第二部分高压变频系统组成

第二部分高压变频系统组成第1页，课件共19页，创作于2023年2月HIVERT系列高压变频器采用交-直-交直接高压（高-高）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，又因开关频率高、均压难度大等技术难题无法完成直接串联。HIVERT变频器采用功率单元串联，叠波升压，充分利用常压变频器的成熟技术，因而具有很高的可靠性。第2页，课件共19页，创作于2023年2月1.输入侧：移相变压器输入侧移相变压器将网侧高压变换为副边的多组低压，各副边绕组在绕制时采用延边三角接法，相互之间有一定的相位差相位差为60°/n。第3页，课件共19页，创作于2023年2月这种多级移相叠加的整流方式，能够消除大部分由独立功率单元引起的谐波电流，可以大大改善网侧的电流波形，使变频器网侧电流近似为正弦波，使其负载下的网侧功率因数达到0.95以上。每个功率单元分别由输入变压器的一组副边供电图2.2为6kV系列（每相五个单元串联）输入电流实录波形，几近完美的正弦波。图2.2输入电流波形第4页，课件共19页，创作于2023年2月2.输出侧变频器输出是将多个三相输入、单相输出的低压功率单元的输出串联叠波得到。三相输出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。图2.3为6kV和10kV变频器系列的电压叠加示意图。图2.3a6kV（5单元串联）电压叠加图

图2.3b10kV电压叠加图第5页，课件共19页，创作于2023年2月图2.4为五个690VAC功率单元串联时，每个功率单元输出的电压波形及其串联后输出的相电压波形示意图，可以得到5～0～-5共11个不同的电压等级。增加电压等级的同时，每个等级的电压值大为降低，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2.5为6kV五单元变频器输出的Uab线电压波形实录图，峰值电压为8.5KV。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2.6即为输出电流Ia的实录波形图，峰值电流130A。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。图2.46kV系列5单元输出及相电压波形示意图图2.5输出线电压波形图2.6输出电流波形第6页，课件共19页，创作于2023年2月二、功率单元

功率单元原理见图2.7，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。功率单元通过光纤接收信号，采用空间矢量正弦波脉宽调制（PWM）方式，控制Q1～Q4IGBT的导通和关断，输出单相脉宽调制波形。每个单元仅有三种可能的输出电压状态，当Q1和Q4导通时，L1和L2的输出电压状态为1；当Q2和Q3导通时，L1和L2的输出电压状态为-1；当Q1和Q2或者Q3和Q4导通时，L1和L2的输出电压状态为0。图2.7功率单元原理图第7页，课件共19页，创作于2023年2月功率单元可选单元旁路功能，当某个单元发生缺相故障、过热和IGBT故障而不能继续工作时，该单元及其另外两相相应位置上的单元将自动旁路，此时旁路开关K导通，以保证变频器连续工作，并发出旁路报警。单元旁路时，变频器因运行单元数量减少，额定输出电压能力将降低，但当变频器本身运行频率较低，如6kV系列运行频率低于40Hz时，10kV系列运行频率低于43.7Hz时，变频器将自动提高工作单元的输出电压，而保证变频器输出性能不变，实现无扰动自动旁路。第8页，课件共19页，创作于2023年2月每个功率单元内均有一块控制板和一块驱动板。控制板原理图见图2.8。控制板通过光纤（XS4）接收来自控制器的信号，经接收解码器解码后用于对IGBT及旁路开关（可选）的控制。同时，控制板上还有各种单元故障检测电路，如过热检测、缺相检测、直流母线过压检测、电源故障监测、光纤故障监测、驱动故障检测等，这些故障信号经过故障编码逻辑电路编码后，由光纤（XS3）发送回控制器，实现故障保护（接口板输出故障保护跳闸及故障报警指示）和故障记忆（人机界面显示故障原因、时间、位置，并保存）。控制板上的控制电源直接取自直流母线（通过XS1），经过开关电源的隔离和变换后得到所需控制电源。因此，高压电源失电后，控制电源并不会立即消失，控制板上的电源指示灯经过几分钟后才能熄灭。这种取电方式可以确保高压电源瞬时停电跟踪功能的实现。第9页，课件共19页，创作于2023年2月图2.8单元控制板原理图第10页，课件共19页，创作于2023年2月图2.9为单元驱动板原理图。驱动板用于产生4个IGBT的驱动信号，并将IGBT的故障信号反馈到单元控制板。驱动板通过端子XS5与控制板端子XS6相连，其中L控制左桥臂上的Q1、Q3两个IGBT，R控制右桥臂上的Q2、Q4两个IGBT，Q1、Q3和Q2、Q4通过反相器互锁；/INHB为IGBT禁止信号；/DR为IGBT的故障信号，反馈回控制板用于单元保护。

驱动板上的电源来自控制板，其中+15V电源被隔离成4路电源，分别用于4个IGBT的驱动。图2.9单元驱动板原理图第11页，课件共19页，创作于2023年2月三、控制系统控制系统由控制器、IO接口板和人机界面组成，各部分之间的联系，如图2.10HIVERT变频器控制系统结构图所示。

图2.10HIVERT变频器控制系统图（10kV系列）第12页，课件共19页，创作于2023年2月

控制器由三块光纤板、一块信号板、一块主控板和一块电源板组成，各板之间通过总线底板连接，如图2.11所示。光纤板通过光纤与功率单元传递数据信号，每块光纤板控制一相的所有单元。光纤板周期性向单元发出脉宽调制（PWM）信号或工作模式。单元通过光纤接收其触发指令和状态信号，并在故障时向光纤板发出故障代码信号。信号板采集变频器的输出电压、电流信号，并将模拟信号隔离、滤波和量程转换。转换后的信号用于变频器控制、保护，以及提供给主控板数据采集。主控板采用高速单片机，完成对电机控制的所有功能，运用正弦波空间矢量方式产生脉宽调制的三相电压指令。通过RS232通讯口与人机界面主控板进行交换数据，提供变频器的状态参数，并接受来自人机界面主控板的参数设置。第13页，课件共19页，创作于2023年2月图2.11控制器连接图第14页，课件共19页，创作于2023年2月人机界面为用户提供友好的全中文操作界面，负责信息处理和与外部的通讯联系，可选上位监控来实现变频器的网络化控制，人机界面由主控板、电源板、液晶显示屏和触摸键盘组成，见图2.12。通过主控板和IO接口板通讯来的数据，计算出电流、电压、功率、运行频率等运行参数，并实现对电机的过载、过流报警和保护等。通过RS232通讯口与主控板连接，通过RS485通讯口与IO接口板连接，实时监控变频器系统的状态。人机界面主控板上还有两个模拟输入通道，可以接收0-10V或4-20mA模拟信号，一路用于频率或闭环运行时的给定量模拟设定，另一路用于接收来自现场变送器的压力或流量等信号。第15页，课件共19页，创作于2023年2月图2.12人机界面原理图第16页，课件共19页，创作于2023年2月IO接口板用于变频器内部开关信号以及现场操作信号和状态信号的逻辑处理，增强了变频器现场应用的灵活性。IO接口板具有处理2路模拟量输入和2路模拟量输出的能力，模拟量输入用于处理模拟设置时的设置信号和来自现场的流量