第三章HIVERT系列通用高压变频器硬件概述.docx
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第三章HIVERT系列通用高压变频器硬件概述
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
●控制器
●I/O接口板
●人机界面（监视器、触摸式按键、按钮、指示灯）
●功率单元
●功率单元电阻板
●单元电压检测板
●控制变压器组件
●输出电流检测霍尔元件
●输出电压检测板
●一次接线室
●二次接线室
●除湿器
●离心冷却风机
●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3.2HIVERT通用高压变频器控制系统图（10kV）
图3.3控制器外型图
图3.4HIVERT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3.5I/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。
●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。
●监视器
监视器具有以下特点：
◆全中文文字表述，符合中国人的使用习惯，易学易用
◆多组运行参数同屏显示
◆可依次保存十个历史故障记录
◆闭环运行时，可在线调整PID参数
监视器分为六种屏显状态，
◆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
●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
●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
●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
●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
●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
●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450VDC～1150VDC。
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：
●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）
20
40
46.4
6kV（6单元）
16.7
41.7
47.0
10kV
11.1
44.4
48.1
3.2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
●变压器柜体
●隔离变压器
●柜顶冷却风机
●隔离变压器侧吹式冷却风机
●隔离变压器温度控制仪
●输入电压和电流检测装置
●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3.25HIVERT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
6kV
5
690
3450
6000
11
6kV
6
580
3480
6000
13
10kV
9
640
5760
10000
19
图3.266kV（5单元串联）电压叠加图
图3.2710kV电压叠加图
以6kV系列五个功率单元串联时为例，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，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3.286kV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
●ProfibusDP通讯适配器
●工业以太网通讯适配器
●I/O信号隔离板
●I/O信号扩展板
●工控机、触摸屏
●功率单元旁路功能
●除湿器
●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。
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