新型高压变频器设计

新型高压变频器设计（共5篇）

新型高压变频器设计 篇1

摘要：提出了一种基于单向开关的新型矩阵变换器拓扑方案。变换器采用IGBT器件代替二极管器件实现电压型整流,通过IGBT器件的电流双向流动特性实时地将负载的瞬时无功功率回馈至电网。这省去了大容量的直流母线储能电容,降低了变换器的成本,同时实现4象限运行。本新型矩阵变换技术主要侧重于整流侧IGBT开关控制技术研究和输入侧滤波器设计,通过理论计算和实验验证了此新型矩阵变换技术可替代传统的交-直-交功率单元,在级联多电平的高压变频器上具有应用前景。

关键词：矩阵变换器,高压变频,单向开关

单元串联多电平型高压变频器仍是国内外高压变频市场的主流,如图1所示,该类型中高压变频器采用多个低压的功率单元串联实现高压,输入侧的降压变压器采用移相方式,可有效消除对电网的谐波污染,输出侧采用多电平正弦PWM技术,可适用于任何电压的普通电动机。

其功率单元的拓扑如图2a所示,主要缺点是功率单元器件数目多,体积较大,特别是功率单元中的直流母线上需要提供大容量的电容,为负载提供无功能量。而电解电容存在体积大,寿命短,对温度要求高的缺点,是变频器产品中最易受损的器件之一。

为了克服这一缺点,有学者提出了使用矩阵变换器代替传统逆变器单元,避免直流母线电容的使用,并能实现变换器的4象限运行。

矩阵变换器(MC)是一种基于双向开关的新型的交-交电源变换器,可以实现交流电诸参数(相数、相位、幅值、频率)的变换。传统三相-三相矩阵变换器如图2b所示,它由9个双向开关组成,每个双向开关均具有双向导通和双向关断的功能。9 个双向开关按照3×3 的矩阵进行排列,通过双向开关的导通与关断,三相交流输入中的任意一相可以直接连接至三相交流输出中的任意一相,实现能量的双向流动。矩阵式变换器的输入侧还需要三相电感电容(LC)滤波器,滤除输入电流中的高频开关谐波。

目前,传统矩阵变换器技术已经被研究并应用于高压变频器中,但相应的研究仍然较少。同时采用双向开关后的矩阵变换器需要较多的控制信号,同时每次换流均需要进行多步换流,增加了高压变换器系统的控制复杂度。

综上,基于双向开关的传统矩阵变换器和级联型功率单元中存在的各自缺点,本文旨在研究一种应用于级联型高压变频器中的三相-单相矩阵变换器的解决方案。

1 新型三相-单相矩阵变换器的拓扑

本文提出的基于单向开关的新型矩阵变换器,如图2c所示。该电路由前级电流型整流和后级电压型逆变串联而成,整流电路采用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)来作为单向开关,整流电路中的IGBT在每个输入电源电周期中连续开通120°,开关频率等于电源频率,因此整流部分的IGBT损耗很小,后级的逆变采用传统SPWM调制。变换器输入侧还包括1个LC滤波器,用于吸收变换器的高频电流分量。

与图2a所示的传统级联型高压变频器中的单元相比,传统单元采用直流母线电容来吸收负载的瞬时无功分量;而本新型拓扑通过IGBT器件的电流双向流动特性实时地将负载的瞬时无功功率回馈至电网,所以大容量的直流母线储能电容被省略,系统的复杂度和成本均被降低。

2 新型矩阵变换器控制策略

如图2c所示的单元电路,在控制上可以分为前级AC/DC电流型整流器,以及后级AC/DC电压型逆变器。前级AC/DC整流器中的开关管在每个周期内分别导通120°角度。为了便于描述,在1个输入电压周期内,将线电压划分6个扇区,如图3所示。扇区内各开关管的开关信号如表1所示。当线电压过零时,整流侧才进行IGBT器件的开关状态切换;以扇区6向扇区2切换为例,当Vab=0 时,Sap管关断,Sbp管开通;且由于Sap与Sbp属于2 个不同的桥臂,所以2 个开关管换流过程时几乎不需要增加死区。最终,按照表1 的开关状态,可知,理想情况下虚拟直流母线PN点之间的电压为线电压的包络线。

此外,考虑各状态之间的换流,负载电流和网侧电流的续流回路,需要在整流进线ABC端和虚拟直流母线NP端分别增加电容。

后级DC/AC电路采用传统型电平移向载波的SPWM控制,如图4 所示。由于开关频率高,且控制方式实现了对直流母线电压脉动分量的补偿,最终直流母线的脉动不会造成输出电压的畸变。

当新型矩阵变换器应用于级联型高压结构中时,每个单元的输入整流器通过采样其单元输入电压,来确定各自的开关时序。而每个单元的逆变侧采用基于载波移相的级联多电平调制方式。三单元级联的矩阵多电平各单元载波之间相位相差60°。

3 输入侧LC滤波器设计

矩阵变换器通过直接将网侧与输出侧相连,实现能量在网侧与负载间的直接传输(不经过中间电容)。所以,矩阵变换器的输入侧电流具有大量的开关次高频分量,如果不对这些高频分量进行滤波,则网侧变压器的温度将升高,最终损坏。

滤波器的设计主要需要考虑:滤波器截止频率,滤波器阻尼系数,以及滤波器阻尼滤波电容纹波与阻尼电阻损耗。

最简单的输入滤波器为LC滤波,且在高压级联型矩阵变换器中,LC滤波器中的电感可使用移相变压器的漏感代替,只需设计滤波电容C以及阻尼电阻。LC滤波器构成1 个二阶欠阻尼系统,它本身的阻尼系数很小几乎为零,在受到输出侧谐波电流的影响下易导致滤波器的不稳定(主要是L上电流、C上电压发生震荡),所以实际LC滤波器需在电感两端并联阻尼电阻Rf或在电容上串联阻尼电阻Rf。在矩阵变换器中,在电容上串联阻尼电阻Rf的方法较为可行。滤波器的单相等效电路如图5 所示,可得滤波器前后的电流iai与iaf之间的传递函数为

滤波的特征频率fn及阻尼系数 ζ 分别为

最终选择fn= fs/5 ≈ 800 Hz,ζ = 0.27(即Rf=5 Ω),输入滤波器的频率响应曲线如图6 所示。

另外在虚拟直流母线上增加Cd=20 μF的电容,来吸收逆变器所产生的高频电流纹波。减小输入滤波器的负担。

4 矩阵变换单元在级联型高压变频器中的应用

把这种新型的矩阵变换器应用于级联型高压变频器中就能实现高压输出。每相各由5级如图1 所示的矩阵变换器功率单元构成;每个功率单元的额定虚拟直流母线电压为1 000 V;级联后得到的高压变换器样机可以实现6 k V的三相线电压输出;受测试条件所限,我们对样机进行了电抗器负载和空载电机测试。

图7 给出了电抗器负载测试下的各波形,其中图7a给出了单元W1在电抗器负载测试下的输入单元电压及直流母线电压。此时功率单元的输入电压正弦性较好,但是仍存在一定的开关次高频分量。这些高频分量在正弦波顶部与直流母线上的反应最为明显。

图7b给出了电抗器负载测试下的单元W1输出电压与单元输出电流。由于测试所使用的电抗器阻抗较小,为了限制矩阵变换器的输出电流,所以必须减小矩阵变换器的输出电压,即减小其调制比。图7c给出了W相输出电压与输出电流波形,此时调制比较小,所以输出相电压只有1个台阶,不呈现多电平特性。

空载电机测试结果如图8 所示。图8a给出了样机额定输出6 k V/50 Hz时的单元W1、单相W及输出线电压的波形。输出相电压与线电压均为台阶状SPWM波形且相电压为9电平,与理论分析相符。图8b给出了样机V/f控制下30 Hz时的输出相电压波形,此时电压调制比为0.55,输出相电压退化为5个台阶的SPWM波形。

5 结论

综上,应用于级联型高压变频器的矩阵变换器,利用高压变频器中的移相变压器二次绕组本身的阻抗作为矩阵变换器的输入滤波器的一部分,减小了矩阵变换器输入滤波电路体积,后级逆变输出电压波形为SPWM波,整机串联移相叠加后,整机输出电压波形为完美正弦波,与目前多电平高压变频器中的功率单元输出性能基本一致。单个变换器单元输入电流含有低次谐波,但由于移相SPWM技术的应用,2N-1 次以下的谐波可以抵消实测整机的输入电流波形小于4%的输入电流谐波标准。

综合以上测试,矩阵变换器的实验结果与理论分析较为一致。本次课题所实现的级联型高压矩阵变换器最终实现6 k V三相电压输出,且输出电压、电流均具有较小的THD,可用于中高压电机的拖动。

参考文献

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[9]比马尔,K.博斯.现代电力电子学与交流传动[M].北京:机械工业出版社,2006.

高压变频器的维护和故障处理 篇2

[摘要]高压变频器技术作为目前电机调速节能最有效的方式之一在工业领域得到广泛的应用，但由于其所带设备的重要性，变频器的日常维护和故障处理，保证其稳定的运行就显得尤为重要。本文以荣～RHVC高压变频器为主介绍了变频器的的维护和保养以及故障处理。

[关键词]高压变频器 维护保养 故障处理

[中图分类号]TN773 [文献标识码]A [文章编号]1672-5158（2013）06-0223-01

1 引言

我厂3#高炉喷煤排煤风机采用了荣信公司RHVC（1000KVA）高压变频器。从目前使用情况来看，高压变频器很好的实现了电机软起动，起动电流小，而且可以连续调速，满足生产工艺过程对电机调速控制的要求，达到了提高产量，节约能源，降低成本的目的。

荣信RHVC高压变频调速统采用单元串联多电平技术，属高高电压源型变频器，直接10kV输入，10kV输出。变频器本身由变压器柜、功率柜、旁路柜三部分组成。三相高压电经高压开关柜进入，经输入降压、移相给功率单元柜内的功率单元供电，功率单元分为三组，一组为一相，每相的功率单元的输出首尾相串。功率柜由功率单元和控制机组成，其中的控制单元通过光纤时对功率柜中的每一功率单元进行整流、逆变控制与检测，这样根据实际需要通过操作界面进行频率的给定，控制单元把控制信息发送到功率单元进行相应得整流、逆变调整，输出满足负荷需求的电压等级。

2 高压变频器的维护和保养

高压变频器具有高度的可靠性和免维护性，但是，由于环境的温度、湿度、粉尘、磁场、谐波及振动等因素的影响，高压变频器内部器件的老化及磨损等诸多原因，都会导致高压变频器潜在的故障发生，因此，我们应对高压变频器进行日常和定期的维护和保养。

2.1 固定螺栓的紧固：

1）高压变频器每运行三个月，应对所有螺栓进行一次检查，查看其是否发生松动或变色，若松动需重新紧固，变色需要更换；2）检查高压变频器柜内所有接地应可靠，接地点无生锈；3）每次检修时，检查功率单元的固定螺丝是否紧固，避免功率单元的触头接触不良。

2.2 灰尘的清除：

1）变频器每运行一个月，用带塑料吸嘴的吸尘器对控制机内部、功率单元、变压器一次、二次线圈进行一次全面的除尘处理，检查控制机卡板是否松动，CPU风扇是否能灵活转动；2）高压瓷瓶、绝缘子、电压互感器、避雷器等高压设备也要定期清扫。

2.3 通风散热：

1）夏季环境温度较高时，应加强变频器室内的通风，保证变频器良好的通风散热；2）变频器停机后恢复运行，如果环境潮湿，应先打开各控制电源，使变频器通风半小时，以驱除变频器内部潮气，然后再通高压电投入运行。

2.4 电缆检查：

1）检查所有电气连接的紧固性，查看各个回路没有异常的放电痕迹，没有怪味、变色、裂纹、破损等现象；2）注意高压电缆的搭接放电；3）变频器长期停机，半年左右应通高压电一次，持续最少一小时，以防电解电容发生漏电增加、耐压降低的劣化现象。若要恢复运行，应使用2500V兆欧表测量变频器（包括移相变压器一侧、旁路柜主回路）绝缘合格后，才能启动。

2.5 其它检查项目：

1）检查各接触器是否动作灵活，旁路接触器是否可靠动作；2）检查每路反馈信号是否可靠检测；3）检查导体绝缘物是否有腐蚀过热的痕迹、变色和破损；4）检查端子排是否有损伤，触点是否粗糙；5）检查控制室内的器件是否安装紧固，插拔器件是否插紧。

3 高压变频器的故障分析和排除

高压变频器具有完善的保护和检测功能，能够检测故障和报警信息，并将它们保存在记录中，可以通过触摸屏的人机界面进行查询详细的故障现象记录。一股情况下，高压变频器处于故障状态时，封锁所有IGBT，使电机失电自由停车保存并显示故障记录；处于报警状态时，继续运行，保存并显示报警记录，待排除问题后，报警消失。

3.1 过电压、欠电压故障：

过压欠压分为一二三级，故障原因一般是来自电源输入侧的过欠电压，正常情况下电网电压的波动在额定电压的-10%-+10%以内，但是在特殊情况下。由于直流母线电压随着电源电压上升和下降，所以当电压上升或下降到保护值时（额定输入电压的70%-120%），变频器会因保护而跳闸。措施：去除造成输入侧电压过高过低的因素，检查电压传感器系数，过压欠压等级参数设置及其接线，更换模拟板卡、cpu板卡；为避免输入侧过电压可以改变变压器的抽头进行调节，此种方法只适合于现场电压一直偏高的情况下，另外还可以考虑在电源输入侧增加吸收装置，减少变频器输入侧过电压因素。

3.2 过载故障：

过载分为一二三级，故障原因是电机电流超过额定电流的105%、120%、150%，措施：负荷过大降低负荷，检查传感器系数、过流等级设置及其接线，检查变频器输出到电机的接线，更换模拟板卡、pwm板卡、cpu板卡。

3.3 控制通道异常故障：

故障原因通常由于PWM板与功率单元板之间的光纤通信造成的，一般由以下几种情况：光纤连接部位接触不良或光纤头脱落；光纤信号发送，接收器内部堆积灰尘；光纤折断；光纤通信控制板损坏；措施：在出现光纤故障的情况下，首先需要判断是功率单元故障还是控制器侧出现故障，可以通过对调光纤的方法进行判断。将在控制器中光纤板上的同一相的任意一个功率单元对应的光纤与报故障的光纤进行对调，再次上电监控界面定位的光纤故障如果仍然在原位置，说明是光纤板损坏，反之，监控界面显示的光纤故障已经更换位置，则说明是功率单元故障，此时可以考虑更换或维修故障功率单元。

3.4 输入/输出故障：

故障原因系统让接触器合闸，辅助点反馈信号没有检测到，或继电器（接触器）损坏，接触器粘连，措施：打开接触器辅助点的后盖，检查接触器合闸后，辅助杆有没有到指定位置，更换接触器，检查电源模块，保险管，如有损坏更换元件，查看直流220V电源，220V保险管，如有损坏更换元件。

3.5 IGBT过流故障：

IGBT是高压变频器中最关键的功率器件，IGBT作为一种大功率的复合器件，存在着过流时可能发生锁定现象而造成损坏的问题。为了提高系统的可靠性，采取了一些措施防止因过流而损坏。通常引起IGBT过流故障的原因有以下几种：变频器输出短路；功率单元内IGB礅击穿；驱动检测电路损坏；检测电路被干扰。措施：根据监控界面显示的故障定位找到对应得模块，拆开检查IGBT是否损坏，判断的方法是找到功率单元内部直流母线的正极v+与负极v一，将万用表的黑表笔接到v+上，红表笔分别接到u，v上，用二极管档，应该显示0.4V左右的数值，反相则显示无穷大；将红表笔接到v一上，重复以上步骤，应得到相同的结果，否则可判断IGBT损坏需要更换。

3.6 单元故障

1）单元超温故障：故障原因功率单元散热器的温度到达75°，通风不佳或温度开关损坏，措施：处理风道，检查散热风机是否正常，更换功率单元或功率单元控制板卡，更换温度开关，处理系统干扰问题。2）单元直流母线欠压故障：故障原因单元直流母线电压低于550VDC，措施：更换功率单元或功率单元控制板卡，检查熔断器、二极管有无损坏，单元输入端与柜体插件连接不佳，系统输入电压过低。3）单元直流母线电压过高故障：故障原因单元中母线电压超过1230VDC，通常由于再生制动过高或不正确调整引起，措施：查看V/F曲线、加速时间、降速时间参数设置，检查系统输入电压是否过高，更换功率单元或功率单元控制板卡。

4 结束语

随着电力行业的发展，能源的短缺和环境的污染，高压变频器在工业生产领域的节能效果会越来越显著，应用会越来越广泛，其日常的维护保养和运行时出现的各种问题和故障的处理也将成为每一个现场维检人员必须掌握的技术。

参考文献

高压变频器散热与冷却系统的设计 篇3

1 高压变频器的散热设计

高压变频器运行期间的热量主要来自控制系统、整流变压器、功率单元等, 其中主电路功率器件的散热与通风是最主要的发热源之一。

1.1 功率单元的散热设计

1.1.1 散热设计关注点

功率单元散热设计主要是针对整流二极管、逆变模块进行的。以单元串联多电平结构的高压变频器为例, 功率器件为IGBT, 在进行散热设计时, 应注意以下几个方面:

(1) 功率器件选型:元器件与原材料应具备良好的热稳定性与耐热性能。

(2) 降低器件或者设备的内部发热量:尽量选择微功耗器件, 电路设计中最大限度地减少发热元器件数量, 优化器件开关频率, 以减少内部发热。

(3) 散热与冷却方法:选择合适的散热与冷却方法, 加速散热, 降低环境的温度。

1.1.2 结温计算

(1) 耗损功率估算。

当设备处于稳态运行时, 功率单元耗散功率为整流二极管、续流二极管和IGBT的总功率耗散, 在散热设计中, 首先要对这几种器件总功率进行估算。

IGBT的耗损包括通态、断态、关断、开通与驱动损耗, 在估算中主要考虑通态、关断、开通的损耗, IG-BT通态损耗为:

IGBT开关损耗为:

续流二极管通态、关断损耗分别为:

整流二极管在低频时的损耗功率以通态损耗为主, 可以根据通态损耗功率与通态平均电流关系曲线进行查找。综上, 功率单元总耗损功率为:

(2) 结温计算。

简化的IGBT热阻等效电路如图1所示, Ta为环境温度;Ts为散热器表面温度;Tj-Tr为IGBT的结温;Tc为IGBT的管壳温度;Rθ (j-c) 为器件结到管壳基准点稳态热阻, 是由厂家提供的, 通常情况下会在数据表中给出相应的瞬态热阻曲线在t→∞的稳态值或上限值;Rθ (c-a) 为管壳不经过散热器散热而直接接入空气的热阻, 通常可忽略;Rθ (c-s) 为管壳到散热器的触热阻, 由厂家数据提供;Rθ (s-a) 为散热器基准点到环境基准点的热阻, 该值的大小由散热器的尺寸、形式与冷却方式决定。

在热平衡条件下, 器件静态热阻为:

电力电子器件工作时进行周期性的通断, 因此需要考虑瞬态热阻对结温波动造成的影响, 判断其波动是否超过了最大结温。瞬态热阻为:

根据上述分析结果, 电力电子器件的结温或者散热器热阻计算公式为:

在进行热阻的计算时, 需要对损耗功率波动、负载波动予以考虑, 判断其波动幅度, 在一般情况下要确保给定的条件下的最高结温不超过125℃, 而对稳态结温的计算裕量保留5℃。

1.1.3 散热器设计与选型

(1) 插片设计:包括插片长度、高度、厚度以及数量等, 以上各项应该根据实际情况进行选择, 过度设计不仅不会明显提高散热效果, 还会造成浪费。

(2) 散热器表面处理:散热器表面的氧化处理会影响其散热效果与热阻, 因此要求较高的场合散热器可以进行氧化处理, 提高器件的散热性能。

(3) 散热器上的器件安装:器件布局应科学合理, 将高发热量器件布置在该处;损耗大的器件给予充足的面积;为降低接触热阻, 在散热器与功率器件的安装表面均匀地涂抹散热硅脂, 按照技术标准施加紧固力矩。

以上各项, 在实际设计过程中, 会受到单元结构空间的限制。

1.2 整机散热设计

1.2.1 风道设计

(1) 串联风道。

串联风道结构简单, 上下众多功率单元形成串联通路, 因此风道属于垂直风道, 大大减小了风阻;但是这种风道因空气从下至上进行依次加热, 因此上面功率单元环境的环境温差较小, 对散热效果造成影响。为此, 在采用串联风道进行散热时, 需要通过扩大通风面积或者提高风速来增加通风量。

(2) 并联风道。

并联风道在各个功率单元的前面进风, 各相对应的进风口均成并联形式排列, 冷却空气通过风仓的汇总后由风机抽出。但并联风道由于需要在柜体后面配置风仓, 设备体积会增加。

1.2.2 风机选型

当整个功率部分采用强制风冷却时, 要确保充足的冷却空气持续不断地流经散热器的表面, 才能保证散热系统能够达到目标温度值的热平衡。根据稳定平衡下的公式:P=h×A×ΔT, 在已知散热器有效表面积A、系统耗散功率P以及散热器表面温度差ΔT的基础上, 计算获得吸热介质对流换热系数h。通常在稳定平衡状态下, 电力电子器件风冷散热风速为3~6m/s时, 可以满足通风栅的要求, 设计中应根据以上原则合理地进行风机选型。

1.3 高压变频器散热设计实例

1.3.1 单元散热设计

以某项目为例, 高压变频器额定功率7500k W, 额定电压10k V, 负载电机额定电流为491A。变频器采用单元串联多电平结构, 功率单元额定电压为690V, 额定电流为550A。

功率器件选型:IGBT, FF1000R17IE4, 规格:1700V/1000A;整流桥, DD350N18K, 规格1800V/1070A, 德国Infineon。选择强制风冷方案进行功率单元的散热。

设计选择插片式铝制散热器, 其热导率为k=2.08W/ (cm·℃) , 采用垂直方式进行散热器的安装, 系数为c1=0.5;冷却风速为4.0m/s, 系数为c2=0.4;紊流为主要空气流场, 系数为c3=0.12。散热器尺寸为长500cm, 宽28.0cm, 齿高17.0cm, 根据散热器技术参数, 在300CFM时, 最大热电阻=0.016℃/W。当环境温度30℃时, 将功率单元相关参数带入公式, 得:单个IGBT通态损耗69.8W, 开关损耗78.0W, 单个整流桥通态损耗9.1W, 开关损耗21.9W, 总的损耗为1072.8W, 散热表面温度为76.9℃, 管壳温度为90.8℃, IGBT结温为103.4℃, 整流桥结温为106.4℃。

实验验证:单元装配后在冷却风速为4.0m/s的条件下进行负载测试, 环境温度31.2℃, 主回路电流为550A, f=50Hz, 实测单元总损耗测量值为1071W, 散热器表面温度为59.4℃, 温升为28.2℃, IGBT结温为101.6℃ (远低于125℃, 符合要求) , 与理论计算结果基本符合。

1.3.2 整机散热设计

为保证更好的散热效果, 选用并联风道, 风机选择型号R4D630-AQ15-01, 规格:630风机4极, 德国EBM。一般情况下取风压为200Pa, 根据技术参数可得风机的总风量为18.67m3/s。风仓总进风面积为1.79m2, 考虑到并联风道布局、柜体密封效果、结构件及封板缝隙、风仓和风机安装等风阻因素, 一般取风阻系数f为60%, 计算可得单元风速为6.25m/s, 满足单元散热要求。

实验验证:整机装配后, 进行通风测试, 主回路实际测得整机进口风速为5.57m/s, 单元柜体进风口面积4.05m2, 折算到单元风速为6.32m/s, 风道与风机的设计与理论计算结果基本符合。

负载测试:环境温度31.4℃, 主回路电流为550A, f=50Hz, 实测单元散热器表面温度为55.6℃, 温升为24.3℃, IGBT结温为98.6℃, 符合散热要求。

2 高压变频器冷却系统的设计

研究表明:高压变频器的故障率随环境温度升高而成指数上升, 使用寿命则成指数下降。因此, 高压变频器运行情况是否良好, 冷却系统设计的优劣起着至关重要作用。

2.1 冷却方式对比

目前高压变频器中所使用的冷却方式主要有强制风冷却 (外循环) 、空调密闭冷却 (内循环) 、空-水冷却和设备本体水冷。其中, 强制风冷却 (外循环) 的设备投入和运维成本均较低, 但是对环境要求高, 适用于空气洁净、设备功率较小场所;空调密闭冷却 (内循环) 对环境无特殊要求, 适用于在湿度大、粉尘等恶劣的场合;空-水冷却的成本较高, 冷却效果可靠性也较高, 适用于较大功率的场合;设备本体水冷的设备成本最高, 但是冷却效果和可靠性也最好, 主要用于超大功率的场所, 但对冷却水有较高要求。

2.2 高压变频器冷却系统设计实例

2.2.1 冷却方案选择

仍以上述项目为例, 根据客户现场要求和变频器功率较大, 选择空-水冷方案。系统主要是由风管、轴流风机、换热器三部分组成。室内空气进入变频器, 经过功率单元, 通过柜顶风机排出, 经过风管在轴流风机的送风作用下吹到换热器上, 换热器的铜管中流入的冷水, 热风经过散热片后, 将热量传递给冷水, 其热量被循环冷却水带走, 变成冷风从散热片吹出, 经过风管送到安装变频器的封闭室内。可以保证变频器室内的环境温度不高于40℃, 达到降温的效果。

2.2.2 空水冷却系统参数配置和试验验证

系统具体参数配置和实测值如表1所示, 根据数据进行判断, 与理论计算结果基本符合, 符合该项目高压变频器的冷却要求。

3 结语

为确保设备能够正常、安全、可靠地运行, 工程设计人员应根据不同的工况进行合理计算与设计, 通过对热路各点温度比较准确的计算, 风路风量和管路流量统计以及试验验证, 以保证高效散热目标的实现。同时在设计中应综合考虑设备成本与功能配置的最优化, 使项目投资运营方的经济收益最大化。

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[2]竺伟, 王永红, 陈应敏.国产化高压变频器在天然气长输管线高陵压气站的应用[J].电气传动, 2014, (8) :3-6

[3]贾炳琦, 董斌, 蔡引兄.高压变频器的通风与散热设计[J].电气传动自动化, 2013, (5) :60-62

[4]殷炯, 翁星方, 何为国, 等.IGBT功率模块散热系统设计与分析[J].机电信息, 2014, (15) :146-148

[5]王川江.高压变频器冷却方式的改进应用[J].自动化仪表, 2014, (8) :48-50

[6]王永鑫.中高压变频器冷却方案比较和选型分析[J].电气传动自动化化, 2015, (3) :47-51

新型高压变频器设计 篇4

【摘 要】随着社会的发展和科技的进步，不管是在工业领域还是人们的生活方面，都发生了重大的改变。在具体的工业领域中，水泵起的作用非常大，甚至是很多地方不可缺少的一部分，比如水利工程等项目，工作状态下水泵必须保证安全性和稳定性，周围的温度必须要适应，过高的温度会造成水泵系统的故障，所以水泵运行中风机所起的作用是不可忽略的。随着科技的进步，变频技术和相关的电子技术也取得了一定的发展，相应的高压变频技术也变得更加的成熟，能够更好地在风机的改造工作中得到应用。因此本文研究的主题就是在查询具体的资料资源之后，总结出高频变压器的工作原理，以及风机节能的改造之后在水泵工作中的运用。

【关键词】科技；高压变频技术；风机节能改造；基本原理

变频技术不仅在工业中，在人们的生活中也得到了很大的应用，比如电冰箱、空调等家用电器都有变频技术的应用，变频技术之所以受欢迎、应用广泛主要来源于它能够根据实际的情况自动选择合适的功率，科技的进步带来了技术的发展，所以高压变频技术在原来的基础上得到了改变，更能满足生活中和工业上的应用。为了方便介绍风机的节能改造，我们以水利工程水泵工作环境中的风机为例，传统的风机的工作原理是通过调节进口和出口的阀门来控制风量的大小，但是这种方法存在着诸多弊端，比如风阻问题、牺牲风机效率问题、耗能严重、还存着大马拉小车等尴尬现象，所以，为了满足日益发展的工业的需要，提供整个工作的工作效率，需要积极得使用已经取得进步的高压变频技术来改造风机的节能问题，有一定的社会意义和经济意义【1】。

一.高压变频技术的原理

（一）基本构成和工作原理

高压变频器是开关电源的一部分，整个开关电源的结构是很复杂的，有很多的拓扑结构。我们以半桥式功率转换电路为例子，在电路找工作的状态下，总共有两个三极管起作用，分别轮流来产生高频脉冲波，之后要想得到交流电，这就需要使用高频变压器来进行变压工作，同时，不同线圈匝数的高频电压器能够输出不同电压的交流电。总结来说，高压变频器的共组原理是当初级线圈通电时，铁芯中就会产生交流通磁反应，这时候初级线圈中就感应出电压和电流。变频器主要由两个部分构成，分别是线圈和铁芯，一般的变压器都不只有一个线圈，而是由多个线圈组成的绕组，线圈越多，产生的交流电相应就越大，我们将连接电源的那一个线圈就做初级线圈，剩下的全部是次级线圈，为了帮助读者的理解，我们从资料中找到高压变频器的示意图：

（二）高压变频器在风机节能改造中的应用

高压变频器已经在风机的工作中得到了一定的应用，将取得新发展的高压变频技术应用到风机的工作中，能够提高风机的工作效率，具体表现在三个方面。首先，在使用高压变频器之后，风机结构中的转子的磨损相应就会减少，这样就能够减少很大一笔维修费和更换费用，节省工厂或者企业的资金，同时也能够减少对齿轮的磨损，降低由齿轮损坏为工作带来得损损失，相应的就能够为其他设备或者工作提供资源。其次，在风机中适应高压变频器还能够提高产品的质量，因为高压变频器的使用使工作设备的精度提高了，相应的产品的精度就得到了保证。第三，高压变频器经过新科技的影响，使用寿命得以延长，可靠性也得到了很大的提高，就更能保证设备的工作状况，保证风机的运行情况和效率，为工厂或企业带来更大的经济效益，满足工业发展的最终目的【2】。

二.风机节能改造工作

（一）风机节能改造存在的问题

传统的风机已经不能满足现在工业发展的需要，人们很早就已经着手风机的改造工作，但是改造工作存在着诸多不能忽视的问题，在经过大量的调查下，我们总结出以下几点，一是风量调节的方式，风机改造中减小风量调节带来的消耗问题；二是风机的损耗问题，风门调节流量或者风量会造成管道的磨损，同时机械部件所受到的压力也变得更大，相应的，风机的使用寿命就会缩短；存在的第三个问题是当电机启动得一瞬间，电流是非常大的，这样会造成电网电压的波动，电压稳定是机械正常工作的前提保证，电压的异常不仅会造成工作的贻误，更会简短设备的寿命。

（二）改造节能风机的具体方案

风机节能性的改造是具体工厂企业的需要，也是整个工业取得稳定发展的需要，有着具体的社会现实意义，所以需要投入大量的资源和精力来创新改造，在改造的过程中，要注意高压变频器的使用。

1.高压变频器接入的具体方式

有专家曾经做过一个实验，在双风机设置的机械设备上引入高压变频器，可以节能百分之三十到四十，着对于工厂和企业来说是一个非常大的福音，可以将节省下来的钱应用到其他的地方，提高整个工作的效率和质量。高压变频器接入的方式上，选用的是中压交流风冷型双 PWM变频调速装置，为了方便读者的理解，我们做出了接入方式的简图，如下图二所示：

这种接入方式可以实现多种功能，首先是嵌入式通信的实现，除此之外还可以实现网络和跨平台的通用，同时设备硬件和操作编程等也能够实现共享，这种接入方式比较简单便利，操作性比较强，改造后的效果也比较好，所以在具体的改造工作中这种接入方式应用的比较多。

2.改造后风机的运行方式

变频器接入之后，替代了风门挡板调节风量和流量的方式，这样就降低了机械设备很大的压力和磨损度，也降低了设备工作中的停机率。具体的原理还需要借助变压器接入方式的简图来介绍，在设备运行过程中，总共有三个开关处于工作之中，分别是K1/K2/K3，当需要变频器工作的时候，K2/K3闭合开始工作，K1断开；工频方式运行的时候，K1闭合，K2/K3断开。需要不同，运行的方式也不同，相应的开关的组合也不同。

3.控制和保护的设置

高压变频器并不是完全自动的，也需要有一定的控制方式，改造工作中采用的是就地和DCS远程控制方式，就地保护系统需要借助变频柜人机的操作来实现。DSC的远程控制系统包括的功能有很多，最具代表性的是发放运行状态或者是设备故障的信号，比如启动和停止、就绪和故障等。由高频电压器实现的启动和停止功能，能够避免由电压不稳定引起的故障。

4.风机改造在水泵中的应用

实际工作中，水泵的应用是比较广泛，不管是工业还是农业上，水泵都起着非常重要的作用，一般情况下，水泵的运行中是很耗费电量和资源的，相应的在工作状态中，周围的温度是很高的，所以借需要借助改良的风机。改良的风机可以和水泵处于完全独立的两个工作系统，实现在应用的状态下，互不干扰，但是却能够实现能源的共享，经过改造后的高频风机，可以和水泵公用一个供电线和信息网络，减少了重新铺设的资源，同时，改造后风机的高性能也是实现水泵应用的重要条件之一。

三、结束语

高频变压器受到新科技的影响变得更加的便捷实用，能够为工业和人们的生活带来很大的便利，具体可以使用在风机的节能改造中，减少工作阻碍，提高工作效率，保证工业的稳定运行和长足发展。

参考文献：

[1]李纬. 试论高压变频器在水泥厂风机节能改造中应用问题[J]. 现代制造技术与装备，2013，04：59-60.

新型高压变频器设计 篇5

关键词：变频器(HARSVERT—A)、故障处理

随着电子控制技术和集成高压大功率晶体管技术的不断成熟与发展，高压变频器的使用也越来越广泛，无论是高压异步电动机还是低压异步电动机，无论是泵还是风机，无论是工业设备上还是家用电器上都会使用到变频器，可以说，只要有三相异步电动机的地方，就有变频器的存在。特别是高压变频器现在在发电厂高压电动机上使用已较为普遍，那么，如何维护好高压变频器并使之正常工作，将直接影响发电厂机、炉的安全连续运行。下面就6KV高压变频器HARSVERT A系列在发电厂运行中的一些案例进行分析。

一、变频器的基本原理

按照电机学的基本原理，电机的转速满足如下的关系式：

n=(1-s)60f／p=nO*(1-s)

(P：电机极对数；f：电机运行频率；s：滑差)

从式中看出，电机的同步转速n0正比于电机的运行频率(nO=60f／p)，由于滑差s一般情况下比较小(0——0.05)，电机的实际转速n约等于电机的同步转NnO，所以调节了电机的供电频率f，就能改变电机的实际转速。电机的滑差s和负载有关，负载越大则滑差增加，所以电机的实际转速还会随负载的增加而略有下降。

二、变频器的作用

1.调速：可以通过控制变频器的输出频率使普通的三相异步电动机工作在调速范围即任意地改变电动机的转速，频率与转速成正比。

2.节能：因为介质流量与风机或泵类的转速成一次方正比，转速大流量即大，而功率与转速成正比三次方，P1／P2=(N1／N2)³，转速低功率小。变频器调速比传统的电磁调速可以节电25％-80％。

3.软启动：将电动機的启动电压由零慢慢提升到额定电压，这样电机在启动过程中的启动电流，就由过去过载冲击电流不可控制变成为可控制。并且可根据需要调节启动电流的大小。电机启动的全过程都不存在冲击转矩，而是平滑的启动运行。

三、HARSVERT-A高压变频系统基本结构组成

基本结构组成最主要有三大块：变压器、功率单元、控制单元

1、主要分析功率模块的基本组成：

(1)功率器件：IGBT、旁路半桥、可控硅(如图)

(2)单元控制板：模块电源(H AS2015-W、HAS2.5-5-W)等

(3)驱动板：模块电源(HM7)、M57962AL、驱动端子等

四、案例分析

(一)功率模块导轨积灰放电导致驱动故障

1、故障现象：

(1).变频器运行一段时间后报A3，A4或者A7，A8驱动故障，后来演变成变频器一启动就报A3，A4驱动故障

(2)更换主控箱后，现象依旧在。

2、故障原因分析：

(1).功率单元自身的内部原因，这里面包括内部功率器件、电路板；

(2)功率单元对应的光纤问题

(3)相邻两模块之间的导轨绝缘问题；

(4)功率柜后挡板环氧板绝缘问题；

(5)模块输入侧三相绝缘的问题：如功率柜变压器柜侧板转接螺栓、三相输入电缆；

(6)变压器副边相邻线圈绝缘问题

3、判断分析：

(1)由于每次重启变频器能运行一段时间，初步判断：功率模块自身的问题可能性不大。

(2)每次都是两个模块同时报出，感觉上与模块的位置有关，那么：

a.相邻两模块之间的导轨绝缘问题；

b.功率柜后挡板环氧板绝缘；

c.模块输入侧三相绝缘的问题：如功率柜变压器柜侧板转接螺栓、三相电缆；

d.变压器副边相邻线圈绝缘问题

4、查找检查：

(1)现场目测导轨、功率柜后挡板环氧板、功率柜变压器侧板转接螺栓、三相电缆、变压器副边相邻线圈都看不出任何迹象。

(2)对功率模块现场摇绝缘，使用5000V的绝缘摇表测试；摇绝缘前功率模块的u V输出铜排拆开。测试发现：在测导轨之间摇绝缘时，在模块后侧的导轨之间出现电火花，绝缘值为零，打开功率柜后档板发现：功率模块导轨之间存在局部放电，导轨后端有积灰而且有积水(不久前柜顶漏水)。

5、处理措施：处理漏水地方，将积灰积水查干净并更换绝缘板。

(二)启动转矩大，导致的驱动故障

1、故障现象：

(1)6月19日，变频器启动过程中，报B3，B4，C5驱动故障；

(2)6月29日，变频器更换功率模块滤波板后，再次启动报A1驱动故障；

(3)7月8日，调整变频器主控参数后，第一次和第二次启动均报负载过流，第三次启动报C4驱动故障，同时负载过流。

2、现场检查：

(1)检查主控箱内各电路板级未见异常

(2)检查变频器高压电缆未见异常并测电缆及变压器绝缘正常；

(3)检查报驱动故障的功率模块发现内部均有一只IGBT击穿。

3、故障判断：

由于变频器故障发生的时刻在带载启动期间报驱动故障，且发现有报负载过流问题；根据这一现象我们判断是由于电机启动所需要的转矩较大，变频器在VVVF的控制方式下需要较大的启动电流。过大的启动电流导致功率模块内部的IGBT击穿报驱动故障。

进一步利用示波器监测VVVF和矢量控制下的启动电流确证。

4、分析判断：

(1)在查找问题过程中，为了尽量避免模块损坏，建议先不要带负荷试运行；以便确定故障与主控箱和其它设备无关，与负载有关。带负荷时开始将过流保护值设定小一点，从额定电流开始，然后，再逐步加大。

(2)通过对比，在电机启动转矩较大的情况下，可以考虑使用矢量控制运行；

5、处理措施：(1)更换功率模块；(2)适当调整加大启动转矩提升值。通过以上处理，现设备运行正常。