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摘要：本文从节能减排的进度，阐述了大功率高压变频器的发展、作用和意义。在高压变频器的方案设计中，较为常用的是一拖一方式，能够满足多组功率单元的需要。在硬件设计方面，需要综合考虑移相变压器柜、功率柜、控制柜的配置；在算法设计方面，主要采用了恒压频比控制与调制波变换技术。最后，以某钢厂生产装置的除尘风机为例，分析了大功率高压变频器的实际应用。
关键词：高压变频器；硬件设计；算法设计；应用分析
1.概述
随着经济的发展与人民生活水平的提高，对于能源的需求量持续攀升，带来了日益严峻的能源问题。过度的能源开发与浪费，以及低效率的能源使用，使得许多不可再生能源出现了枯竭的危险。为此，世界各国政府陆续出台了节能减排的目标与要求，纷纷将其列入到重点工程之中。从我国现阶段的发展情况来看，工业用电占据了相当大的比重，其中又以电机用电最具代表性。由于电机系统的运行效率偏低，导致了高能耗的产生，而设备的运行却长期处于低负荷的状态。为了提高能源的利用效率，实现节能减排的目标，高压变频器应运而生。在我国，高压电机指的是1kV以上的电压等级，从最初的小规模应用，经历了多年的高速增长，其节能效果也得到了广泛的认可，有着良好的发展前景和市场。
2.高压变频器的方案设计
目前，多电平电压源型变频器大都采用单元串联的形式，有着模块化结构简单、谐波量小、维护方便等诸多优点，因而深受厂家的欢迎。按照故障旁路的方式，主要可以划分为三种类型，即手动旁路、自动旁路与无旁路。而按照拖动负载数量的不同，也可以划分为三种方式，即一拖一、一拖二、以及一拖多。由于一拖一方式的框架较为紧凑，且有着简洁的控制逻辑与灵活的接口配置，加上操作和维护简单，能够被大多数用户采纳【1】。一拖一自动旁路变频器，用户侧高压电可以在系统输入侧直接接入，而不需要加隔离电抗器。高压电经过移相变压器后，所变成的低压电，能够满足多组功率单元的需要。再经过“交直交”转换后，高压输出可经过多单元串联实现。按照功能的不同，系统可以划分为四个部分。其中，高压输入输出部分不仅要负责对用户的输入输出，还要在变频器检修时，完成电气隔离工作。移相隔离部分主要负责电压的转换，以及向各功率单元输送给功率柜。功率变换部分将低压电转换为直流电，再将直流电压输送到逆变电路中。控制部分一方面检测和保护功率单元，另一方面则是用于控制变频器系统。
3.硬件设计
3.1移相变压器柜
采用串联式多电平的功率单元有着诸多优势，最主要的是输入输出谐波小，并且在滤波时不需要单独加滤波器，具有体积小、成本少等优点。在整流型变器中，通常采用Yd联结的方式，三次谐波的干扰由此被消除。在选取移相变参数时，需要考虑移相的角度、移相变的容量、相电流、相电压等相关参数。而移相变附件的选取，不仅要配备散热风机，还需要配置温控仪。同时，启动风机信号也是必不可少的，能够防止移相变过热。
3.2功率柜
如图1所示，功率单元的电源，来自于移相变的二次侧绕组。不仅在各个单元之间，也包括了变压器二次绕组之间，都实现了相互绝缘的、。每个单元均采用三相输入，但输出却是单相的，主要元器件包括了整流桥、熔断器、IGBT、滤波电容等。与低压变频器的原理一致，按照交流—直流—交流的顺序变换，由此组成了高压大功率变频器。旁路功能是功率单元的一个特色，当故障发生而不能继续运行时，会自动发出旁路警告并调整运行方式【2】。
图1 功率单元结构图
3.3控制柜
在变频器控制系统中，上下位机机构的采用较为普遍，由于加入了PLC模块而变得更加灵活。而控制单元与功率单元之间的连接控制，是通过一对接收与发送光纤完成的。图2显示了控制单元的组成，包括了主控板、相控板与接口板。其中，主控板的作用是控制与协调；相控板则包括了A、B、C三项，分别承担主控板的实时通讯、系统的故障切除、以及故障的信息接收功能；接口板负责系统的对外输入与输出。
图2 控制单元图
4.算法设计
4.1恒压频比控制
恒压频比控制技术，不仅能够改善输出波形、减小转矩的脉动与电动机能耗，还有效的加快了调节的速度、简化了逆变器的结构。而当负载突然变化时，由于磁通和转矩不能优化，导致了动态响应较慢。三相异步电机的转差率通常较小，仅需要调节电机的供电频率，便可以改变电机的转速。在工程设计中，需要保持磁通的恒定，以实现恒压频比开环控制。电机拖动不同的负载类型，随着转速的减小，其负载转矩也会相应的降低。
4.2调制波变换技术
连续调制波信号的输出，需要变换对应的调制波，也就是将窄脉冲由等宽不等幅变换成等幅不等宽，变形变换后由逆变器输出到负载。而如何得到所需要的波形，主要涉及的参数包括了正弦波的幅值、频率、以及脉冲数母，从而得出波形的脉宽与间隔。调制波的变换，不仅能够提高网侧的电压利用率，还可以减少大功率器件的开关次数【3】。
5.高压变频器的应用
变频调速装置的设计，是针对用户对转速的不同需求而进行的。当电机电源的频率改变时，电机的转速也会发生改变，从而达到变频调速的目的。变频调速不仅调速范围宽、灵活性好、系统输出功率因数高，且输出谐波小、输出转矩脉冲低、不需要任何的加滤波装置。
表1 中型高压三相异步电动机性能参数
以某钢厂生产装置的除尘风机为例，传统的三相异步电动机，其性能参数如表1所示。不仅运行效果差、节流损失高，且自动化程度低、故障较为频繁，更影响了电机的使用寿命。而采用高压变频器，当需求风量减少或增大时，可以降低或调大电机的频率。既节省了大量的电能，又实现了频率的平滑调节，有助于节能降耗目标的实现，更有着极佳的经济效益。
6.结语
在社会用电结构中，工业用电占据了很高的比例。而在工业生产中，高压电机又有着十分广泛的应用，为工矿企业的生产提供动力。长期以来电机系统运行中，存在着能耗高、效率低、设备低负荷运行等现象，客观上增大了电机系统节能的需求。而大功率高压变频器的应用，发挥了很好的节能效果，获得了广泛的市场认可。因此，高压变频器的设计，需要满足现阶段的需求。在硬件设计方面合理选择主要元器件，在软件设计方面选用合适的算法，并结合实际的参数与运行数据，从而达到挥更加理想的节能效果。
参考文献
[1]钟道祯.高压变频器在风力发电全功率实验台上的应用[J].电力电子技术.2013/06
[2]陈思远.整流器功率平衡的多级串联高压变频器[J].黑龙江科技信息.2014/08
[3]孙振泉.一起高压变频器功率模块过电压故障的分析[J].电世界.2013/11
论文作者:胡文军
论文发表刊物:《基层建设》2018年第1期
论文发表时间:2018/5/22
标签：变频器论文; 高压论文; 功率论文; 单元论文; 电机论文; 旁路论文; 转矩论文; 《基层建设》2018年第1期论文;