[01081170]创新的高压多重化堆波变频调速装置

由东北大学、沈阳同仁电气公司开发研制的DTHVI-P系列6KV(10KV)高压变频调速装置，已经投入运行一年时间。自2004年12月初起，用户安装了专用计量系统后，又连续无故障运行了4000多小时，耐受住了电网超标准、大幅波动、电网过压、欠压和各种非正常波动的影响，取得了综合节能48%的节电效果，减少了电机维修时间，提高了电机零部件的机械寿命，取得良好的经济技术指标，受到了用户的好评。该系统安装于河南省平顶山矿业集团供水总厂的原高压室内。一台变频装置可实现对1#、2#两台高压电机进行变频调速控制，从出水主管线上的压力传感器采得管网压力信号，进行恒压变频控制水泵转速，维持供水压力恒定。采用变频控制，即使在工频转速下运行时，电机的输入电流也比工频运行时低20%左右，在供水低峰时段电机工作于37-40HZ之间，节能率在60%-70%，系统如引入流量检测，实现变压变量控制将会有更好的节能效果，并可实现管网末端恒压供水。多重化功率单元串联堆波高压变频技术，是由美国罗宾康公司于上世纪九十年代初首先推出的，到目前为止，该方案比较可靠，无须滤波器，是一种比较实用且应用最广的高压变频器。该变频器由适配变压器、单相变频功率单元、主控板、光纤通讯板、工控机、控制面板及旁路开关柜等部分组成。尤其是制造工艺复杂的适配变压器，更是系统的关键部件，不但结构复杂、施工要求工艺水平高，且变压器副绕组多，绕组数据分散、变化大、接线头多、连接复杂、绕组间和相间绝缘强度要求很高，因此成本昂贵，国内仅少数变压器厂家能生产。在控制策略上，控制系统不但要实现主电路高压与控制电路间的可靠电位隔离，还得保证串联单元间相位的等量移相。通常不同的功率单元，控制信号的发送时间和规律是不同的，多数厂家这些控制信号的产生，是靠高速的运算系统实时计算产生的，这就要很高的计算速度，同时也可能因计算过程的失误和中断的处理不及时，而使脉冲的发送不及时，出现失真和丢失的现象，这些细微过错的发生，均会给系统的正常可靠运行带来不可估量的危害。还有高压系统带来的各种电磁干扰，以及接地接零不正确而附加的干扰问题处理不好，都足以使系统停运或造成功率单元的损坏。昂贵的功率单元的损坏，将造成重大的经济损失和产品的信誉损失，这一切都是不可估量的。基于以上原因，课题组对系统进行大胆的创新设计，在该技术中共采用了11项专用新技术，使得DTHVI-P系列高压变频器，在技术性能上有了本质的提高。高压变压器，采用多绕组适配变压器，为高压变频模块单元提供相互独立的三相交流电源，经三相全波整流后，再由“H”逆变桥逆变为频率可变的交流电。每相的六个变频模块单元逐一串联，构成高压输出的一相，每相均以相同结构的单元模块串联而成互差120。电角度的三相高压变频电源，其尾头接做星点，首头经高压真空接触器，送往高压电机。一、相控多极相组适配变压器：通常的适配变压器，由一个原绕组3n个付绕组组成，每个付绕组又要分成两部分，如绕组wn，一部分为wnI其与其它两相的对应绕组的对应部分接为角形部分，而wri"与其它两相相应部分接成延边星形部分，每个线圈要在里面封接一个头，3相就有三个封接头，整个变压器就将有9n个内封接头和9n个外接线头，以去往各功率模块的三相交流输入端。并且有(分子60°分母n)的相位差，要通过(分子wn'分母wn″)的匝数比来决定，所以，就要有不同的匝数比组合。无论是设计还是施工都是很复杂的事情。三相逆变电源由三台变频柜构成，每个变频柜中有一台适配变压器，每台变压器由一个初级绕组和六个付边绕组W21、W22、W23、W24、W25、W26组成，其中W21、W22为“厶”结线，连接组分别为“Y/A-1l组”，W23、W24为“Y”结线，连接线别为“Y/Y-12组”：W25、W26为结线，连接组别为“Y/A-l组”。这六组付绕组两两相同，当三个柜子的三个变压器，在一次侧A、B、C三相并联时，再每循环移相120°的话，这就最大限度的消除了整流系统的谐波，同时又使变压器的工艺结构得到了简化，给施工制造带来了方便，降低了制造成本。变压器付绕组的引出线URl、US1、UTl……UR6、US6、UT6分别到U1、U2、U3、U4、U5、U6各逆变单元模块的三相交流输入端子同三相熔断器相接。变压器原绕组的B相与U柜的A并接，C同B并接A，A同C并接。其副边6个绕组的三个头分别送到V1、V2、V3、V4、V5、V6、各逆变单元模块的三相交流输入端子同三相熔断器相接。变压器的A相同U柜的C相并接，B相同U柜的A相并接，C相同U柜的B相并接。其副边绕组的三相交流输入端子同三相熔断器相接。这样设计的结果是降低了变压器二次绕组间的绝缘电压，减少了绕组接线的复杂性，三台变压器制造、装配、安装均得到了简化，使一台复杂变压器的施工制造变成了三台普通变压器的施工制造，整台变压器只有两组不同的绕组参数(Y形和厶形)。如此看来，这n个或号极相组，在向量图上，是呈30°依次连续，间隔30°再依次连续，再间隔30°再依次连续的均衡分布于360°的周围分布图中，三相的三个6相整流即为18相整流，在循环移相120°后，即为3X18=54相整流，其最低次谐波为53次，实际测量结果同理论分析是一致的。二、多重化一一对应的控制脉冲生成单元：由多CPU构成的SPWM波形发生器，采用了以硬件电路为基础，以软件计算为辅助叠加的软硬件混合系统，在任一控制瞬间，3n个功率模块单元中的12n组控制信号，均为同步并行输出，不存在任何瞬间丢脉冲或失真的可能性，硬件和软件互补的固定多重化移相技术，严格精确的保证了逆变器，输出波形的相位对称、幅值对称和PWM脉冲同步问题，具有极好的驱动效果。三、光电通讯发送接收板：为实现了强电主回路高压同弱电控制电路的可靠隔离，我们采用了光纤传输技术，每个功率模块单元有一块控制板，由一个单片机控制，SPWM驱动信号从王控板控制发生器生成后，经光电通讯板，转换为光信号经光纤传输至功率模块单元再经光电接收器，转换为电脉冲信号经放大整形处理后去驱动IGB-I功率模块工作。每个功率模块单元内有一控制变压器，用以为单元控制板及冷却风扇提供交流电源，单元控制板在CPU的控制下，完成对功率单元的各种参量的检测、保护、监控、故障报警、单元切除等管理工作，故障信号及运行状态经光电发送器和光纤送往光电通讯板，再传输至主控板，完成系统运行、保护、停机、降额、转换等各种操行。四、给水专用控制器：该控制器集成了给水工艺的各种工艺参数，可编程选择不同的系统结构和运行方式，将传统的供水工艺经验成果进行集成、组合，完成对系统有效的供水工艺调控，比PLC和专用工控机简单、可靠。简单明确的控制面板、清晰明朗、操作简单、可靠，可异地操作的主控室面板，更兼有遵从习惯、操作简单、运行可靠的特点。变频一拖二、工频一拖二，系统对工艺运行有极强的可靠性保证。整个系统由一块主板、一块光电通讯板和功率单元控制板组成，特点是完整、统一、简单、可靠。五、功率单元：变频模块单元电路图见图，它由整流桥、滤波器、逆变器及相应的采样保护元件、继电器等组成。R、S、T是交流输入三相电源，来自适配的变压器相对应的付边绕组经三相熔断器和滤波电容，再进入三相整流桥，将交流电整流为脉动直流，Jl继电器为充电阻短接继电器，3个450V的电解电容是滤波电容，压敏电阻为逆变元件提供直流过压保护，T1、T2、T3、T4是构成“H”逆变桥的四支IGBT开关管，来自主控板和光纤板的控制信号经单元中计算机控制板完成光电转换放大后，对四支大功率开关管进行逆变控制，拼按照系统要求的SPWM规律对直流电源进行逆变，变成单相变频变压的交流电，经U(V、W)、O线输出。每相的各单元之中的U6、V6、W6串接，三个O接成三相高压的星点，而封在一起，U6、V6、W6经真空接触器KM2，送往高压电机。控制变压器，将600V电压变成220V为模块单元提供了低压控制电源。每个功率单元有R、S、T三个交流输入端和U(V、W)、O两个交流输出端端，由主接线端子引入、引出。还有两条光纤一UR、UC(VR、VC、WR、WC)通过光纤插头将控制信号传入和输出。自主研发的DTHVI-P系列多重化单元串联堆波高压变频器，具有结构完整、制造简单、维修方便。系统由三个变频柜(每相一柜)，一个控制开关柜组成。三台适配变压器，采用分相供电，多极相组均布，循环移相技术，使制造工艺大大简化，可靠性大大提高，同时降低了生产成本，谐波指标得到了进一步优化。独具特色的主控板，SPWM多重化驱动信号，同步生成严格保持实时、对称、均衡，具有极高的快速性、准备性和可靠性。整个系统由三块控制板：一块主控板、一块光通板和一块单元控制板构成(每个模块单元一块)，系统简单可靠。整个系统使用高达十一项自主专属技术，秉承着高科技的控制管理和遵从习惯的傻瓜式的简单操作融会于一体，适应国人的现实应用技术水平，有利于运行、维修及推广，在同类产品中，具有最优的性价比优势。由JY2000构成的高压电机变频调速恒压供水装置，更是集先进性、经济性、可靠性于一体的实用典范。