电力拖动课程设计--高压电机变频(10000伏)控制系统的选择设计

电力拖动课程设计

高压电机变频（10000伏）控制系统的选择设计

引言

高压变频器应用的领域和范围也越来越为大，这使得高效、合理地利用能源（尤其是电能）成为了可能。电机是国民经济中主要的耗电大户，高压大功率的更为突出，而这些设备大部分都有节能的潜力。大力发展高压大功率变频调速技术，将是时代赋予我们的一项神圣使命，而这使命也将具有深远的意义。

由于电力电子技术的不断发展和进步，伴随着新的控制理论的提出与完善，使交流调速传动，尤其是性能优异的变频调速传动得到飞速的发展。近年来，变频器的售价不断下降，而其使用功能却不断提升和扩大，它现在已经广泛应用于从一些数百瓦级的家用器械直到一些数千千瓦级的大型工业传动装置的驱动。交流变频调速已从最初的只能用于风机、水泵的调速过渡到应用于各类要求高精度、快响应的高性能调速指标的工业现场。变频器的大量推广使用，在节能、省力化、自动化及提高生产率、提高质量、减少维修和提高舒适性等多方面都取得了令世人瞩目的应用效果。但是，变频器毕竟是近二十年来新出现的一种蕴涵多种高新技术的电力电子产品，要想让它发挥很好的应用效果，就必须对它的选型和配置做深入的研究。

设计要求

通过设计学生应熟悉各种电气设备，电动机，变频器，传感器，PID调节器等。

要求完成资料收集工作、提出设计方案并完成全部设计工作。在设计工作中，对所提供的各部分图纸应符合制图标准，并要求所有电气工程符号应采用国家统一标准。

目录

一、交流调速系统概述 (4)

二、高压变频器概述 (4)

三、系统组成及工作原理 (6)

四、高压变频器技术参数 (8)

五、系统故障及处理方法 (16)

六、结束语 (20)

一、交流调速系统概述

相对与传统的直流调速等而言的的现代交流调速系统，近三十余年来，世界各国都在致力于交流电动机调速系统的研究，并不断取得突破。到现在为止，高性能的交流拖动系统正逐步取代直流拖动系统，交流伺服系统也正占据越来越大的市场份额。交流调速的发展可具体归纳为三个方面：首先，转差频率控制、矢量变换控制和直接转矩控制等新的交流调速理论的诞生，使交流调速有了新的理论基础；其次，GTR、MOSFET 、IGBT 等为代表的新一代大功率电力电子器件的出现，其开关频率、功率容量都有很大的提高，为交流调速装置奠定了物质基础；再者，微处理器的飞速发展，使交流调速系统许多复杂的控制算法和控制方式能得以实现。

随着电力电子器件大规模集成电路和计算机控制技术的迅速发展，以及现代控制理论向交流电气传动领域的渗透，为交流调速系统的开发研究进一步创造了有利的条件。诸如交流电动机的串级调速、各种类型的变频调速，特别是矢量控制技术的应用，使得交流调速系统逐步具备了宽的调速范围、较高的稳速精度、快速的动态响应以及在四象限作可逆运行等良好的技术性能。交流调速传动的客观发展趋势以表明，它完全可以和直流传动相抗衡，并有取代的趋势。

二、高压变频器概述

变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。随着现代电力电子技术和微电子技术的迅猛发展，高压大功率变频调速装置不断地成熟起来，原来一直难于解决的高压问题，近年来通过器件串联或单元串联得到了很好的解决。

高压变频器其应用的领域和范围也越来越为大，这使得高效、合理地利用能源（尤其是电能）成为了可能。电机是国民经济中主要的耗电大户，高压大功率的更为突出，而这些设备大部分都有节能的潜力。大力发展高压大功率变频调速设计，将是时代赋予我们的一项神圣使命，而这一使命也将具有深远的意义。

高压大功率变频调速装置被广泛地应用于大型矿泉水应用生产厂、石油化工、市政供水、冶金钢铁、电力能源等行业的各种风机、水泵、压缩机、轧钢

机等。

在冶金、化工、电力、市政供水和采矿等行业广泛应用的泵类负载，占整个用电设备能耗的40%左右，电费在自来水厂甚至占制水成本的50%。这是因为：一方面，设备在设计时，通常都留有一定的余量；另一方面，由于工况的变化，需要泵机输出不同的流量。随着市场经济的发展和自动化，智能化程度的提高，采用高压变频器对泵类负载进行速度控制，不但对改进工艺、提高产品质量有好处，又是节能和设备经济运行的要求，是可持续发展的必然趋势。对泵类负载进行调速控制的好处甚多。从应用实例看，大多已取得了较好的效果(有的节能高达30%-40%)，大幅度降低了自来水厂的制水成本，提高了自动化程度，且有利于泵机和管网的降压运行，减少了渗漏、爆管，可延长设备使用寿命。

高压变频器的未来发展态势

交流变频调速技术是强弱电混合，机电一体的综合技术，既要处理巨大电能的转换（整流、逆变），又要处理信息的收集、变换和传输，因此它必定会分成功率和控制两大部分。前者要解决与高压大电流有关的技术问题，后者要解决的软硬件控制问题。因此，未来高压变频调速技术也将在这两方面得到发展，其主要表现为：

①高压变频器将朝着大功率，小型化，轻型化的方向发展。

②高压变频器将向着直接器件高压和多重叠加（器件串联和单元串联）两个方向发展。

③更高电压、更大电流的新型电力半导体器件将应用在高压变频器中。

④现阶段，IGBT、IGCT、SGCT仍将扮演着主要的角色，SCR、GTO将会退出变频器市场。

⑤无速度传感器的矢量控制、磁通控制和直接转矩控制等技术的应用将趋于成熟。

⑥全面实现数字化和自动化：参数自设定技术；过程自优化技术；故障自诊断技术。

⑦应用32位MCU、DSP及ASIC等器件，实现变频器的高精度，多功能。

⑧相关配套行业正朝着专业化，规模化发展，社会分工将更加明显。

高压变频器应用范围

此次课程设计我选择了国内技术较为成熟的英威腾高压变频产品，并对该产品高压变频控制系统进行选择和设计。（英威腾变频器，是国产变频器中的优秀品牌，是行业国际领先矢量控制技术的拥有者；产品涵盖高、中、低压系列，覆盖高、中、低端市场，是目前国内产品线最为齐全的变频器企业在吸收国外先进技术的基础上，结合近十年变频推广的应用经验和当今电力电子最新控制技术，英威腾目前已开发研制出了CHV、CHE、CHF、中压、高压等几大系列、上百种规格型号的高性能变频器，形成了覆盖高、中、低端市场，涵盖低、中、高压系列的丰富产品线，并在石化、钢铁、建材、油田、化工、纺织、印刷、塑胶、机床、矿山等行业领域大量成功应用。）

CHH系列高压变频调速系统主要用于风机、泵类等通过调速控制，大量节能的场合，具体应用如下：

火力发电：引风机、送风机、吸尘风机、压缩机、排污泵、锅炉给水泵、灰浆泵等；

冶金行业：引风机、吸尘风机、通风风机、泥浆泵、除垢泵等；

石油化工：主管道泵、注水泵、锅炉给水泵、循环水泵、潜油泵、卤水泵、引风机、气体压缩机、混合器、挤压器等；

水泥制造：窑炉引风机、生料研磨引风机、压力送风机、主吸尘风机、冷却器吸尘风机、冷却器排风机、预热塔风机、分选器风机、窑炉供气风机、高温风机、尾排风机等；

供水、污水处理：污水泵、清水泵、净化泵、生物粗处理塔泵等；

三、系统组成及工作原理

变频调速原理：

按照电机学的基本原理，电机的转速满足如下的关系式：

n=(1-s)60f/p=n0*(1-s)

（P：电机极对数；f：电机运行频率；s:滑差）

从式中看出，电机的同步转速n0正比于电机的运行频率(n0=60f/p)，由于滑差s 一般情况下比较小（0∽0.05），电机的实际转速n约等于电机的同步转速n0，所以调节了电机的供电频率f，就能改变电机的实际转速。电机的滑差s和负载有关，负载越大则滑差增加，所以电机的实际转速还会随负载的增加而略有下降。

CHH高压变频调速系统采用功率单元串联技术，不仅解决了期间耐压的问题也解决了环流问题，级间输出电压移向叠加，极大地改善了系统输出电压

的谐波性能，降低输出电压的du/dt；通过电流多重化技术降低输入侧谐波，减小了对电网的谐波污染。CHH高压变频系统的主控制不法以数字信号处理器为控制核心，辅以超大规模集成电路可编程逻辑器件、模拟输入和模拟输出、数字量输入、继电器输出单元。人机界面由数码键盘和触摸屏组成。主控制部分和单元控制部分的控制信号通过光纤进行信号传输，有效避免电磁干扰，保证系统控制信号传输的可靠性。

CHH高压变频调速系统采用单元串联多电平拓扑结构，属高-高电压源型变频器，直接3、6、10KV输入，直接3、6、10KV高压输出。变频器主要由移相变压器、功率模块和控制器组成。少数功率单元故障时，变频器可将其旁路降额运行，系统不停机；可以和用户现场DCS系统灵活接口，满足不同用户的不同要求。

功率模块为基本的交-直-交单相逆变电路，整流侧为二极管三相全桥，通过对IGBT逆变桥进行正弦PWM控制，可得到单相交流输出。每个功率模块结构及电气性能上完全一致，可以互换。

旁路柜的作用是在变频器退出运行后，将电机投入工频电网运行，保证生产的连续性；切换柜的作用是将变频器输出切换到不同电机。

控制系统由主控制器、人机界面（嵌入式工控机）、PLC 三大部分构成，三大部分各有分工，又互相通讯、协同工作。人机界面和主控制器及PLC 之间均采用RS485进行数据通讯，通讯协议为公司内部的自定义协议。主控制器和PLC 之间采用I/O 点及模拟信号线建立简单通讯。

控制柜放置了变频器的核心控制部件它完成变频器频率调节的全过程控制、变频器电气保护功能、变频器的人机交互与通讯接口功能

主控制器从人机界面或PLC接收控制指令，对所有功率单元实施控制，同时监控各功率单元的状态，送给人机界面进行状态显示，通知PLC实施系统保护。人机界面为变频器提供的人机接口界面，变频器参数设定、功能设定、故障查询、运行记录都通过人机界面来实现。下图为人机界面：

PLC负责对变频器内部故障状态进行监控，同时和工业现场进行接口，使变频器满足各种现场的不同控制要求。

CHH高压变频调速系统整体结构上由移相变压器柜、功率单元柜及控制柜组成，实际使用时还可接用户要求配套的切换柜或者进线柜。

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。CHH100系列10KV每相功率单元数为8或9个。如额定输出640V AC功率单元9个串联时产生5760V相电压。三相输出Y接，中性点悬浮，得到驱动电动机所需的可变频三相高压电源。下图为10kV变频器系列的电压叠加示意图。

特点：

1、移相变压器为干式变压器，H级绝缘，系统温度可达185℃，能够完全消除电网侧电压、电流谐波；

2、功率单元内部完全采用进口优质器件。所有功率单元安装采用滑轨，更换方便快捷；

3、控制柜主要有控制器、PLC、UPS、报警器、DC24V电源、控制电源开关、接线端子、液晶显示器、操作按钮等组成。

4、控制器与功率单元之间采用光纤通讯技术，具有很好的抗电磁干扰性能；

5、变压器、控制柜及所有功率单元自带温控保护，基本免维护。

1、输入端：高压变频器的每个功率单元由移相变压器的二次绕组供电，二次绕组之间有一定的相位差（10kv相位差为7.5度），可以消除功率单元整流部分产生的谐波电流，减少变频器对同侧的干扰，提高系统的功率因数。

2、输出端：采用功率单元串联的电气结构，适用多电平SPWM移向调制

技术，（2n+1）多电平相电压输出，10KV则是17电平，减少了输出端电压谐波含量，输出电压波形接近正弦波形。

3、控制系统采用DSP+FPGA数字处理技术，极快的处理速度增强了系统控制的实时性，提高了系统性能和控制精度。

4、控制系统与高压部分采用光纤隔离技术，增强了系统抗干扰能力和可靠性。

四、高压变频器技术参数