HIVERT高压变频器简介及应用推荐

2023-06-29 理论教育版权反馈

【摘要】：HIVERT高压变频器由变压器柜、单元柜、控制柜三部分组成，该柜采用功率单元串联叠波技术、矢量控制技术、有源逆变能量回馈技术、新颖的全中文操作界面，可靠性高、性能优越、操作简便。主电路HIVERT系列高压变频器采用交-直-交直接高压（高-高）方式，主电路开关器件为IGBT。HIVERT系列高压变频器采用功率单元串联，叠波升压，充分利用常压变频器的技术，具有很高的可靠性，见图2-62。

HIVERT高压变频器由变压器柜、单元柜、控制柜三部分组成，该柜采用功率单元串联叠波技术、矢量控制技术、有源逆变能量回馈技术、新颖的全中文操作界面，可靠性高、性能优越、操作简便。可应用于需要四象限运行、带能量反馈、动态响应快、低速运行转矩大等场合。

1.变压器柜

变压器柜内装有为功率单元提供三相电源的移相变压器。柜门上设有干式变压器温度控制仪，为变压器提供温度告警和过热保护。柜前门内侧装有行程开关，当柜门打开时告警。柜门后装有电磁锁，当高压电进入柜内时，电磁锁自动锁定，需要专用的电磁锁钥匙才能打开。

变压器前面右侧和后面左侧是二次绕组接线区域，与相应的三相电抗器输入电缆连接。输入电源接线在后面上部，直接进入变压器，输入电压检测直接接在变压器输入侧，输入电流检测接在变压器的联结电缆上。

2.单元柜

单元柜内的功率单元和三相输入电抗器分成3组，每组串联成一相，每相串联6个功率单元和6个电抗器，分前后排列。串联后，A1、B1、C13个功率单元联结，最后3个功率单元A6、B6、C6输出接在高压输出室的接线排牌上，联结电缆上穿有霍尔电流传感器，检测输出电流。

3.控制柜

变频器控制系统安装在单元柜的前右面的控制室内，从上到下依次为控制器、I/O接口板、控制电源系统和柜门上的人机界面。

控制器由三块光纤板、一块信号板、一块主控板和一块电源板组成，各板之间通过母线底板连接。光纤板通过光纤与功率单元传递数据信号，每块光纤板控制一相的所有单元。光纤板周期性地向单元发出PWM信号或工作模式。单元通过光纤接收其触发指令和状态信号，并在故障时向光纤板发出故障代码信号。信号板采集变频器的输出电压、电流信号和轴编码器信号，并对模拟信号进行隔离、滤波和量程转换。转换后的信号用于变频器的控制和保护，并为主控板提供数据采集。主控板采用高速单片机，完成对电动机控制的所有功能，运用矢量控制方式产生PWM三相电压指令。通过RS232接口与人机界面主控板进行数据交换，提供变频器的状态参数，并接受来自人机界面主控板的参数设置。

I/O接口板用于变频器内部开关信号以及现场操作信号和状态信号的逻辑处理，增强了变频器现场应用的灵活性。I/O接口板有处理两路模拟量输入和两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，这两路信号经过处理后送到人机界面进行模-数转换；模拟输出量是运行频率和输出电流。I/O接口板还对单元柜温度、输入电流和输入电压进行采样，并计算出输入功率。

控制电源系统包括220V隔离变压器、380V隔离变压器、整流电路，其电源分别来自220V及主电源，整流后为控制系统提供直流电源。

人机界面为用户提供友好的全中文操作界面，负责信息处理和外部的通信联系，可选上位监控实现变频器的网络化控制。人机界面由主控板、液晶显示屏和触摸键盘组成，显示变频器运行参数。通过RS232接口与控制器连接，RS485接口与I/O接口板连接，实时监控变频器系统的状态，计算出电流、电压、功率、频率等运行参数并实现故障记录。人机界面下方是“故障复位”按钮及“高压分断”自锁按钮。触摸屏上方有“高压指示”、“运行指示”和“故障指示”按钮。

4.接线方式及控制原理

（1）系统接线，见图2-60。

（2）控制原理，见图2-61。

（3）主电路

HIVERT系列高压变频器采用交-直-交直接高压（高-高）方式，主电路开关器件为IGBT。由于IGBT耐压所限，它无法直接逆变输出6kV、10kV电压，而因开关频率高、均压难度大等技术难题也无法完成直接串联。HIVERT系列高压变频器采用功率单元串联，叠波升压，充分利用常压变频器的技术，具有很高的可靠性，见图2-62。

（4）电压叠加

单元串联脉宽调制（PWM）叠波输出，三相输出联结，得到可变频三相高压电源，6kV系列每相6个单元，10kV系列每相9个单元，大大削弱了输出谐波含量，可输出几近完美的正弦波来驱动电动机，见图2-63。

图2-61 控制原理框图

图2-62 HIVERT系列高压变频器主电路

图2-63 6kV和10kV变频器系列电压叠加

（5）功率单元

HIVERT-YVF系列产品具备100％额定功率的能量回馈能力。其功率单元结构见图2-64所示。

功率单元利用IGBT进行同步整流，同步整流控制器实时检测单元电网输入电压，利用锁相控制技术得到电网输入电压相位，控制开关管所构成的相位与电网电压的相位差，便可控制功率在电网与功率单元之间的流向。逆变相位超前，功率单元将电能回馈给电网；反之，功率由电网注入功率单元。功率的大小与相位差成正比。功率的大小及流向由单元电压决定，就同步整流而言，整流侧相当于一个稳压电源，与功率的大小及方向相对应的电网与逆变相位差由单元电压与单元整定值之间的偏差通过PID调节生成。

图2-64 HIVERT-YVF系列产品功率单元结构

HIVERT-YVF系列产品技术参数（见表2-25）。

表2-25 HIVERT-YVF系列产品技术参数

注：外形尺寸如有变换，恕不另行通知。

5.常见故障的处理

变频器故障后，在人机界面上有明确显示。用户可以根据显示的故障信息，分别采取相应的处理措施。

（1）变压器超温

当变压器温控仪测量温度大于其设置的报警温度（默认设置为130℃）时，温控仪超温报警触点闭合。

检查变压器柜顶风机或柜底侧风机是否正常工作；测温电阻是否正常（有无断线、线路接触不良）；过滤网是否堵塞；是否长期工作于过载状态；环境温度是否过高（环境温度应低于45℃，否则应安装风道或工业空调）；变压器柜风机控制和保护电路是否正常。

（2）柜温超温

当单元柜测温点的温度大于55℃时，系统将发出柜温超温报警。

检查单元柜顶风机是否正常工作；过滤网是否堵塞；是否长期工作于过载状态；环境温度是否过高（环境温度应低于45℃，否则应安装风道或工业空调）；单元柜风机控制和保护电路是否正常。

（3）柜门联锁

检查所有柜门是否关闭到位；行程开关是否正常工作。

（4）外设不通信

监视器与I/O接口板未建立通信。I/O接口板将每5s尝试复位一次监视器，在3.5min内仍未建立通信，将判断为重故障。

检查通信线是否接好；通信线是否正常（是否有断线、接线端子是否正确）；I/O接口板（尤其是电源）是否工作正常。

（5）柜温过热

当单元柜测温点的温度大于60℃时，系统将出现柜温过热保护。

检查项与柜温超温故障相同。

（6）变压器过热

当变压器温控仪测量温度大于其设置的跳闸温度（默认设置为150℃）时，温控仪跳闸触点闭合，系统将出现变压器过热保护。

检查项与变压器超温故障相同。

（7）外部故障

本地高压分断按钮闭合或I/O接口板上高压分断端子短接时，系统将出现外部故障。

检查高压分断按钮是否按下；高压分断端子是否短路。

（8）高压失电

高压电源消失。一般由正常分闸操作引起，若出现异常高压分断情况（无故障记录、无分闸操作），检查开关柜分闸回路。

（9）变频器过电流

检查参数设置加速时间是否太小，转矩提升是否过大，启动频率是否过高；电动机或负载机械是否堵转，电动机绕组和输出电缆绝缘是否损坏；光纤是否插紧，主电路连接螺钉是否紧固，电源电压是否过低；霍尔元件电源是否正常、霍尔元件输出电流是否正确。如果上述情况都正常，则更换控制器信号板。在有些现场，电动机低速运转时电流波动很大，容易造成过电流保护，这时需要缩短加速时间；使电动机快速通过波动区域，避免过电流保护。

（10）电动机过电流

当变频器输出电流大于电动机额定电流1.2倍并超过110s时，电动机过电流。

检查参数设置中电动机额定电流设置是否正确；电动机或负载机械是否堵转，电动机绕组和输出电缆绝缘是否损坏；电源电压是否过低。

（11）单元重故障

单元重故障共有5种，包括熔断器故障、IGBT故障、过热、直流母线过电压、光纤故障。其中前3种故障可以旁路（单元带有旁路功能，在旁路级数设置为非0时有效）。

（12）断相故障

当检测到单元断相时，报断相故障。

检查是否由主电源停电引起；单元的三相进线是否松动；进线熔断器是否完好。

若熔断器开路，更换单元。

（13）IGBT故障

检查单元检测板是否短路；功率单元输出L1、L2端子是否短路；电动机绝缘是否完好；负载是否存在机械故障。

（14）单元过热

当单元内散热器温度超过85℃时，温度继电器常闭触点断开，出现单元过热故障。

检查项与柜温超温故障相同；并确认单元温度继电器工作是否正常、端子有无松动。

（15）直流母线过电压

当直流母线电压超过DC1150V时，变频器报直流母线过电压。

检查输入的高压电源是否超过允许最大值（电源电压过高时，可调整变压器分接头接到105％处）；如果是减速过程中出现过电压，适当增加变频器的减速时间设定值。

（16）光纤故障

当系统在上电状态下检测不到单元通信时，报光纤故障。

检查功率单元控制电源是否正常（正常时，绿色指示灯亮）；功率单元以及控制器的光纤连接头是否脱落；光纤是否折断。如果上述情况都正常，则更换功率单元。

（17）单元电源故障

单元内电源不正常。

检查高压电源是否正常，如正常，则更换功率单元。

（18）运行频率与给定频率不一致

造成这种故障的原因有以下几种：

1）加减速过程中，受加减速时间的限制，输出频率到达给定频率有一个过程。

2）系统电压过高，变频器出于自身保护的要求，将自动加速，以避免直流母线过电压保护。此时建议将变压器分接头接到105％位置或以上。

3）当变频器的输出电流超过设置的限流电流值时，变频器自动降频以降低输出电流，避免过电流保护跳闸。这种情况一般出现在输入电压过低或负载突增时。

4）瞬时停电时，为了维持电动机在可控状态，变频器将自动减速，从电动机处获得能量。

5）霍尔元件、单元检测板或信号板发生故障。

（19）监视器黑屏

按下柜门上的系统复位按钮（系统复位不会影响变频器的正常运行状态），若仍不能恢复，则检查监视器的电源端子是否脱落、电源是否正常。

（20）参数无法修改

当功能参数选项修改设置为禁止时，则除该参数及给定频率或给定参量外，其余所有参数均无法修改。

在运行过程中，大部分参数均无法修改。

（21）停机后变频器自动重新启动

在远程控制模式下，启动只能通过远程端子，但上位停机、本地停机均有效。远程控制启动和停机是电平信号，闭合时启动运行，断开时停机。若在运行过程中通过本地或上位停机，则变频器停机后因为远程控制信号仍然存在，变频器会再次启动运行。因此，在远程控制时，严禁通过本地或上位的方式停机。

（22）变频器上电即跳闸

变频器上电时，因变压器的励磁涌流和单元电容充电，瞬时电流有效值最高可达到变频器额定电流的6～7倍，持续时间为几十毫秒。若变频器上级过电流保护整定值过小，会造成上级开关过电流保护跳闸。

解决方法：调整过电流保护整定值。

（23）启动过程中输出频率在低速振荡

有些电动机在低速时，因为齿槽效应等影响，电流波动非常大，此时变频器可能会限流，使得变频器反复出现加速、限流减速等现象，而无法正常加速。

解决方法：增加限流电流设置；缩短启动时间。

6.更换功率单元

单元柜内的功率单元模块的电气及机械性能完全一致，经确认由于某一单元故障而导致变频器不能正常工作，可以在允许设备退出的时间用备用单元替换。

功率单元的替换依照以下步骤进行：

1）停机，使变频器退出运行状态。

2）切断高压电流，推出高压柜小车（有旁路柜时，可以由旁路柜的隔离开关将变频器隔离），将本地或远程高压分断开关锁定，并将高压柜接地开关接地。

3）打开单元柜柜门，等待所有单元的指示灯熄灭。

4）拔掉故障单元的TX、RX两根光纤头。

5）卸下故障单元的R、S、T输入电源接线和L1、L2输出连接铜排。

6）拆下故障单元与轨道的固定螺钉。

7）将故障单元沿轨道拔出，注意轻拿轻放。

8）将新单元上的光纤座塞子安放到更换下来的单元上。

9）按与上述拆卸相反的顺序将备用单元装上并接线。

10）系统重新上电投入运行。

7.维护

变频器的日常维护及巡视：

1）经常检查室内温度、通风情况，室内温度不要超过45℃。

2）保持室内清洁卫生。

3）经常检查变频器是否有异常声响、异味，柜体是否发热；排风口是否有异味。

4）经常检查冷却风机是否运转正常，更换或清洗过滤网。

5）建议在变频器投入运行的第一个月内，将变压器所有进出线电缆、功率单元进出线电缆、控制电缆紧固一遍，以后每半年紧固一遍，并用吸尘器清除柜内灰尘。

6）定期记录变频器的运行情况，发生故障跳闸时，要记录故障情况，查明原因并排除后方可再次上电。

变频器的定期维护：

1）定期维护间隔推荐为每半年一次，如灰尘较多，过滤网更换周期可缩短到一周一次。

2）清扫工作：过滤网、变压器柜、单元柜。

3）紧固工作：变压器进、出线电缆，功率单元进、出线电缆，控制电缆，信号电缆。

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