HDHVF系高壓變頻調速裝置

一、概述

HDHVF系列高壓變頻調速裝置，主要由DSP+FPGA主控電路、人機界面和PLC共同構成，專門解決大中型高壓交流感應電機的調速和節能問題。其以高速 DSP 為控制核心，采用空間電壓矢量控制技術、功率模塊串聯多電平技術，以高可靠性、易操作、高性能為設計目標，滿足用戶各類負載的調速節能及改善生產工藝的需要，屬高-高電壓源型變頻器。該裝置的優點有：無諧波電源輸入、高功率因數、無諧波正弦波輸出。主要適用于電壓3/6/10kV，功率30000kW及以下電機的變頻調速。適用電機范圍為：
◆水泥、建材：主吸塵風機、窯爐引風機、窯爐供氣風機、預熱塔風機、冷卻器排風機、冷卻器吸塵風機、壓力送風機、生料研磨引風機、分選器風機
◆石油、石化及天然氣：主管道泵、注水泵、混合器、鹵水泵、鍋爐給水泵、潛油泵、氣體壓縮機、引風機、擠壓機
◆冶金采礦：通風風機、吸塵風機、引風機、除垢泵、泥漿泵、提升機
◆造紙/制糖：打漿機
◆制藥：清洗泵
◆電力：鍋爐給水泵、除塵風機、引風機、送風機、凝結水泵、循環水泵、泥漿泵、壓縮機、增壓風機
◆市政：飲水泵、送水泵、污水泵、凈化泵、清水泵

二、產品型號及結構說明

2.1、產品型號

注：輔助符號：M--配置手動旁路隔離開關柜
              A--配置自動旁路接觸器柜，默認為手動旁路柜
    電壓等級：06-6kV  10-10kV
    設計序號：1表示適用于風機、水泵類負載
例如：HDHVF1-630/10-M
表示 HDHVF 高壓變頻調速裝置適配電機功率為 630kW，電壓 10kV，適用于風機、水泵類負載電機，配置有手動旁路隔離柜。 

2.2、結構說明

HDHVF系列高壓變頻調速裝置由旁路柜、移相變壓器柜、功率模塊柜、控制柜構成。其中，旁路柜部分根據不同現場，要求也不同，在此不做說明。
 
 

三、工作原理

    HDHVF系列高壓變頻調速裝置采用高-高電壓源型變頻器電路結構，功率模塊串聯，輸出疊加成高壓，直接輸出到高壓電機。

3.1、主電路

3.1.1 HDHVF系列高壓變頻調速裝置典型電路拓撲圖

圖3.1.1：6kV高壓變頻調速裝置拓撲圖
（6kV系列一般有15個功率模塊，每5個功率模塊串聯成一相）

圖3.1.2：10kV高壓變頻調速裝置拓撲圖
（10kV系列一般有24個功率模塊，每8個功率模塊串聯成一相）
如上圖所示，對6kV變頻裝置來說，電機的每相由五個功率模塊串聯進行驅動，共15個功率模塊可產生6000V交流線電壓；對10kV變頻裝置來說，電機的每相由八個功率模塊串聯進行驅動，共24個功率模塊可產生10000V交流線電壓。
功率模塊串聯方式采用星型接法，中性線浮空。每個功率模塊由一個隔離變壓器的隔離次級繞組供電，輸入三相710V交流、50/60Hz電源，逆變輸出最高電壓為750V交流、最高頻率為120Hz的可變電源。
所有的功率模塊都接收來自同一個主控單元控制器的指令，這些指令通過光纖傳輸以保證高壓與低壓隔離。

3.1.2 HDHVF系列高壓變頻調速裝置典型功率模塊原理圖

圖3.1.3：典型功率模塊原理圖
    如上圖所示，由710V交流次級供電的三相二極管整流器將直流電容器組充電至約1000V直流左右，該直流電壓提供給由IGBT組成的單相H形橋式逆變電路。
    由于為功率模塊提供電源的移相變壓器次級繞組在繞制時相互之間有一定的相位差，每相8個功率模塊主電路可構成48脈沖整流方式，這種多級移相疊加的整流方式使得HDHVF系列高壓變頻調速裝置的變頻器能產生非常接近正弦波的輸出波形，這樣消除了大部分由獨立功率模塊引起的諧波電流，所以從電網汲取的電流也近似于正弦波形。

3.2、控制系統

HDHVF系列高壓變頻調速裝置控制系統主要由主控單元和PLC組成。主控單元由電源板、采樣板、繼電器板、主控板和光纖接口板組成。該控制系統通過測量和控制交流電動機定子電流矢量，根據磁場定向原理分別對交流電動機的勵磁電流和轉矩電流進行控制，從而達到控制交流電動機轉矩的目的。即，采樣板對輸入輸出信號進行檢測，將信號進行量程轉換和濾波，然后再通過母板送到主控板上。主控板的核心器件由DSP+FPGA組成，對信號分析做出處理，對各功率模塊進行PWM波形控制、觸發、封鎖、旁路IGBT，使變頻裝置提供相應的頻率和電壓輸出，PLC接收用戶的控制指令（啟動、停機、急停、頻率給定等），實現各種開關信號邏輯處理，控制系統還對變頻裝置各部件的狀態（如各個功率模塊、變壓器、風機等）進行監控，提供故障診斷信息，實現故障的報警和保護。現場應用中，控制系統可實現與現場的靈活接口，提供閥門聯動、自動調度等現場需要的控制功能，方便改變控制方式，滿足用戶現場的特殊要求。

3.3、旁路裝置

旁路裝置的作用是當高壓變頻調速裝置出現重大故障而不能正常工作時，可以實現變頻到工頻運行的切換。它分為手動旁路裝置和自動旁路裝置兩種。用戶可根據現場具體情況選配合適的旁路裝置。但是手動旁路裝置在變頻運行和工頻運行切換時必須等電機完全停止后才能操作相應的隔離開關。而自動旁路裝置在變頻運行與工頻運行切換時，系統會自動切換高壓接觸器的閉合與斷開。旁路裝置接線示意圖如下：

四、性能特點

◆高-高直接高壓供電：高壓直接輸入，高壓直接輸出，無需輸出升壓變壓器，設備占用面積小，適用于普通交流感應電機；
◆無諧波輸入：使用移相多重化整流技術，電壓電流諧波小，輸入無需增加諧波治理裝置，不對電網產生污染；
◆無諧波輸出：輸出標準正弦波電流，電壓電流諧波小，輸出無需增加諧波補償裝置，不增加電機的運轉噪音、不產生附加應力；
◆高效率：效率高達96%以上；
◆高功率因數：功率因數可達到 0.95 以上；
◆高可靠性：具有故障自動旁路和高壓掉電重起功能，確保出現故障電機不停機運行；
◆高安全性：設計遵循高壓國家強制規范，高壓主回路與控制回路之間光纖連接，安全可靠；
◆高靈活性：通過 PLC 進行現場控制，可通過人機界面修改參數，靈活改變控制方式，具有多種標準通信協議，可方便與中控系統進行通信；  
◆完善的保護和故障報警設計：完備的系統保護功能和功率模塊保護功能，各種保護動作后，能實現故障自動記錄、事故記憶.故障記錄能自動記錄各種保護的動作類型、動作時間，可以幫助技術人員分析故障原因，并進行故障定位；
◆安裝、調試、維護方便：功率模塊為抽屜形式，與外接線采用接插件方式，無需人工接線，具有良好的互換性，方便更換 。

五、其他技術特點 

◆波形數字化直接合成自適應技術：HDHVF高壓變頻波形產生部分是用單片FPGA 經過計算得到離散化的頻率和幅值均可控的三相波形數據，再和不同相位的三角載波相比較，產生波形數據信號控制同一
相功率模塊輸出相同幅值和相位的基波電壓，但串聯各單元的載波之間互相錯開一定電角度，實現多電平疊加波形，這樣就大大提高了整體控制系統的可靠性。
◆快速飛車啟動技術：在變頻器受到負載沖擊保護后可對其自動復位，然后再自動啟動，即可避免重要場合（如水泥廠高溫風機）變頻保護停機造成的損失。快速飛車啟動技術可實現變頻器在最短 0.1s 之內從保護狀態復位重新帶載運行。
◆電網瞬時掉電重啟技術：電網瞬間掉電可自動重啟，可提供最長 60s 的等待時間
◆全中文人機界面：準確的故障定位及記錄功能，單元母線電壓、溫度顯示功能，運行電壓、電流、頻率記錄可查詢。
◆雙回路控制電源供電：采用變壓器次級繞組為備用控制電源，保證系統運行期間安全。
◆多種控制方式：可選擇本機控制、遠控盒控制、DCS 控制，支持 MODBUS、PROFIBUS 等通訊協議，頻率設定可以現場給定、遠程模擬給定、通訊給定等，支持頻率預設、加減速功能。
◆高功率密度：單元體積小 ，模塊化設計，整機結構緊湊，占用空間小。
◆完善的保護機制 ：保護單元包含缺相、過壓、一級過壓、過流、下行通信、二級過壓、欠壓7種保護，故障單元數少于設定個數時，整機仍可運行。整機保護包含軟件過流、輸入過壓、 輸入欠壓、輸出缺相、電機過載、輸出不平衡等。

六、技術參數 

七、產品方案

八、產品選型

8.1 6kV高壓變頻調速裝置外型尺寸選型表  

8.2 10kV高壓變頻調速裝置外型尺寸選型表

注：◆ 額定電壓6kV,電機功率超過5000kW時，或者額定電壓10kV,電機功率超過10000kW時，高壓變
頻調速裝置將另行設計；
    ◆ 產品選型表中的外型尺寸不包含旁路柜，柜體總體高度不包含底部基座槽鋼（100mm）和柜頂散熱風機（286~361mm）的尺寸；
    ◆ 當采用手動旁路時，旁路柜寬度為 1100mm；當采用自動旁路時，6KV 旁路柜寬度為 600mm，10KV旁路柜寬度為 800mm；
◆ 設備尺寸如有變動，恕不另行通知，具體尺寸以技術協議為準；
◆ 變頻裝置散熱建議配置空調，如需外加風道散熱，須根據現場情況另行設計。

8.3 高壓變頻調速裝置外型及安裝示意圖

九、其他

9.1正常工作條件 

    最低環境溫度 0℃，最高環境溫度 40℃，工作環境的溫度變化應不大于 5℃/h。如果環境溫度超過允許值，應考慮配備相應的空調設備；
環境濕度小于90%（20℃），相對濕度的變化率每小時不超過 5%，避免凝露；
    安裝高度要小于海拔1000米。若安裝高度超過海拔1000米，設備須降額使用，或采用通風的措施，也可以做特殊設計；
在無爆炸危險的介質中，且介質中無足以腐蝕金屬的破壞絕緣的氣體與塵埃。

9.2運輸、儲存及安裝   

9.2.1運輸

HDHVF高壓變頻調速裝置可以用汽車、火車、輪船等交通工具運輸。產品在運輸過程中必須小心輕
放、嚴禁雨淋、暴曬，不應有劇烈振動、撞擊和倒放。運輸溫度應在-40～+70℃范圍內；
HDHVF高壓變頻調速裝置最大高度為2680mm，包裝后總高不超過2880mm，選擇運輸工具時，請同時考慮運輸過程中是否有限高等因素存在。  

9.2.2儲存 

    HDHVF高壓變頻調速裝置不得暴曬及淋雨，應存放在空氣流通、周圍介質濕度在-40～+70℃范圍內，空氣最大相對濕度不超過 90%（相當于空氣溫度 20±5℃時）時通風、干燥、無灰塵的倉庫中；
存放 HDHVF高壓變頻調速裝置時應防止嚙齒動物侵入，應避免霉菌侵蝕；
防止 HDHVF高壓變頻調速裝置受到鹽霧、危險性氣體、腐蝕性液體等的侵蝕。    

9.2.3設備安裝 

用戶負責調速裝置柜體就位和現場的所有電纜提供、敷設、試驗、連接，設備廠家提供技術指導，設備廠家負責裝置柜內的高低壓線的電氣安裝和設備調試；
安裝場地必須有足夠的承載能力，基礎必須牢固；
考慮通風散熱器及操作空間的要求，整套裝置背面離墻大于1000mm，裝置頂部與屋頂空間距離大于1000mm，裝置正面離墻大于1500mm；
調速設備應采用機動叉車從設備底部叉車孔進行操作，如需采用吊車必須從設備底部吊裝，吊裝時應避免損壞儀表或漆層；
調速設備應牢固安裝于基座之上，并和廠房大地可靠連接。變壓器屏蔽層及接地端子 PE也應接至廠房大地。各柜體之間應排列整齊，相互連接成一個整體；
安裝過程中，要防止變頻器受到撞擊和震動，所有柜體不得倒置，傾斜角度不得超過 30°；
輸入輸出高壓電纜必須經過嚴格的耐壓試驗，信號線與強電分開布線；
用戶現場安裝場地就緒，安裝基礎就緒，吊運設備就緒；
用戶現場高壓電纜鋪設到位，控制電源和信號電纜鋪設到位；
用戶現場高壓開關具備送電條件，電機及輔助設備具備運轉條件。  

9.3訂貨須知 

為獲得最佳調速節能效果，HDHVF高壓變頻調速裝置額定容量最好根據電機負載情況進行選配。為此用戶在訂貨時應提供電動機型號、功率、定子電壓、電流等數據以及帶動負載的類型及電機實際負荷率等情況。