摘要：近年来，我国年工业生产总值不断提高，但是能耗比却居高不下，高能耗比已成为制约我国经济发展的瓶颈，为此国家投入大量资金支持节能降耗项目，其中高压变频调速技术已越来越广泛地应用在各行各业，它不仅可以改善工艺、延长设备使用寿命及提高工作效率，最重要的是它可以“节能降耗”，这一点已被广大用户所认可，且深受关注。本文分析了高压变频调速微机保护系统。
关键词：高压变频；调速微机；保护系统
Abstract：In recent years，China's annual gross industrial production continues to increase，but the ratio of energy consumption is high，the bottleneck of high energy consumption ratio has become a constraining China's economic development，the state invested a lot of money to support the energy-saving projects，the high-voltage inverter technology has been more and more widely used in all walks of life，it can not only improve the process and prolong equipment the service life and improve the work efficiency，the most important is that it can be "energy saving"，this has been recognized by the majority of users，and deeply concerned
Key words：high vo ltage inve rters；micr ocompute r relay pro tection；softw are；de sig n
风机、泵类是工业生产中应用量大、面广的通用机械设备，其传动电动机大部分为交流电动机。据有关部门统计我国现有风机、泵类设备年耗电量约占工业总耗电量的50 %，其中60 %适合于采用调速运行。因此最大限度地降低风机、泵类设备的耗电量对于节能具有重要意义。近年来采用低压变频调速调节流量实现节能已得到了广泛的应用，但大功率高压电动机的变频调速则由于成本和技术的原因，应用还不够广泛。
一、分类及特点
1.高—低—高式变频调速系统。高—低—高式变频器是将供电电压50Hz，6kV 或10kV 通过10（6）kV/380V 降压变压器经低压变频器变频，再用380V/10（6）kV 升压变压器升压后驱动电动机。此类变频器风险小，可靠，一次投资相对低廉，使用方便，但增加了两台变压器的损耗，效率低，适用于中小容量高压交流电机的变频调速
2.交—交高压变频器调速系统。交—交式变频器为直接变频调速，功率变换器件可采用普通晶闸管，靠电源自然换流，无需换流电路，具有过负荷能力大，效率高，输出电压和电流为正弦波，技术成熟可靠，容易实现大容量化，只适用于低速大容量传动，已被广泛用于提升机、粗轧机和连轧机。
3.高—低式多级串联型变频器。采用多级低压变频单元串联构成高压变频器，输入变压器为多绕组变压器，功率单元为独立的IGBT H 桥智能模块，进行多个串联；通过输入变压器各二次绕组相位差，实现系统的多重化。通过波形连续叠加法，对6kV 系统，输入变压器二次的18 个独立绕组对应18 个功率单元独立工作，进行PWM 控制，实现堆压成6kV 输出，使输出波形正弦化，实现系统的无谐波化。
4.高—高式直接变频器。高—高式直接变频器是采用高压功率器件直接串联或二极管箝位组成中性点箝位电路，构成多电平电压型高压变频器，功率器件主要有IGBT、IGCT、IEGT、GTO 等。因为没有输入输出变压器，因此具有高效，低损耗，体积小等特点，是高压变频器的发展方向。
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二、高压变频调速微机保护系统分析
1.输入变压器保护。变压器发生绕组短路故障时，将会出现电压降低和电流增大，对于不对称故障，还会产生负序分量。因此，变压器绕组短路保护主要由复合电压过流保护、定时限过流保护以及负序过流保护构成。为了正确区分内、外部故障，设置了功率方向元件，并可根据需要进行投退控制。因输入变压器结构复杂，故为了保证故障方向元件动作的正确性，功率方向元件由90°接线的功率方向元件和负序功率方向元件共同组成，前者只用于反应三相对称故障，后者反应于不对称故障。变压器发生单相接地故障时将出现较明显的零序电压分量，因此，变压器绕组单相接地保护由零序过压保护构成，保护启动后给出告警信号。变压器过载保护通过检测变压器一次绕组相电流来判断，给出告警信号。变压器三相不平衡保护和缺相保护由负序过流保护构成，通过检测变压器输入端的负序电流大小来实现。负序过流保护采用两段式，Ⅰ 段给出跳闸信号，Ⅱ段给出告警信号。因TA 断线会在TA 二次侧出现负序电流分量，故为了避免TA 断线造成误判，负序电流保护经由TA 断线闭锁。变压器绕组温度越域保护通过检测变压器绕组的三相温度来判断，由独立的变压器温控器完成。根据变压器绕组温度越域程度，变压器温控器提供温度异常告警或跳闸空接点开关量输出信号。跳闸信号可直接接入断路器跳闸回路，也可接入保护系统，由保护系统给出告警或跳闸信号。
2.逆变回路及滤波器输出侧保护。逆变器输入侧过流保护通过检测逆变器输入端直流电流来判断。采用两段式，Ⅰ 段跳闸，Ⅱ段告警，均可带延时。逆变器输出侧相间短路（含滤波器短路）保护通过检测逆变器输出端电流、电压来判断，由定时限过流保护及负序过流保护等组成。因高压变频器输出侧频率变化范围较大，故在保护实现中需采取相应措施，以保证各基频电流、电压相量计算的正确性。此外，为提高保护动作的可靠性，增设了与频率无关的采样值过流保护，输出侧电流采样值连续超过保护整定值时，保护动作跳闸。逆变器输出侧发生单相接地短路故障时会产生明显的零序分量，且由于滤波电容和电缆电容的影响，除零序电压外，也可能伴随产生较大的零序电流。因此，单相接地保护由带延时的零序过压保护和两段式的零序过流保护构成，其中，零序电流取自滤波电容中性点对地电流。逆变器输出三相不平衡保护由负序过电流保护构成，通过检测逆变器输出端的负序电流来判断。采用两段式，Ⅰ段跳闸，Ⅱ段告警。逆变器温度越域保护采用两段式保护方案，根据温度越域程度的不同，进行告警或跳闸。
3.保护功能程序的实现。保护程序由主程序和定时采样中断服务程序组成。主程序包括装置初始化、上电自检、定值转换、数据通讯及运行自检等程序模块。主程序在完成对硬件和软件的初始化后进入运行监控循环状态，在该循环中进行通信数据处理及装置运行自检。当定时采样时间到时将中断主程序，进入定时采样中断服务程序，执行完毕后自动返回主程序继续运行。保护软件设计中，定时采样中断服务程序是其核心和基础。传统微机保护一般采用基于流程图的设计方法。高压变频器保护软件设计中，定时中断服务程序采用基于“继电器功能模块”的新的设计方法。该方法借鉴模拟式保护的构成特点，通过“软件继电器”的方式实现各保护功能，根据各“ 软件继电器”的输出结果进行逻辑组合判断，决定保护是否动作跳闸。该方法具有模块性好、结构清晰、软件的开发和维护方便等优点，同时便于记录各“继电器”功能模块的动作情况和变化过程，为保护软件调试和事故情况下的保护动作行为分析提供了极大方便。高压变频器保护功能的实现大量涉及基频电流、电压的相量计算。为了减小谐波分量的影响，提高计算准确度，基频相量主要采用全周傅氏算法计算。因高压变频装置输出的频率须根据实际运行需要不断调整，而输入侧频率仍然为工频，故全周傅氏算法的计算中根据输入、输出侧频率的不同而采用不同的处理方法。在程序实现中，将根据测频结果来综合判断，确定实际运行频率，以提高测频结果的准确性。
本文提出的保护系统设计方案较充分地考虑了变频器的结构特点和高压变频调速系统在保护方面存在的不足。高压变频器能在诸多领域实现效率的最大化，集成设计使启动变得快速、可靠及占地面积更小，并允许增加快速功率单元旁路功能，使系统可靠性大大增加，运用于风机和泵类设备变频调速，可以大大降低能源消耗及电能，满足不同客户的需求。
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论文作者:黄民玉
论文发表刊物:《基层建设》2017年第22期
论文发表时间:2017/11/20
标签：变压器论文; 变频器论文; 高压论文; 绕组论文; 电流论文; 逆变器论文; 系统论文; 《基层建设》2017年第22期论文;