详述高压变频器的工作原理与应用

详述高压变频器的工作原理与应用

陶运东 杨波

中国石化集团胜利石油管理局有限公司供水分公司257200

前言；在能源日益紧张的今天，交流变频调速技术作为节约能源的重要手段，受到各工业生产领域的重视，变压变频U/F可以平滑线性变速。调速的范围广，效率高、功率因数高，可降低启动电流冲击，实现软启动，获得较高的启动转矩，（转子所受的旋转磁场力）负载减速时可以实现能量回馈的再生制动，（减速制动时，属于电机四象限正转发电状态，需要能量回馈到电网中再利用。这一方面在介绍功率单元电路时再作详细说明。）使电机快速逆转（发电转电动），并且具有软启软停、简单可编程芯片易构成自动控制系统，交流变频调速技术是集电力电子、自动控制、微电子、半导体、电机学技术的一项高技术。它以其优异的调速性能，显著的节能效果在国民经济各领域广泛应用，是公认的最理想的电气传动方案，也是在今后电气传动的发展方向。

关键词：高压变频器 逆变结构 谐波 功率单元 电能回馈 电平 完美正弦波 延边移相变压器

1)背景；随着变频调速器技术发展，近年来我国大容量传动的高压变频技术得到广泛的应用。高压电动机利用高压变频器，实现无级（没有档位差）线性调速既满足了生产工艺过程电机控制的要求，又可以节约能源，降低成本提高生产效率。

我们孤北水厂引进两组高压变频控制系统与机组，自2018年投运以来在供水工艺系统外输环节生产中，得到了较好的应用，但是由于高压变频系统中各环节结构性能、功能、工作原理以及各部分之间联系控制十分复杂，所以在工作中，维护保养、分析判断故障定位，以及发生故障时如何应变快速处理，都非常棘手困难，因此也是基于这种思路，通过网络学习和与厂家的交流学习结合工作中的实际，阐述自己对这门技术知识和理解，抛砖引玉，望各位同行、专家提出指导性意见，深入探讨尽快掌握这门新技术。

2）6kv变频系统的构成与基本功能；为了更好的了解15单元多电平逆变器工作原理、结构、作用。分析各部分的组成结构和功能尤为重要，6kv变频系统是由进线柜、旁路柜、变压器柜、功率单元柜、控制柜和高压调速电机组成。

2.1旁路柜；主要是，当变频系统出现故障时，转为工频使用，以保障运行工作的连续性。内部结构A、B、C三相电源静触头刀口进线柜通过高压电缆相连，三组三相隔离刀闸与手柄机械连杆组成。工频与变频刀闸带有机械互锁双投二者只能投一，手柄带有电磁锁安全销，安全可靠、性能优良、断口明显等特点。

2.2干式延边移相变压器柜；高压变频可采用多种变压器如；多边形变压器、曲折形变压器、延边移相变压器，三角形延边移相，因一次侧有三次谐波闭合回路，所以二次绕组采用何种接线都不会影响电压波形畸变，且因移相而增加的容量较小，自损耗小，较经济。一般变压器原、副绕组之间虽然也存在隔离电路（通过电感线圈电路，消除原、副绕组之间电容因频率、电磁场造成的静电场，）的作用，但隔离变压器在高频的情况下，两绕组之间的电容，会使两侧电路产生静电干扰，为避免干扰一般隔离变压器，原、副绕组分别放在不同的芯线柱上减少两者之间的电容。也有采用原、副绕组同芯放置的，但是在绕组之间增加静电屏蔽装置以获得更高的抗干扰性。静电屏蔽就是在原、副绕组之间设置一片不闭合的铜片或非磁性导电纸，称为屏蔽层，铜片或非磁性导电纸连接在隔离变压器外壳。甚至有的为取得更好的屏蔽效果在整个变压器外壳还罩着一个屏蔽壳。对绕组的引出线也加屏蔽，防止外来的电磁干扰。隔离变压器是特殊用途的专用变压器，与普通变压器不同之处还有，它的初级线包绕组之间有隔离层，与接地端相接，所以次级端不但与电网完全隔离，隔离了静电场，它的安全性在于因二次侧对地悬浮不接地，因而输出端与地不构成回路，所以对保护人身安全，隔离静电、电磁干扰有很大的作用意义。

高压变频采用干式延边移相变压器，原边是星形接法，副边采用延边移相三角形接法，副边绕组有一定的相移相的角度可从—之间确定，也可根据公式；移相角度=每相单元数（逆变后的相线），副边饶组为功率单元提供电源，绕组间的相位差因功率单元数量及变频调速控制系统统的电压等级而定。变压后以副边绕组未移相的基础电压等级作参考，变化角度移相来增加不同电压等级取值（电平）增加整流脉数。

2.3．6KV多电平逆变结构；

如图所示，变频器共有15个功率单元A1～A5 B1～B5 C1～C5。每个功率单元输出电压690v，功率单元本身结构完全相同。6kv电网电压经过副边多重化隔离变压器给功率单元供电功率单元为三相输入，单向输出的交-直交非pwm电压源型逆变器，实现变频变压直接输出，给高压电机供电。以6kv输出电压等级为例，每相由5个额定电压690v的功率单元串联而成，输出相电压达3450v线电压达6kv左右，每个功率单元分别由输入变压器一组副边供电，单元之间变压器绕组之间互相绝缘。二次绕组采用延边移相三角形接法，实现多重化叠加，以达到降低输入谐波电流干扰目的。对6kv电压等级变频器有30脉冲的非pwm功率单元整流电路结构，它由两部分构成：输入单元部分由晶闸管三相可控整流桥组成，输出部分单元由IGBT构成的逆变桥组成，其输出电压状态为1,0，-1三个取值。如每相由5个单元叠加那么就产生11个电平，由此合成更加完美电压正弦波形。该功率单元结构特点（1）输出电压的幅值的调节由反并联可逆逻辑无环流可控整流电路来实现。（2）反并联可逆逻辑无环流可控整流电路侧可自动实现能量回馈，以达到节能的目的。（3）由于输出逆变模块开关频率不会高于输出频率避免了电网污染和电磁干扰现象。

2.4.控制装置：

每相5单元串联结构，整个电路共有15个功率电元。对于各相中同一位置的3个功率单元，采用用1片dsp（微处理器）进行控制，这样15个功率单元可以由5片dsp构成5个对称子系统在使用一个总的dsp做主芯片，对控制信号进行采样和运算以及必要的信息处理。对每个子系统中三个功率单元使用相同的载波信号，正弦调制波信号互差120度电角度，每相5个功率单元共有一个正弦调制波信号子系统始终由主控单元给出，通过光纤传送，从而保证整个系统始终一致，不止于发生漂移。子控芯片根据给定的补偿参数可以确定正弦波的频率，决定输出电压的频率。子控系统同时还对功率单元的过流、过压、欠压、和过热进行必要的保护。

3).结语：

采用高压变频系统对水厂、发电厂等高能耗用电设备如引风机、给水泵、外输水泵不仅能受到直接降低厂用电、降低碳排放、增大上网电量带来的经济效益，而且设备至机组的安全可靠性有了很大提高，高压变频技术在水厂应用有很值得推广的空间。在水厂、发电厂通常情况下其输入能量的15%—20%被电机、水泵、风机本身所消耗，约35%—50%的输入能量被挡板或阀门所消耗，因此目前采用变频调速是最好的选择。了解掌握高压变频器工作原理、结构不但能在工作中维护保养和正确使用上不盲目操作，还能够在检测判断故障时有了条理依据。

参考文献 ：《电源与新能源》《全球电气资源》2017、9

陶运东

2022年4月19日

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