基础上，为了获得均匀分布多脉波阀侧电压，需要将每

44、相阀侧电压在120内均匀展开。我们采用一次侧绕组联结成Y接，二次侧由多个延边三角形的移相绕组并联在一台变压器上，由这些若干个延边三角形的移相绕组来得到所需要的不同的移相角度，从而得到单台移相整流变压器输出的脉波数为48。48脉波移相整流变压器，在每个铁心柱上有24个延边三角形的二次侧绕组，它们的间隔为360/48=7.5，即各个二次侧绕组的移相角度为+26.25、+18.75、+11.25、+3.75、-3.75、-11.25、-18.75、-26.25。(1) 额定输出低压的确定 移相整流变压器的额定低压取决于高压变频器的功率单元的承受电压。高压变频器的功率单元(低压IGBT)的设计承受电压

45、为720V，每相设计8个功率单元串联。那么所对应的线电压(Y接)为10000V。这样，移相整流变压器的额定输出低压也就确定为720V。 (2) 二次绕组相位差的设计移相整流变压器的二次绕组的相位差是由整流的脉波数决定的，也就是由高压变频器的功率单元的串联数量决定，以本设计为例，每相设计8个功率单元，那么单台移相整流变压器输出的脉波数为68=48脉波。则二次绕组的相位差为36048=7.5，对于8副边的变压器，其移相角分别为+26.25、+18.75、+11.25、+3.75、-3.75、-11.25、-18.75、-26.25，各移相组角差为7.5。延边三角形联结方式分为正序联结和反序(逆序)

46、联结。由于正序联结时，其移相角是顺时针方式，称为负角度；反序联结时，其移相角是逆时针方式，称为正角度。而无论是正序联结还是反序联结，纯三角形时，均作为0。可将正序联结称为-0，反序联结称为+0。联结方式及移相见图4-4。 从移相上看，根据移相组的多少，在30。角度内，采用等间距的电气角度作为各移相角，就形成上述各移相角度。各移相组的角度误差及电压误差均控制在最小值，副边各移相组具有相同的电压和电流，但不相同的相位角，各移相组平均总的功率，其电压经整流后叠加，再进行逆变和变频。图4-4 主移绕组联结图及电压向量图 (4) 延边三角形移相绕组和主绕组电压的计算 按正弦定理可得： 移相绕组电压Uy=

47、U2(sin/sin1200)=2/U2sin (2)主绕组电压 Uz =U2sin(600-)-sin()/sin1200 = 2 U2sin(300-) (3) 其中： U2 变频器单元所需电压（V） 所确定的移相角（度） 应根据式(2)， (3)分别计算各移相角所对应的电压。(5) 延边三角形移相绕组和主绕组电流的计算一次侧电流：I1=P*103/3/ U相（A） （4） 二次侧电流：移相绕组电流：Iy=P*103/ U2（A） （5）每一支路电流：Iy支= Iy/N（A） （6）主绕组电流： Iz= Iy （A） （7）每一支路电流：Iz支= Iz/N（A） （8）其中：P 变压器容量

48、N 二次侧绕组副边数应根据式(4)(8)分别计算各移相角所对应的电流。移相变压器采用干式整流变压器。这种变压器可以防潮、阻燃，对环境适应性好，而且变压器尺寸紧凑，占用空间小。变压器柜内设计：柜内安装为功率单元提供三相电源的移相变压器。柜门上设有干式变压器温度控制仪，为变压器提供风机控制以及温度报警和过热保护。柜前门内侧装有行程开关，当柜门打开时报警。柜后门装有电磁锁，当高压电进入柜内，电磁锁自动锁死，需用专用的电磁锁钥匙才能打开柜子的后门。 变压器前面右侧和后面左侧是副边绕组接线区域，与相应的三相电抗器输入电缆连接。输入电源接线在后面上部，直接进入变压器；输入电压检测直接接在变压器输入侧，输入

49、电流检测在变压器的Y接星点电缆上。4.5功率单元柜的设计功率单元主要由三相桥式整流桥、滤波电容器、IGBT逆变桥构成，以及功率器件的驱动、保护、信号采集、光纤通讯等功能组成的控制电路。每个电流大小相同的功率单元在结构及电气性能上完全一致，可以互换. 单元柜内安装的功率单元和三相输入电抗器分成三组，每组串联成一相，每相串联8个功率单元和8个电抗器，分前后排列。串联后A1、B1、C1三个功率单元星接，最后三个单元A8、B8、C8输出接高压输出室的接线铜排上。星接电缆上穿有霍尔电流传感器，检测输出电流。功率单元主要由整流（交流变直流）、滤波、再次整流（直流变交流）、交-直部分。整流电路：由VD1-V

50、D6六个整流二极管组成三相不可控全波整流桥。二极管的正向电流为电机额定电流的1.414-2倍。采用二极管整流电路的另一个优点是变压器对浪涌电压的吸收能力较强，雷击或操作过电压可以经过变压器产生浪涌电流，经过功率单元的整流二极管，给滤波电容充电，滤波电容足以吸收到单元的浪涌能量。滤波电路：电容的耐压强度一般为400V,还有一部分余量，直流直流母线电压为720V，两个电容串联就满足设计要求，这里选取三个电容串联。图4-5单元电路主电路图缓冲电路：电阻R串入直流主电路中，通电一段时间之后接通继电器将其移除，本设计采用的是利用电源与直流母线电压的关系，来确定开关K5的接通时间。当接通电源时，电容电压较

51、低，此时电源电路不工作，不能输出24V电源，继电器不动作，直流电流流过电阻R给电容充电，当电容两端电压上升到一定值之后，电源电路开始工作，输出24V电源继电器闭合，电阻R被短接。主电路参数设计如下：均压电阻 R=20k滤波电容 C1-C3=3300Uf/400V整流二极管 VD1-VD6=250A/2000VIGBT模块 V1-V4=200A/1700V 4.5.1功率单元元件作用。储能电容：又叫电解电容，在充电电路中主要作用为储能和滤波。PN端的电压电压工作范围一般在 430VDC1200VDC 之间，而一般的高压电容都在 400VDC左右，为了满足耐压需要就必须是三个400VDC的电容串起

52、来作1200VDC。容量选择为3300uf/400V。均压电阻：防止由于储能电容电压的不均烧坏储能电容；因为二个电解电容不可能做成完全一致，这样每个电容上所承受的电压就可能不同，承受电压高的发热严重或超过耐压值而损坏 。C5滤波电容,主要作用为吸收IGBT的过流与过压能量。VT1-VT4逆变管（IGBT绝缘栅双极型功率管）：构成逆变电路的主要器件，也是变频器的核心元件。把直流电逆变频率，幅值都可调的交流电。续流二极管作用是把在电动机在制动过程中将再生电流返回直流电提供通道并为逆变管VT1-VT4在交替导通和截止的换相过程中，提供通道。功率单元控制结构如图4-6：直流母线经充电电阻R给电容充电，

53、当电容电压上升的接近饱和时，反馈给主控板，主控板输出信号时开关闭合，切除电阻R。旁路作用是在功率单元模块出现故障，主控板检测到故障信号，迅速启动闭合旁路开关，切除功率单元，不耽误系统正常运行。图4-6 功率单元控制结构图控制部分:电源板、驱动板、控制板（CPU板）。电源板：开关电源电路向操作面板、主控板、驱动电路、检测电路及风扇等提供低压电源， 开关电源提供的低压电源有：5V、15V 、24V向CPU其附属电路、控制电路、显示面板等提供电源。驱动板：主要是将CPU生成的PWM脉冲经驱动电路产生符合要求的驱动信号激励IGBT输出电压。控制板（CPU板）：也叫CPU板相当人的大脑，处理各种信号以及

54、控制程序等部分。 4.5.2 输入侧及输出侧结构 输入侧由移相变压器给每个单元供电，高压变频调速系统在10kV电源侧采用多达48脉冲移相整流技术，电网侧谐波污染小，功率因数高，无需功率因数补偿及谐波抑制装置，对同一电网上用电的其它电气设备不产生谐波干扰。 每个功率单元都承受电机电流、1/8的相电压、1/24的输出功率。24个单元在变压器上都有自己独立的三相输入绕组。功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘。二次绕组采用延边三角形接法，目的是实现多重化，降低输入电流的谐波成分。 输出侧由每个单元的输出端子相互串接而成星型接法给电机供电，通过对每个单元的 PWM 波形进行重组，可得到的阶梯 PWM

55、 波形。在输出侧由每个单元的L1、L2输出端子相互串接而成星型接法给电机供电，由于采用多重化的正弦脉宽调制SPWM技术，输出谐波非常小，可消除叶片与轴承的振动，无需谐波抑制装置可直接适配各种电机。 图4-7电压叠加形成高压输出原理 三相交流电整流后经滤波电容滤波形成直流母线电压 。高压变频调速系统采用多个功率单元串联的形式。对于10kV系统，每相8单元串联，每个功率单元输出交流有效值Vo为720V，相电压为5760V，线电压为10000V。逆变器由4个耐压为 1700V 的IGBT 模块组成H 桥式单相逆变电路，通过PWM 控 制，在 L1和L2两端得到变压变频的交流输出，输出电压为单相交流

56、0-720V,频率为 0 50Hz。逆变器输出采用多电平移相式 PWM 控制技术，同一相的功率单元输出 相同幅值和相位的基波电压，但串联各单元的载波之间互相错开一定电角度，实现多电平 PWM ，输出电压非常接近正弦波。由于采取多电平移相式 PWM,等效输出开关频率很高，且输出电平数增加，可大大改善输出波形，降低输出谐波，谐波引起的电动机发热、噪声和转矩脉动都大大降低。 4.5.3功率单元的控制系统设计 功率单元本质就是一台单相3电平交一直一交变频器，其工作是在变频器控制下进行变频的，因此功率单元需要接收变频控制器的控制指令，按照控制要求进行变频。DSP(Digital Signal Processing) 控制器核心由高速 32 位DSP芯片和工控 PC 机协同运算来实现，精心设计的算法可以保证电机达到最优的运行性能。主控器的核心为双DSP的CPU单元，使指令能在纳秒级完成。这样CPU单元可以很快的根据操作命令、给定信号及其它输入信号，计算出控制信息及状态信息，快速的完成对功率单元的监控。 DSPIC30F4012是一款性能优良、资源丰富、