高压变频器技术交流-任志强

高压变频器技术交流主讲人：任志强2014.10.16主要内容简介变频器原理及构成变频器各部分的功能应用方案变频器日常维护变频器常见故障处理现场典型故障事例简介1GBP高压变频器产品优势及特点1.1输入、输出谐波含量低，输入功率因素高。无需滤波器和功率因素补偿，可直接驱动普通电机。1.2系统控制电源采用220VAC/380VAC和高压主电源降压隔离后双路整流同时供电，供电系统可直接在线热备，系统运行更可靠、操作更简便。解决了UPS备用电源操作繁琐、维护困难、使用寿命短等问题。1.3冷却风机采用EBM优质风机，保证变频系统散热安全。1.4功率单元工作电源采用高压开关电源，直接取自单元内部电容，避免了瞬时掉电对单元的影响。1.5更适用于国内电网条件，变频器工作电压范围为+15%~-20%,如6KV系列可稳定运行于6900V电压条件下。1.6限流功能。避免启动或负载突然变化时，使变频器输出电流过大而导致保护动作。简介1.7友好的操作界面

，全中文大屏幕的系统显示，符合国人使用习惯的触屏操作。1.8结构紧凑，标准化柜体，房间摆放整齐、美观。1.9主要器件均采用世界一流厂商成熟产品，产品从元器件到成品，均实现100%严格测试，确保产品的可靠性。1.10较强的工程设计能力和共同意愿，能根据用户现场条件和控制要求量身定做，及时满足用户的不同需求。1.11功率单元模块化设计，可以互换，维护简单。1.12二次接线模块化设计，现场接线简单，安装周期短。简介2产品型号规格2.1型号说明以GBP-D06-06-315为例，代表额定输入电压6kV，输出电压6kV电压等级的单象限高压变频器，额定功率315kW（容量400kVA），用于驱动额定功率不大于320kW的异步电动机。

简介2.2产品规格表GBP系列6KV电压等级单象限高压变频器产品名称型号规格额定电压kV额定电流A额定功率kW高压变频器GBP-D06-06-250631250高压变频器GBP-D06-06-315639315高压变频器GBP-D06-06-400648400高压变频器GBP-D06-06-500661500高压变频器GBP-D06-06-630677630简介高压变频器GBP-D06-06-800696800高压变频器GBP-D06-06-100061201000高压变频器GBP-D06-06-125061541250高压变频器GBP-D06-06-140061731400高压变频器GBP-D06-06-160061921600高压变频器GBP-D06-06-180062201800高压变频器GBP-D06-06-200062402000高压变频器GBP-D06-06-250063042500简介2.2产品规格表GBP系列10KV电压等级单象限高压变频器产品名称型号规格额定电压kV额定电流A额定功率kW高压变频器GBP-D10-10-4001029400高压变频器GBP-D10-10-5001036500高压变频器GBP-D10-10-6301046630高压变频器GBP-D10-10-8001058800高压变频器GBP-D10-10-100010721000简介高压变频器GBP-D10-10-12501092800高压变频器GBP-D10-10-1400101041250高压变频器GBP-D10-10-1600101151400高压变频器GBP-D10-10-1800101301600高压变频器GBP-D10-10-2000101441800高压变频器GBP-D10-10-2500101822000高压变频器GBP-D10-10-3150102302500简介2.2产品规格表GBP系列6KV电压等级四象限高压变频器产品名称型号规格额定电压kV额定电流A额定功率kW高压变频器GBP-H06-06-250631250高压变频器GBP-H06-06-315639315高压变频器GBP-H06-06-400648400高压变频器GBP-H06-06-500661500高压变频器GBP-H06-06-630677630简介高压变频器GBP-H06-06-800696800高压变频器GBP-H06-06-100061201000高压变频器GBP-H06-06-125061541250高压变频器GBP-H06-06-140061731400高压变频器GBP-H06-06-160061921600高压变频器GBP-H06-06-180062201800高压变频器GBP-H06-06-200062402000高压变频器GBP-H06-06-250063042500简介3节能原理3.1变频节能：为了保证生产的可靠性,各种生产机械在设计配用动力驱动时,都留有一定的富余量。电机不能在满负荷下运行,除达到动力驱动要求外,多余的力矩增加了有功功率的消耗,造成电能的浪费,在压力偏高时,可降低电机的运行速度,使其在恒压的同时节约电能。

当电机转速从

N1

变到

N2时,其电机轴功率（P）的变化关系如下：

P2／P1=（N2/N1）3

,由此可见降低电机转速可得到立方级的节能效果。

简介3.2动态调整节能：

迅速适应负载变动,供给最大效率电压。变频调速器在软件上设有测控输出功能,始终保持电机的输出高效率运行。3.3通过变频自身的V/F功能节电：

在保证电机输出力矩的情况下,可自动调节V/F曲线。减少电机的输出力矩,降低输入电流,达到节能状态。3.4变频自带软启动节能：

在电机全压启动时,由于电机的启动力矩需要,要从电网吸收7倍的电机额定电流,而大的启动电流即浪费电力,对电网的电压波动损害也很大,增加了线损和变损。采用软启动后,启动电流可从0

--

电机额定电流,减少了启动电流对电网的冲击,节约了电能,也减少了启动惯性对设备的大惯量的转速冲击,延长了设备的使用寿命。简介3.5提高功率因数节能：

电动机由定子绕组和转子绕组通过电磁作用而产生力矩。绕组由于其感抗作用。对电网而言,阻抗特性呈感性,电机在运行时吸收大量的无功功率,造成功率因数很低。

采用变频节能调速器后,由于其性能已变为：

AC

DC

AC,在整流滤波后,负载特性发生变化。变频器对电网的阻抗特性呈阻性,功率因数很高,减少了无功损耗。3.6能量回馈

对于四象限变频器而言，不仅有以上五条的节能效果，而且当电动机运行在制动运行状态时，电动机处于发电状态，能量回归电网，从而产生节能效果。势能动能电能简介4应用领域

在工业领域，大功率的传动机械中，大功率风机、水泵占据主要地位，例如钢铁工业、高炉鼓风机、除尘风机；石油化工的大型输油泵；化工生产的压缩机；电力工业的给水泵、引风机；煤矿的排水泵和排风扇以及城市建设的自来水供水泵等等，驱动电动机都是400～40000kW、3～10kV的大功率高压交流电动机。高压大功率变频调速系统主要用来对工业领域的这类高压电动机进行调速控制，所以高压变频器的主要应用在工业领域，广泛应用在冶金、煤炭、石油、化工、发电、热力、供水等行业，各个高耗能行业均有很大需求。其主要应用领域和对象如下：应用领域应用对象电力工业电厂锅炉辅机，如凝结水泵、送风机、一次风机、磨煤机、气泵前置泵、电动给水泵、引风机、射水机、高压交流油泵、凝升泵、排粉机、灰浆泵等;风力发电、太阳能发电设备钢铁工业轧机主传动装置、卷绕机、剪切机传动装置有色金属工业传送带系统、摇筛机、挖掘机、研磨机建筑材料工业鼓风机、研磨机化学工业各类压缩机煤炭工业皮带、矿井主扇风机、排水泵、提升机石油天然气工业输油泵、注水泵、潜油电泵石油化学工业循环水泵、加氢泵、压缩机机电工业泵、风扇、恒转矩传动装置轻工业离心传动装置、泵交通运输螺旋浆传动装置、船首推力器传动装置、横向推进器传动装置、电力牵引机车、动车组交流传动、磁悬浮牵引列车简介5变频器特性

GBP系列高压变频器是华飞公司自主研发和生产的高压交流电动机调速驱动装置。变频器采用先进的功率单元串联叠波技术、矢量控制技术、有源逆变能量回馈技术、新颖的全中文操作界面，可靠性高、性能优越、操作简便。可应用于需要单象限运行或四象限运行、带能量反馈、动态响应快、低速运行转矩大等高精度场合。简介5.1高质量电源输入输入侧隔离变压器二次线圈经过移相，为功率单元提供电源，消除了大部分由单个功率单元所引起的谐波电流，大大抑制了网侧谐波（尤其是低次谐波）的产生。变频器引起的电网谐波电压和谐波电流含量满足IEEEStd519-1992和GB/T14549-93《电能质量公用电网谐波》对谐波含量的最严格要求，无需安装输入滤波器并保护周边设备免受谐波干扰。变频器额定输入功率因数大于0.97，无需功率因数补偿电容；能减少无功输入，降低供电容量。简介5.2完美的输出性能单元串联脉宽调制叠波输出，大大削弱输出谐波含量，输出波形几近完美的正弦波，与其他形式的高压变频器比较具有以下优点：无需输出滤波装置。可以驱动普通高压电动机，而不会增加电机温升，降低电机容量。电机电缆无任何长度限制。保护电机绝缘不受dv/dt应力的损害。不会因为谐波力矩而降低设备使用寿命。简介5.3友好的用户界面

GBP系列高压变频器采用全中文液晶显示，面板轻触按钮直接操作，简单方便。全中文文字表述，易学易用。大屏幕显示，可对多组参数进行设置，没有烦琐的参数代码号，参数设置准确、直观、便捷。运行参数同屏显示，一览无余。状态显示。可记录保存多达20个历史故障。简介5.4其他特性高可靠性。高效率，额定工况下，系统总效率高达96%以上，其中变频部分效率大于98%。功率单元模块化结构，可以互换，维护简单。宽广的输入电压范围。功率单元光纤通讯控制，完全电气隔离。内置PID调节器，可实现闭环运行。具有本地、远程控制方式。全面的故障监测电路，及时的故障报警保护和准确的故障记录保存。可根据用户要求作特殊设计。简介6技术参数

GBP系列高压变频器现有6kV和10kV电压等级、单象限和四象限系列，根据用户要求可以定制其它非标准电压等级产品。下面列举了高压变频器的一些通用参数：电源频率50Hz额定输入电压6kV（-20%～15%）、10kV（-20%～15%）调制技术矢量控制技术控制电源220VAC，1kVA输入功率因数额定负载下>0.97效率（含变压器）额定负载下>0.96输出频率范围0Hz—50Hz输出频率分辨率0.1Hz过载能力100%-150%用户自设，反时限保护过流保护100%-200%用户自设，立即保护模拟量输入四路，0-10V/4-20mA可选模拟量输出两路，0-10V/4-20mA可选加减速时间1秒～999秒开关量输入输出24入/15出运行环境温度0—40℃贮存/运输温度-40—70℃冷却方式强迫风冷环境湿度<90%,不结露安装海拔高度<1000米（超过1000米时，需降额运行）变频器原理及构成

GBP系列高压变频器采用交-直-交直接高压方式，主电路开关元件为IGBT。由于IGBT耐压所限，无法直接逆变输出6kV、10kV，而因开关频率高、均压难度大等技术难题IGBT模块无法完成直接串联。GBP系列变频器采用功率单元串联，叠波升压，充分利用当今变频器的成熟技术，因而具有很高的可靠性。变频器原理及结构1变频器原理单元串联型变频器是这几年新兴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。整套变频器共有18个功率单元，每相由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，副边采用沿边三角形连接，共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６副三相小绕组，之间均匀相位偏移10度。变频器原理框图2GBP系列高压变频器的硬件构成

GBP系列高压变频器采用单元串联型变频器，由整流移相变压器柜、功率单元柜、控制柜三部分组成，为了使体积更小我们将单元柜和控制柜合并成了一个柜体。整机柜体如下图所示：GBP系列高压变频器结构图变频器各部分功能移相变压器将用户的6kV、10kV高压转变为580V、690V低压以满足IGBT模块的工作要求。变压器的副边绕组分为三组，构成脉冲整流方式；这种多级移相叠加的整流方式可以大大改善网侧的电流波形，使负载下的网侧功率因数接近1。另外，由于副边绕组的独立性，使每个功率单元的主回路相对独立，这样大大提高了可靠性。

1整流移相变压器整流移相变压器示意图变频器各部分功能1.1隔离变压器为三相干式整流变压器，风冷，具有使用寿命长、免维护等优点。变压器原边输入为变频器相应电压等级电压，Y形接法；副边绕组数量依变频器电压等级及整机结构而定，采用延边三角形接法，为每个功率单元提供三相电源输入。为了最大限度地抑制输入侧谐波含量，同一相的副边绕组通过延边三角形接法移相，绕组间的相位差由下式计算：1.2由于为功率单元提供电源的变压器副边绕组间有一定的相位差，从而消除了大部分由单个功率单元所引起的谐波电流，所以GBP系列变频器输入电流的总谐波含量（THD）远小于国家标准5%的要求，并且能保持接近1的输入功率因数。下图为6kV系列输入电流实录波形，几近完美的正弦波。2.1变频器输出是将多个三相输入、单相输出的低压功率单元串联叠波得到。如额定输出690VAC功率单元五个串联时产生3450V相电压。表1、2为GBP变频器功率单元配置。变频器各部分功能2功率单元变频器各部分功能2功率单元2.2相输出Y接，中性点悬浮，得到驱动电机所需的可变频三相高压电源。下图为6kV变频器系列的电压叠加示意图。2.3五个690VAC功率单元串联时，每个功率单元输出的电压波形串联后输出的相电压；可以得到+5～0～-5共11个不同的电平，如图a所示。增加电平的同时，每个电平的电压值大为降低，从而减小了dv/dt对电机绝缘的破坏，并大大削弱了输出电压的谐波含量，图b为6kV五单元变频器输出的Uab线电压波形实录图。因为电机电感的滤波效果，输出电流波形更优于电压波形，图c即为输出电流Ia的实录波形图。电压等级数量的增加，大大改善了变频器的输出性能，输出波形几乎接近正弦波。2.4功率单元的结构单象限功率单元，原理图如下，输入电源端R、S、T接变压器二次线圈的三相低压输出，三相二极管全波整流为直流环节电容充电，电容上的电压提供给由IGBT组成的单相H形桥式逆变电路。四象限功率单元与单象限功率单元相比，主要是整流部分的结构组成和原理有所不同，输入电源端R、S、T接电抗器三相输出端，电抗器三相输入接变压器二次线圈的三相低压输出，整流部分既可以为直流环节提供电能，又可以将直流环节多余的电能输送到电网。单象限功率单元实物图四象限功率单元实物图四象限功率单元能量回馈控制

1、采用滞环电流控制方式（瞬时电流跟踪控制技术）实现各单元的能量回馈功能，滞环电流控制是基于瞬时值反馈的一种常用的非线性电流控制方式，它直接检测三相电流并把检测的三相电流与参考信号通过滞环比较器比较，然后再经过输出时间锁定来决定上桥臂和下桥臂的开关状态。

2、当电动机发电运行，直流母线泵升电压上升至回馈电压时，自动调节回馈电流，稳定母线电压。具有回馈效率高、抗干扰能力强、功率损耗低的特点。变频器各部分功能3四象限变频器滤波电抗器组件电抗器组件的主要作用：

1、隔离电网电动势和变频器交流侧电压;

通过控制各功率单元的交流侧电压和电流的幅值与相位实现变频器的四象限运行；2、可滤除因PWM技术的应用在交流侧产生的谐波电流，实现变流器交流侧正弦电流的控制；3、使网侧变流器获得良好的电流波形，实现向电网传输功率。在变频器四象限运行系统中，交流侧电感的取值对网侧的影响是综合的，不仅影响系统的动、静态性能，还制约着变频器的回馈功率、功率因数和直流母线电压等主要指标。仅就四象限运行变频器的控制要求来讲,主要从满足主电路稳态有功（无功）指标、瞬态电流跟踪要求和谐波抑制三个指标。变频器各部分功能控制系统由控制器、PLC控制盘和人机界面组成。控制器由三块光纤板，一块信号板，一块主控板，一块从控板，一块电源板和一块母板组成。

PLC控制盘由电源、PLC模块、继电器、接线端子组成。人机界面由触摸屏，控制按钮及指示灯组成。4控制系统4.1控制器的功能采集变频器输入、输出侧的电压、电流值与PLC进行通讯，实现开停机、故障、运行、目标频率、运行频率等信号的传递采集单元信息，控制单元工作状态对输入信号进行计算和处理4.2PLC控制盘的功能与主控台进行通信，传递开关和模拟量信号与控制器通信4.3人机界面的功能负责信息处理和与外部的通讯联系；通过主控板和PLC控制盘通讯来的数据，计算出电流、电压、运行频率等运行参数，并实现对电机的过载、过流告警和保护。通过RS232通讯口与主控板连接，实时监控变频器系统的状态。应用方案根据用户需求，可采用不同的变频方案。1不保留工频备用系统，电机转子滑环短接1.1提人井（副井）对于具有人员升降智能的提升机，一般应配备有低频柜作为高压变频器的备用系统，在变频器故障时，投入低频柜，将绞车低速提升至井口，避免人员滞留井下。1.2非提人井（主井）对于不具有人员升降职能的提升机，直接由变频器驱动电机运行。2保留工频备用系统在某些场合，为了防止变频器故障影响生产，可以保留原有工频调速系统作为备用。变频器的日常维护

GBP高压变频器在设计和制造时已充分考虑到人身安全，然而作为高压设备，变频器内部连接均存在致命电压。另外，散热器和许多其他元器件都很热，不能接触。因此，在变频器操作和维护时必须考虑下列警告：

在柜内靠近或接触元器件时，要消除静电在变频器运行过程中，不要断开控制电源不要将易燃易爆物品存放在变频器柜内或周围操作时保持单手操作，穿戴安全防护鞋，并有其他人在场。不要带电连接或断开任何表计、电缆、通讯光缆和电路板。在检修或更换功率单元时，一定要将高压切断，然后方可打开高压柜门，并检查所有单元指示灯完全熄灭后才能接触功率单元。不要用高压摇表测量变频器的输出绝缘，这样会使功率单元中的开关器件损坏。经常检查室内温度，通风情况，注意室内温度不要超过40℃。经常检查变频器是否有异常声响，异味，柜体是否发热；排风口是否有异味。检查冷却风机是否运转正常，更换或清洗过滤网。清扫工作：过滤网、变压器柜、控制/功率单元柜。紧固工作：变压器进出线电缆、功率单元进出线电缆、控制电缆。

变频器的故障排查与分析变频器的故障分为轻故障和重故障两大类轻故障系统只是做提醒。重故障系统将报警并自动跳闸停机，故障原因被记录。哪些故障为轻故障变压器超温单元超温柜门打开哪些故障为重故障外部故障变压器过热输出过载单元重故障输出电流不平衡、输入电压不平衡输入电压过压、欠压、输入电流过流单元重故障又包括哪些故障单元超温快熔故障母线过压、母线欠压单元缺相光纤发送、光纤接收整流IGBT、逆变IGBT整流驱动、逆变驱动常见问题的处理

本变频器具有高度的智能化水平和完善的故障检测电路，并能对所有故障提供精确的定位，在人机界面上作出明确的指示。用户可以根据触摸屏显示的故障信息，分别采取相应的处理措施。

单元光纤通讯故障请检查功率单元控制电源是否正常，功率单元以及控制器的光纤连接头是否脱落，光纤是否损伤或折断。单元超温请检查环境温度是否超过允许值，功率单元柜风机是否正常工作，进风口和出风口是否畅通，装置是否长时间过载运行。最后检查功率单元温度继电器是否正常。单元直流母线过压请检查输入的高压电源是否超过允许最大值；如果是减速或者停机时过电压，请适当加大变频器的减速停机时间设定值。单元IGBT故障请检查功率单元输出L1、L2端子是否短路，电机绝缘是否完好，装置是否过载运行，负载是否存在机械故障。变压器过热跳闸隔离变压器严重过热节点闭合。请检查变压器副边接线绝缘是否完好，是否短路，装置是否过载运行，环境温度是否过高，变压器的冷却风机是否正常，风路是否通畅，温度控制器功能是否完好，温度控制器过热保护参数是否设定合理，参数是否被非法复位或修改。输出过载请检查参数设置，电机或负载机械是否堵转，电机绕组绝缘是否损坏；电源电压是否过低。现场典型故障事例根据多年现场维护维修的经验，遇到了各种各样的故障。这里有几个典型的故障事例与大家分享一下。事例1----风机反转，单元超温应用现场：主立井变频器型号：GBP-H06-06/400故障现象：每天晚上12：00左右，功率单元随机报单元超温故障，跳高压，休息一段时间后送电又能正常运行。故障原因：风机反转，单元散热不足。为什么风机会反转：柜顶风机的方向与6KV输入相续有关，用户在检修前级高开柜时无意间将相续更换。事例2----散热风道设计不合理应用现场：主立井变频器型号：GBP-H06-06/630故障现象：随机报单元超温故障，每天晚上故障频繁，重新复位上电后还能运行，但时间不长又会超温，故障单元不定。故障原因：散热风道设计不合理，散热不好导致单元超温。风道应该如何安装：如下图事例3----外界小动物引起的故障应用现场：斜井皮带变频器型号：GBP-D06-06/1000故障现象：皮带运行过程中间因检修将高压断电，检修过后再上高压却上不上，变频器报输入电流不平衡。故障原因：变压器Y型点对地短路。为什么会出现这种现象呢？事例4----刀闸闭合不到位引起的故障应用现场：副立井变频器型号：GBP-H06-06/315故障现象：运行过程中变频器掉电，具体故障不清楚。故障原因：隔离刀闸接触不好。细心操作才能保证运行良好。刀闸接触情况如下图所示：ABC图一、正常状态ABC图二、事故状态故障原因为隔离刀闸未合到位。事例5----螺丝松动引