[分享]：工业用变频器

LIQIANG19811222

二、 原理
2.1 主电路
         BORUI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，且因开关频率高、均压难度大等技术难题无法完成直接串联。BORUI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。图2.1为6kV系列典型主电路图。
隔离变压器为三相干式整流变压器，风冷，有使用寿命长、免维护等优点。变压器原边输入可为任意电压，Y接；副边绕组数量依变频器电压等级及结构而定，3kV系列为9个，6kV系列为15个，10kV系列为27个，延边三角形接法，为每个功率单元提供隔离三相电源输入。
        为了最大限度抑制输入侧谐波含量，同一相的副边绕组通过延边三角形接法移相，绕组间的相位差由下式计算：
        60°
移相角度 = ———————
                      每相单元数量
       
        由于为功率单元提供电源的变压器副边绕组间有一定的相位差，从而消除了大部分由单个功率单元所引起的谐波电流，所以BORUI变频器输入电流的总谐波含量（THD）远小于国家标准5%的要求，并且能保持接近1的输入功率因数。图2.2为6kV系列（每相五单元串联）输入电流实录波形，电流峰值120A，几近完美的正弦波。
       
        变频器输出是将多个三相输入、单相输出的低压功率单元串联叠波得到。如额定输出690VAC功率单元五个串联时产生3450V相电压，见表2-1。
       
        图2.2输入电流波形
表2-1：BORUI变频器功率单元配置
变频器系列        每相串联
单元数        单元额定
电压（V）        输出相电压
（V）        输出线电压
（kV）        每相电压
等级数量       
3kV        3        580        1740        3        7       
6kV        5        690        3450        6        11       
10kV        9        640        5760        10        19       
       
       
       
       
       
       
       
       
       
       
       
       
       
       
       
       
        图2.3 6kV电压叠加图
       
        图2.4 3kV电压叠加图                       图2.5 10kV电压叠加图
       
       
        三相输出Y接，得到驱动电机所需的可变频三相高压电源。图2.3～5分别为6kV、3kV和10kV变频器系列的电压叠加示意图。
          
       
图2.6  6kV系列单元输出及相电压波形示意图

        图2.6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。相邻单元之间的脉冲在时间上相差1/5个开关周期，单元串联叠加后的相电压可以得到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2.7为6kV六单元变频器输出的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2.8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2.7 输出线电压波形                        图2.8 输出电流波形
2.2 功率单元
         功率单元原理见图2.9，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。

       快熔   二极管整流    直流环节      逆变输出   单元输出    单元旁路（可选）

图2.9 功率单元主电路图

        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～Q4 IGBT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。输出电压波形见图2.6。
        功率单元具有旁路功能。当某个单元发生熔断器故障、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Q1～Q4封锁输出，可控硅k导通，以保证变频器连续工作，并发出旁路告警。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，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。
        对于风机水泵类负载，因轴功率与转速的立方成正比，如6kV系列一级单元旁路时，输出能力为额定的80%，因此运行频率低于46.4Hz时，变频器仍能满足输出要求。实际上变频器选型时留有一定的余量，此频率要更高些。当负载较大，变频器旁路后满足不了输出要求时，变频器将自动降低运行频率，直到输出电流在允许范围内（如额定电流）。
       
表2-2：一级单元旁路运行特性
变频器系列        满载时降容率（%）        低于此频率时输出不变（Hz）       
                恒转矩负载        风机水泵类负载       
3kV        33.3        33.3        34.7       
6kV        20        40        46.4       
10kV        11.1        44.4        48.1       

2.3 控制系统
        控制系统由控制器（包括三块光纤板，一块信号板，一块主控板），PLC和平板电脑组成，各部分之间的联系如图2.10 BORUI变频器控制系统结构图所示。

图2.10 BORUI变频器控制系统图（10kV系列）

        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入电压、电流和输出电压、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，以及提供给平板电脑数据采集板。
        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通讯口与平板电脑交换数据，提供变频器的状态参数，并接受来自平板电脑的参数设置。
        平板电脑采用WIN2000操作系统，为用户提供友好操作界面，负责数据采集、信息处理和与外部的通讯联系，可选上位监控而实现变频器的网络化控制。通过32通道高速数据采集卡采集来自信号板的模拟信号，计算出电流、电压、功率、功率因数等运行参数，提供表计功能和波形显示功能，并实现对电机的过载、过流告警和保护。通过RS232通讯口与主控板连接，通过RS485通讯口与PLC连接，实时监控变频器系统的状态。
        PLC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。PLC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来自现场的流量、压力等模拟信号或模拟设置时的设置信号；模拟输出量可以是运行频率、电流、电压、功率、功率因数等。PLC还可以完成PID功能。