【文章內(nèi)容簡介】 8以上。逆變器輸出采用多電平控制式 PWM技術(shù)，同一相的功率單元輸出相同幅值和相位的基波電壓，但串聯(lián)各單元的載波之間互相錯開一定的電角度，實(shí)現(xiàn)多電平PWM，輸出電壓非常接近于正弦波 ，每個電平臺階只有單元直流母線電壓大小dv／dt很小，功率單元采用較低的開關(guān)頻率，以降低開關(guān)損耗。 旁路柜在變頻器維護(hù)過程中或變頻器出現(xiàn)故障時，將電機(jī)投入到工頻電網(wǎng)運(yùn)行，保證生產(chǎn)不受影響。變頻運(yùn)行時，變頻器為電機(jī)提供全面的保護(hù)。旁路柜的設(shè)計主要決定于高壓變頻器所帶負(fù)載的數(shù)目以及工頻和變頻工作方式的切換方法。引風(fēng)機(jī)的運(yùn)行方式?jīng)Q定了變頻調(diào)速系統(tǒng)采用了一拖一的變頻器調(diào)速方式，因此，其旁路柜功能和結(jié)構(gòu)就較為簡單。旁路柜主要配置：四個真空接觸器KMKMKMKM4和兩個刀閘隔離開關(guān)KK2。該方案在設(shè)計中考慮了如下問題:(1)刀閘kk2無機(jī)械閉鎖功能，只是在檢修時由手動斷開以形成明顯的斷開點(diǎn)，確保工作人員的安全。在工頻和變頻運(yùn)行狀況下均處于閉合狀態(tài)。(2)工頻旁路接觸器KM3與變頻進(jìn)線接觸器KM變頻出線接觸器KM1具備電氣閉鎖功能，不能同時閉合。(3)在變頻運(yùn)行狀況下，KMKM4閉合，KM3斷開。如需自動切換至工頻運(yùn)行，此時先停止變頻器輸出，跳閘用戶10kv開關(guān)柜，再由電氣控制依次斷開KMKM4，然后閉合KM3使電機(jī)切換至工頻側(cè)，再合閘開關(guān)柜，使電機(jī)工頻運(yùn)行。(4)在工頻旁路運(yùn)行狀況下KM3閉合，KMKM4斷開。如需自動切換至變頻運(yùn)行，此時由電氣線路控制先跳閘10kv開關(guān)柜，再斷開KM3，然后依次閉合KMKM1，再合閘開關(guān)柜，啟動變頻器，完成由工頻旁路運(yùn)行到變頻運(yùn)行的自動切換。電機(jī)工頻運(yùn)行時，若需對變頻器進(jìn)行故障處理或維護(hù)，切記在KMKM4分閘狀態(tài)下，將隔離刀閘K1和K2斷開。 合閘閉鎖：將變頻器“合閘允許”信號串聯(lián)于KMKM4合閘回路。在變頻器故障或不就緒時，高壓斷路器KMKM4合閘不允許；在KMKM4合閘狀態(tài)下，若變頻器出現(xiàn)故障，則“合閘允許”斷開，KMKM2跳閘，分?jǐn)嘧冾l器高壓輸入電源。 旁路投入：將變頻器“旁路投入”信號并聯(lián)于KM3合閘回路。變頻運(yùn)行狀態(tài)下，若變頻器出現(xiàn)故障且自動投入允許，或者需要將電機(jī)從變頻投入到工頻狀態(tài)運(yùn)行（按下“工頻投切”按鈕），系統(tǒng)將首先分?jǐn)嘧冾l器高壓輸入、輸出開關(guān)KM1和KM4，經(jīng)過一定延時后，“旁路投入”閉合，即工頻旁路開關(guān)KM3合閘，電機(jī)投入電網(wǎng)工頻運(yùn)行。旁路功能:高壓變頻器增設(shè)有旁路開關(guān)柜分自動和手動旁路柜兩種，設(shè)計時可以根據(jù)現(xiàn)場運(yùn)行設(shè)備穩(wěn)定性要求分別選擇自動或手動旁路柜。高壓變頻器可實(shí)現(xiàn)正常狀態(tài)時的軟啟動，工頻運(yùn)行與變頻運(yùn)行的相互切換功能一滿足現(xiàn)場運(yùn)行需要。手動旁路：當(dāng)高壓變頻器在故障維護(hù)狀態(tài)時，可將旁路柜的K1和K2斷開，然后人工合上KM3，將高壓變頻器隔離，從而不影響高壓電動機(jī)的正常運(yùn)行。自動旁路：變頻器在故障維護(hù)狀態(tài)時，可通過智能控制設(shè)備實(shí)現(xiàn)K1和K2開關(guān)自動跳閘，KM3自動合閘的切換功能，變頻器需要檢修維護(hù)時也可通過自動旁路開關(guān)柜的自動/手動啟停方式選擇實(shí)現(xiàn)高壓電機(jī)的變頻/工頻運(yùn)行，從而滿足工藝要求。 本文設(shè)計的10kV電壓等級的高壓變頻器最大優(yōu)勢之一就是采用移相變壓器，實(shí)現(xiàn)輸入多重化，使其減少輸入諧波。移相變壓器具有三個功能：①實(shí)現(xiàn)一次側(cè)、二次側(cè)線電壓的相位偏移，以消除諧波。②變換得到需要的二次側(cè)電壓。③實(shí)現(xiàn)整流器與電網(wǎng)間的隔離。圖43 移相變壓器結(jié)構(gòu)圖其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 43所示。變壓器輸入繞組接到10KV三相電壓，輸出繞組有24組副邊繞組，分為8個功率單元 / 相，三相共 24 個單元。移相角分為177。3．75176。、177。11．25176。、177。18．75176。、177。26．25176。，每移相組的電壓為720V，有a1a8供8個移相組串接組成的A相的每相相電壓為5760V，同此情況，分別有b1b8和c1c8串接組成B相和C相的相電壓也為5760V，線電壓為10000V。移相整流變壓器為功率單元串聯(lián)型高壓變頻器的輸入端的整流變壓器又稱為“移相整流變壓器”或“移相隔離變壓器”。在電網(wǎng)三相電壓的情況下，為了使閥側(cè)（整流后的低壓直流側(cè)）輸出有更好的波形及減少諧波分量，我們往往采用多相的整流線路。采用移相整流變壓器一方面是為了提高整流效率，也為了降低諧波分量，而后者往往是人們要進(jìn)行要求設(shè)計的。論文設(shè)計的采用8級串聯(lián)，理論上能消除23次以內(nèi)的諧波。設(shè)計時采用了二次側(cè)移相，二次側(cè)移相比較簡單，我們知道在電網(wǎng)三相電壓的基礎(chǔ)上，為了獲得均勻分布多脈波閥側(cè)電壓，需要將每相閥側(cè)電壓在120內(nèi)均勻展開。我們采用一次側(cè)繞組聯(lián)結(jié)成Y接，二次側(cè)由多個延邊三角形的移相繞組并聯(lián)在一臺變壓器上，由這些若干個延邊三角形的移相繞組來得到所需要的不同的移相角度，從而得到單臺移相整流變壓器輸出的脈波數(shù)為48。48脈波移相整流變壓器，在每個鐵心柱上有24個延邊三角形的二次側(cè)繞組，它們的間隔為360/48=176。，即各個二次側(cè)繞組的移相角度為+176。、+176。、+176。、+176。、176。、176。、176。、176。(1) 額定輸出低壓的確定 移相整流變壓器的額定低壓取決于高壓變頻器的功率單元的承受電壓。高壓變頻器的功率單元(低壓IGBT)的設(shè)計承受電壓為720V，每相設(shè)計8個功率單元串聯(lián)。那么所對應(yīng)的線電壓(Y接)為10000V。這樣，移相整流變壓器的額定輸出低壓也就確定為720V。 (2) 二次繞組相位差的設(shè)計移相整流變壓器的二次繞組的相位差是由整流的脈波數(shù)決定的，也就是由高壓變頻器的功率單元的串聯(lián)數(shù)量決定，以本設(shè)計為例，每相設(shè)計8個功率單元，那么單臺移相整流變壓器輸出的脈波數(shù)為68=48脈波。則二次繞組的相位差為360／48=176。，對于8副邊的變壓器，其移相角分別為+176。、+176。、+176。、+176。、176。、176。、176。、176。，176。延邊三角形聯(lián)結(jié)方式分為正序聯(lián)結(jié)和反序(逆序)聯(lián)結(jié)。由于正序聯(lián)結(jié)時，其移相角是順時針方式，稱為負(fù)角度；反序聯(lián)結(jié)時，其移相角是逆時針方式，稱為正角度。而無論是正序聯(lián)結(jié)還是反序聯(lián)結(jié)，純?nèi)切螘r，均作為0176。可將正序聯(lián)結(jié)稱為0176。，反序聯(lián)結(jié)稱為+0176。聯(lián)結(jié)方式及移相見圖44。 從移相上看，根據(jù)移相組的多少，在177。30。角度內(nèi)，采用等間距的電氣角度作為各移相角，就形成上述各移相角度。各移相組的角度誤差及電壓誤差均控制在最小值，副邊各移相組具有相同的電壓和電流，但不相同的相位角，各移相組平均總的功率，其電壓經(jīng)整流后疊加，再進(jìn)行逆變和變頻。圖44 主移繞組聯(lián)結(jié)圖及電壓向量圖 (4) 延邊三角形移相繞組和主繞組電壓的計算 按正弦定理可得： 移相繞組電壓Uy=U2(sinβ/sin1200)=2/U2sinβ (2)主繞組電壓 Uz =U2[sin(600β)sin(β)]/sin1200 = 2 U2sin(300β) (3) 其中： U2 — 變頻器單元所需電壓（V） β— 所確定的移相角（度） 應(yīng)根據(jù)式(2)， (3)分別計算各移相角所對應(yīng)的電壓。(5) 延邊三角形移相繞組和主繞組電流的計算一次側(cè)電流：I1=P*103/3/ U相（A） （4） 二次側(cè)電流：移相繞組電流：Iy=P*103/ U2（A） （5）每一支路電流：Iy支= Iy/N（A） （6）主繞組電流： Iz= Iy （A） （7）每一支路電流：Iz支= Iz/N（A） （8）其中：P — 變壓器容量N —二次側(cè)繞組副邊數(shù)應(yīng)根據(jù)式(4)～(8)分別計算各移相角所對應(yīng)的電流。移相變壓器采用干式整流變壓器。這種變壓器可以防潮、阻燃，對環(huán)境適應(yīng)性好，而且變壓器尺寸緊湊，占用空間小。變壓器柜內(nèi)設(shè)計：柜內(nèi)安裝為功率單元提供三相電源的移相變壓器。柜門上設(shè)有干式變壓器溫度控制儀，為變壓器提供風(fēng)機(jī)控制以及溫度報警和過熱保護(hù)。柜前門內(nèi)側(cè)裝有行程開關(guān)，當(dāng)柜門打開時報警。柜后門裝有電磁鎖，當(dāng)高壓電進(jìn)入柜內(nèi)，電磁鎖自動鎖死，需用專用的電磁鎖鑰匙才能打開柜子的后門。 變壓器前面右側(cè)和后面左側(cè)是副邊繞組接線區(qū)域，與相應(yīng)的三相電抗器輸入電纜連接。輸入電源接線在后面上部，直接進(jìn)入變壓器；輸入電壓檢測直接接在變壓器輸入側(cè)，輸入電流檢測在變壓器的Y接星點(diǎn)電纜上。功率單元主要由三相橋式整流橋、濾波電容器、IGBT逆變橋構(gòu)成，以及功率器件的驅(qū)動、保護(hù)、信號采集、光纖通訊等功能組成的控制電路。每個電流大小相同的功率單元在結(jié)構(gòu)及電氣性能上完全一致，可以互換. 單元柜內(nèi)安裝的功率單元和三相輸入電抗器分成三組，每組串聯(lián)成一相，每相串聯(lián)8個功率單元和8個電抗器，分前后排列。串聯(lián)后ABC1三個功率單元星接，最后三個單元ABC8輸出接高壓輸出室的接線銅排上。星接電纜上穿有霍爾電流傳感器，檢測輸出電流。功率單元主要由整流（交流變直流）、濾波、再次整流（直流變交流）、交直部分。整流電路：由VD1VD6六個整流二極管組成三相不可控全波整流橋。采用二極管整流電路的另一個優(yōu)點(diǎn)是變壓器對浪涌電壓的吸收能力較強(qiáng)，雷擊或操作過電壓可以經(jīng)過變壓器產(chǎn)生浪涌電流，經(jīng)過功率單元的整流二極管，給濾波電容充電，濾波電容足以吸收到單元的浪涌能量。濾波電路：電容的耐壓強(qiáng)度一般為400V,還有一部分余量，直流直流母線電壓為720V，兩個電容串聯(lián)就滿足設(shè)計要求，這里選取三個電容串聯(lián)。圖45單元電路主電路圖緩沖電路：電阻R串入直流主電路中，通電一段時間之后接通繼電器將其移除，本設(shè)計采用的是利用電源與直流母線電壓的關(guān)系，來確定開關(guān)K5的接通時間。當(dāng)接通電源時，電容電壓較低，此時電源電路不工作，不能輸出24V電源，繼電器不動作，直流電流流過電阻R給電容充電，當(dāng)電容兩端電壓上升到一定值之后，電源電路開始工作，輸出24V電源繼電器閉合，電阻R被短接。主電路參數(shù)設(shè)計如下：均壓電阻 R=20kΩ濾波電容 C1C3=3300Uf/400V整流二極管 VD1VD6=250A/2000VIGBT模塊 V1V4=200A/1700V 。儲能電容：又叫電解電容，在充電電路中主要作用為儲能和濾波。PN端的電壓電壓工作范圍一般在 430VDC～1200VDC 之間，而一般的高壓電容都在 400VDC左右，為了滿足耐壓需要就必須是三個400VDC的電容串起來作1200VDC。容量選擇為3300uf/400V。均壓電阻：防止由于儲能電容電壓的不均燒壞儲能電容；因?yàn)槎€電解電容不可能做成完全一致，這樣每個電容上所承受的電壓就可能不同，承受電壓高的發(fā)熱嚴(yán)重或超過耐壓值而損壞 。C5濾波電容,主要作用為吸收IGBT的過流與過壓能量。 VT1VT4逆變管（IGBT絕緣柵雙極型功率管）：構(gòu)成逆變電路的主要器件，也是變頻器的核心元件。把直流電逆變頻率，幅值都可調(diào)的交流電。續(xù)流二極管作用是把在電動機(jī)在制動過程中將再生電流返回直流電提供通道并為逆變管VT1VT4在交替導(dǎo)通和截止的換相過程中，提供通道。功率單元控制結(jié)構(gòu)如圖46：直流母線經(jīng)充電電阻R給電容充電，當(dāng)電容電壓上升的接近飽和時，反饋給主控板，主控板輸出信號時開關(guān)閉合，切除電阻R。旁路作用是在功率單元模塊出現(xiàn)故障，主控板檢測到故障信號，迅速啟動閉合旁路開關(guān)，切除功率單元，不耽誤系統(tǒng)正常運(yùn)行。圖46 功率單元控制結(jié)構(gòu)圖控制部分:電源板、驅(qū)動板、控制板（CPU板）。電源板：開關(guān)電源電路向操作面板、主控板、驅(qū)動電路、檢測電路及風(fēng)扇等提供低壓電源， 開關(guān)電源提供的低壓電源有：177。5V、177。15V 、177。24V向CPU其附屬電路、控制電路、顯示面板等提供電源。驅(qū)動板：主要是將CPU生成的PWM脈沖經(jīng)驅(qū)動電路產(chǎn)生符合要求的驅(qū)動信號激勵I(lǐng)GBT輸出電壓?？刂瓢澹–PU板）：也叫CPU板相當(dāng)人的大腦，處理各種信號以及控制程序等部分。 輸入側(cè)及輸出側(cè)結(jié)構(gòu) 輸入側(cè)由移相變壓器給每個單元供電，高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)在10kV電源側(cè)采用多達(dá)48脈沖移相整流技術(shù)，電網(wǎng)側(cè)諧波污染小，功率因數(shù)高，無需功率因數(shù)補(bǔ)償及諧波抑制裝置，對同一電網(wǎng)上用電的其它電氣設(shè)備不產(chǎn)生諧波干擾。 每個功率單元都承受電機(jī)電流、1/8的相電壓、1/24的輸出功率。24個單元在變壓器上都有自己獨(dú)立