第三章-HIVERT系列通用高压变频器硬件概述(共23页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上第三章 HIVERT通用高压变频器功能概述HIVERT通用高压变频器一般由功率单元/控制柜，变压器柜组成，大功率还须配置启动柜。3.1控制/单元柜控制/单元柜(简称单元柜)用于安装控制系统、功率单元及其辅助部件，控制/单元柜主要由以下部件构成l 控制器l I/O接口板 l 人机界面（监视器、触摸式按键、按钮、指示灯）l 功率单元l 功率单元电阻板l 单元电压检测板l 控制变压器组件l 输出电流检测霍尔元件l 输出电压检测板l 一次接线室l 二次接线室l 除湿器l 离心冷却风机l UPS（可选）典型单元柜排布图见图3.1。图3.1典型单元柜排布图3.1.1控制系统功能描述HIVERT通用高压变频器控制系统主要由控制器、I/O接口板和人机界面组成，控制系统图如图3.2所示。控制器由一块主控板、一块信号板、三块光纤板和一块电源板组成，各板之间通过总线底板连接。控制器工作电源由本身电源板提供。控制器外型图如图3.3所示。主控板采用正弦波空间矢量控制方式产生脉宽调制的三相电压指令,完成对变频器控制的所有功能；通过RS232通讯口与人机界面的监视器进行数据交换。信号板采集变频器的输出电压、电流信号，并将采集到的输出电压、电流模拟信号隔离、滤波和模数转换，提供数据给主控板用于变频器的控制、保护；光纤板与功率单元通过光纤传递数据信号，一块光纤板控制对应的一相单元，光纤板通过光纤周期性向单元发出脉宽调制（PWM）信号和工作模式指令，并接收功率单元状态信号。 HIVERT通用高压变频器控制器连接图如图3.4所示。图3.2 HIVERT通用高压变频器控制系统图（10kV） 图3.3控制器外型图 图3.4 HIVERT通用高压变频器控制器连接图I/O接口板用于处理变频器及与外部连接的模拟信号和数字信号，对数字量做逻辑处理。具有处理2路模拟量输入和4路模拟量输出的能力，模拟量输入用于处理模拟设置时的设置信号和来自现场的流量、压力等模拟信号，这两路信号通过处理后送到人机界面进行模数转化；模拟输出量输出4-20mA电流信号，对应变频器运行频率、输出电流、输出电压、电机转速信号。此外I/O接口板对单元柜温度、输入电流和输入电压进行采样，通过RS232传输到监视器。 图3.5 I/O接口板原理图人机界面为用户提供友好的全中文操作界面，包括系统状态指示灯、监视器、触摸键盘和柜门按钮。人机界面原理图见图3.6。图3.6人机界面原理图监视器液晶屏为一块带背光的工业屏，可以显示8行中文全角文字。通过RS232通讯口与主控板连接，通过RS485通讯口与I/O接口板连接，接收主控板和I/O接口板通讯来的数据，负责处理与外部的通讯联系，显示变频器电流、电压、功率、运行频率等运行参数，并实现对电机的过载报警和过流保护。监视器主控板上还有两个模拟输入通道，接收4-20mA模拟信号，一路用于频率或闭环运行时的给定量模拟设定，另一路用于接收来自现场变送器的压力或流量等信号。监视器通过触摸式按键设置变频器参数，并显示变频器的状态、参数。系统复位按钮用来复位监视器、并在故障时进行系统复位，清除故障锁存。当变频器发生重故障时，系统进入故障锁存状态，分闸信号闭合，分断高压电源；同时合闸允许信号断开，使合闸操作无效；在故障排除后必须通过系统复位按钮解除故障锁存，复位控制系统（包括控制器、人机界面、I/O接口板），使变频器恢复到正常状态。变频器非重故障时，复位按钮仅复位监视器，对控制系统没有影响（在运行状态下复位不会造成停机）。 图3.7 监视器高压分断按钮具有自锁功能，用来分断变频器高压电源。在变频器或现场出现紧急状态，或需要马上切断变频器高压电源时，用单手手背拍下高压分断按钮，分断高压电源。此按钮自锁后，顺时针转45°后自锁失效。高压分断按钮拍下后，故障显示和记录为外部故障，并使合闸允许断开，分闸闭合。在变频器检修或维护期间，必须拍下此按钮，以防高压电源误操作。当系统配有自动旁路柜，且自动旁路允许时，拍下此按钮将使电机投入到工频电网运行。l 触摸键盘这一区域一共有八个薄膜式轻触按键，依次排列如图3.7 监视器右侧所示，这八个按键的含义见下表。按任意键都能点亮屏幕背光。l 监视器监视器具有以下特点：u 全中文文字表述，符合中国人的使用习惯，易学易用u 多组运行参数同屏显示u 可依次保存十个历史故障记录u 闭环运行时，可在线调整PID参数监视器分为六种屏显状态，u 系统状态屏u 功能设置屏u 参数设置屏u 故障记录屏u 运行记录屏u 时间设置屏l 系统状态屏：系统状态屏为主界面，共分两屏，分别为输入参数屏和输出参数屏，可以通过 ALT+ 和 ALT- 在两屏之间切换。按 和 可更改给定频率。系统状态屏下的参数均为变频器状态参数。如图3.8、图3.9所示：图3.8 开环状态下的系统状态屏图3.9 闭环状态下的系统状态屏l 功能设置屏系统状态屏下按 PRG 进入功能设置屏，共有18个功能设置项，可以通过 ALT+和 ALT- 在各功能设置项间切换，用 和 修改设置，并用 SET 确认，如图3.10、图3.11所示。 图3.10 功能设置屏切换功能项图3.11功能设置屏更改设置值l 参数设置屏功能设置屏下按 PRG 进入参数设置屏，共有38个参数设置项，可以通过 ALT+ 和 ALT- 在各功能设置项间切换，用 和 修改设置，并用 SET 确认，如图3.12、图3.13所示。图3.12 参数设置屏切换参数项图3.13参数设置屏参数值更改l 故障记录屏参数设置屏下按 PRG 进入故障记录屏，HIVERT 通用高压变频器最多可以记录10个已发生的重故障，可以通过 ALT+ 和 ALT- 在各次故障间切换，O表示最新故障，用 和 查看该故障下的各单元状态（每次显示三相同一位置的三个单元），如图3.14所示。图3.14故障记录屏l 运行记录屏 在故障记录屏下，按 PRG 进入运行记录屏。运行记录屏记录了变频器最近的起停时间和变频器的累计运行时间。当系统运行时，正常停机项显示无，如图3.15所示，当系统正常停机或者故障停机时，停机项将分别按类型显示，分别如图3.16和图3.17所示。图3.15系统运行时运行记录显示 图3.16正常停机时运行记录显示图3.17 故障停机时运行记录显示l 时间设置屏在运行记录屏下，按 PRG 进入时间设置屏，按触摸按键 ALT+ 和 ALT- 移动时间修改光标，用 和 更改光标处的时间值，用 SET 确认。如图3.18所示。图3.18 时间设置屏表3-1：触摸键定义触摸键功能定义系统状态屏功能设置屏参数设置屏故障记录屏 运行记录屏时间设置屏PRG到功能设置屏到参数设置屏到故障记录屏到运行记录屏到时间设置屏到系统状态屏ALT+输入输出参数显示切换到上一功能设置到上一参数设置到上一次故障记录无效右移光标ALT-输入输出参数显示切换到下一功能设置到下一参数设置到下一次故障记录无效左移光标RUN本地控制/系统待机时，起动变频器。无效无效无效无效无效STOP/RESET运行状态下停机，停机状态下复位。无效无效无效无效无效SET无效功能选项修改确认参数值修改确认无效无效时间设置确认 开环运行/本地给定时增加给定频率；闭环运行/本地给定时增加被控量给定值。到上一功能选项增加参数值循环显示上一级单元状态无效增加修改时间值 开环运行/本地给定时减小给定频率；闭环运行/本地给定时减小被控量给定值。到下一功能选项减小参数值到下一组单元状态无效减小修改时间值3.1.2功率单元的功能描述功率单元（简称单元）安装在单元柜内，单元的三相输入接隔离变压器的副边绕组，有快熔断器保护。 同一规格的单元具有完全相同的电气和机械参数，可以互换。功率单元外型一般如图3.19所示。图3.19 功率单元图功率单元型号含义如下：图3.20 功率单元型号定义例如HPU690/077代表额定输出电压690V，额定输出电流77A的功率单元。单元具有独立的控制板和驱动板，控制板和驱动板工作开关电源取自主回路中的直流环节，正常工作电压范围为450VDC1150VDC。驱动板用于驱动IGBT和单元旁路中的可控硅，单元控制板通过光纤与控制器中的光纤板通讯。光纤是单元与控制器的唯一连接，因而实现了单元与主控系统的完全电气隔离。功率单元原理图参见图3.21，图3.21 功率单元原理图功率单元主要由三相二极管整流电路、直流电容储能滤波电路、IGBT逆变电路组成。功率单元控制板原理图见图3. 22。控制板通过光纤（XS4）接收来自控制器的信号，经接收解码器解码后用于对IGBT的控制。控制板上有过热检测、缺相检测、直流母线过压检测、电源故障监测、光纤故障监测、驱动故障检测等各种单元故障检测电路，这些故障信号经过故障编码逻辑电路编码后，由光纤（XS3）发送回控制器，实现故障保护（接口板输出故障保护跳闸及故障报警指示）和故障记忆（人机界面显示故障原因、时间、位置，并保存）。控制板上的控制电源直接取自功率单元直流母线（通过XS1），经过开关电源的隔离和变换后得到所需控制电源。因此，高压电源失电后，控制电源并不会立即消失，控制板上的电源指示灯经过几分钟后才能熄灭。这种取电方式可以确保高压电源瞬时停电跟踪功能的实现。图3.22 单元控制板原理图单元驱动板简称驱动板，原理图见图3.23。驱动板用于产生4个IGBT的驱动信号，并将IGBT的故障信号反馈到单元控制板。驱动板通过端子XS5与控制板端子XS6相连，其中L控制左桥臂上的Q1、Q3 两个IGBT，R控制右桥臂上的Q2、Q4 两个IGBT，Q1、Q3和Q2、Q4通过反相器互锁；/INHB为IGBT禁止信号；/DR为IGBT的故障信号，反馈回控制板用于单元保护。驱动板上的电源来自控制板，其中+15V电源被隔离成4路电源，分别用于4个IGBT的驱动。图3.23 单元驱动板原理图功率单元可选单元旁路功能，当某个单元发生缺相、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，此时旁路开关K导通，以保证变频器连续工作，并发出旁路报警。说明：l 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通用通用运行频率低于40Hz时， 10kV通用通用运行频率低于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通用通用一级单元旁路时，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）。一级单元旁路运行特性见表1。表3-1：变频器电压等级满载时降容率（%）低于此频率时输出不变（Hz）恒转矩负载风机水泵类负载6kV（5单元）204046.46kV（6单元）16.741.747.010kV11.144.448.13.2变压器柜变压器柜用于安装隔离变压器(简称隔离变压器)及其辅助部件。3.2.1变压器柜主要部件的构成l 变压器柜体l 隔离变压器l 柜顶冷却风机l 隔离变压器侧吹式冷却风机l 隔离变压器温度控制仪l 输入电压和电流检测装置l 变压器柜风机控制、保护回路典型变压器柜排布图见图3.24。图3.24 典型变压器柜排布图3.2.2变压器的功能描述 图3.25 HIVERT通用高压变频器6kV系列拓扑图隔离变压器为干式变压器，采用强迫风冷；原边为Y接法，与进线高压直接相连；副边绕组为延边三角形接法，副边绕组间有一定的相位差。移相角度 = 副边绕组为功率单元提供电源，绕组间相位差由功率单元数量及变频器电压等级而定（见表3-2）。HIVERT通用高压变频器功率单元的数量6kV为15(18)个，10kV为27个。功率单元经串联叠波升压后，三相输出Y接，中性点悬浮，得到驱动电机所需的可变频三相高压电源，如图3.26、图3.27所示。 表3-2：HIVERT通用高压变频器功率单元配置变频器电压等级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（V）每相电压等级数量6kV569034506000116kV6580348060001310kV964057601000019图3.26 6kV（5单元串联）电压叠加图图3.27 10kV电压叠加图以 6kV系列五个功率单元串联时为例，可以得到50-5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，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，五个功率单元串联电压波形及其串联后输出的相电压波形图如图3.28。图3.28 6kV系列5单元输出及相电压波形示意图采用这种拓扑结构可直接应用工艺及技术成熟、可靠的低压IGBT变频技术；副边绕组经移相后，消除了大部分单个单元引起的谐波电流，HIVERT通用高压变频器输入电流的总谐波含量（THD）远小于国家标准要求（波形图参见图2.2、图2.3）；并且能保持接近于1的输入功率因数。此外隔离变压器副边还有一组380V辅助绕组，为隔离变压器侧吹式冷却风机提供电源，并为控制系统提供冗余热备用控制电源；隔离变压器配有温度控制仪对三相绕组的温度进行实时监测，提供三个开关量输出，通过设置温度可启、停侧吹式冷却风机；设置变压器报警、跳闸温度，对隔离变压器连锁保护，正常工作时柜顶冷却风机运行，当隔离变压器温升高于设置温度后，侧吹式冷却风机由温度控制仪控制自动投入运行。如果电网电压偏离变频器额定电压，可通过调整隔离变压器原边中性点连接处6个接线柱的连接进行，对HIVERT通用高压变频器6kV 系列，X2、Y2、Z2短接时的额定输入电压为 6kV；X1、Y1、Z1短接时，额定输入电压为6.3kV；对HIVERT通用高压变频器10kV 系列，X2、Y2、Z2短接时的额定输入电压为 10kV；X1、Y1、Z1短接时，额定输入电压为10.5kV。变压器柜内还配有:输入电压检测装置和输入电流检测装置。3.3启动柜大功率变频器上电时，主回路隔离变压器励磁电流及单元主回路直流电容充电电流很大，容易引起上位配电柜保护装置动作。启动柜中配置启动电阻，可大大降低上电时对电网的冲击电流，不同容量变频器启动电阻阻值有所不同，启动完毕后，按照设定程序，通过真空接触器将电阻短接。启动柜电气原理图见图3.29-1，3.29-2（以6kV，4000kW为例）。图3.29-1 图3.29-2启动柜外型尺寸图见2.6.2 章节HIVERT通用高压变频器外型图，电阻的功率、阻值、数量与变频器规格匹配。3.4选件 l Profibus DP通讯适配器l 工业以太网通讯适配器l I/O信号隔离板l I/O信号扩展板l 工控机、触摸屏l 功率单元旁路功能l 除湿器l 上位控制软件可选上位控制软件来实现变频器的网络化控制，实时监视变频器系统的状态。专心-专注-专业