HDHVF系高压变频调速装置
一、概述
HDHVF系列高压变频调速装置，主要由DSP+FPGA主控电路、人机界面和PLC共同构成，专门解决大中型高压交流感应电机的调速和节能问题。其以高速 DSP 为控制核心，采用空间电压矢量控制技术、功率模块串联多电平技术，以高可靠性、易操作、高性能为设计目标，满足用户各类负载的调速节能及改善生产工艺的需要，属高-高电压源型变频器。该装置的优点有：无谐波电源输入、高功率因数、无谐波正弦波输出。主要适用于电压3/6/10kV，功率30000kW及以下电机的变频调速。适用电机范围为：
◆水泥、建材：主吸尘风机、窑炉引风机、窑炉供气风机、预热塔风机、冷却器排风机、冷却器吸尘风机、压力送风机、生料研磨引风机、分选器风机
◆石油、石化及天然气：主管道泵、注水泵、混合器、卤水泵、锅炉给水泵、潜油泵、气体压缩机、引风机、挤压机
◆冶金采矿：通风风机、吸尘风机、引风机、除垢泵、泥浆泵、提升机
◆造纸/制糖：打浆机
◆制药：清洗泵
◆电力：锅炉给水泵、除尘风机、引风机、送风机、凝结水泵、循环水泵、泥浆泵、压缩机、增压风机
◆市政：饮水泵、送水泵、污水泵、净化泵、清水泵
二、产品型号及结构说明
2.1、产品型号
注：辅助符号：M--配置手动旁路隔离开关柜
A--配置自动旁路接触器柜，默认为手动旁路柜
电压等级：06-6kV 10-10kV
设计序号：1表示适用于风机、水泵类负载
例如：HDHVF1-630/10-M
表示 HDHVF 高压变频调速装置适配电机功率为 630kW，电压 10kV，适用于风机、水泵类负载电机，配置有手动旁路隔离柜。
2.2、结构说明
HDHVF系列高压变频调速装置由旁路柜、移相变压器柜、功率模块柜、控制柜构成。其中，旁路柜部分根据不同现场，要求也不同，在此不做说明。
三、工作原理
HDHVF系列高压变频调速装置采用高-高电压源型变频器电路结构，功率模块串联，输出叠加成高压，直接输出到高压电机。
3.1、主电路
3.1.1 HDHVF系列高压变频调速装置典型电路拓扑图
图3.1.1：6kV高压变频调速装置拓扑图
（6kV系列一般有15个功率模块，每5个功率模块串联成一相）
图3.1.2：10kV高压变频调速装置拓扑图
（10kV系列一般有24个功率模块，每8个功率模块串联成一相）
如上图所示，对6kV变频装置来说，电机的每相由五个功率模块串联进行驱动，共15个功率模块可产生6000V交流线电压；对10kV变频装置来说，电机的每相由八个功率模块串联进行驱动，共24个功率模块可产生10000V交流线电压。
功率模块串联方式采用星型接法，中性线浮空。每个功率模块由一个隔离变压器的隔离次级绕组供电，输入三相710V交流、50/60Hz电源，逆变输出最高电压为750V交流、最高频率为120Hz的可变电源。
所有的功率模块都接收来自同一个主控单元控制器的指令，这些指令通过光纤传输以保证高压与低压隔离。
3.1.2 HDHVF系列高压变频调速装置典型功率模块原理图
图3.1.3：典型功率模块原理图
如上图所示，由710V交流次级供电的三相二极管整流器将直流电容器组充电至约1000V直流左右，该直流电压提供给由IGBT组成的单相H形桥式逆变电路。
由于为功率模块提供电源的移相变压器次级绕组在绕制时相互之间有一定的相位差，每相8个功率模块主电路可构成48脉冲整流方式，这种多级移相叠加的整流方式使得HDHVF系列高压变频调速装置的变频器能产生非常接近正弦波的输出波形，这样消除了大部分由独立功率模块引起的谐波电流，所以从电网汲取的电流也近似于正弦波形。
3.2、控制系统
HDHVF系列高压变频调速装置控制系统主要由主控单元和PLC组成。主控单元由电源板、采样板、继电器板、主控板和光纤接口板组成。该控制系统通过测量和控制交流电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对交流电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制交流电动机转矩的目的。即，采样板对输入输出信号进行检测，将信号进行量程转换和滤波，然后再通过母板送到主控板上。主控板的核心器件由DSP+FPGA组成，对信号分析做出处理，对各功率模块进行PWM波形控制、触发、封锁、旁路IGBT，使变频装置提供相应的频率和电压输出，PLC接收用户的控制指令（启动、停机、急停、频率给定等），实现各种开关信号逻辑处理，控制系统还对变频装置各部件的状态（如各个功率模块、变压器、风机等）进行监控，提供故障诊断信息，实现故障的报警和保护。现场应用中，控制系统可实现与现场的灵活接口，提供阀门联动、自动调度等现场需要的控制功能，方便改变控制方式，满足用户现场的特殊要求。
3.3、旁路装置
旁路装置的作用是当高压变频调速装置出现重大故障而不能正常工作时，可以实现变频到工频运行的切换。它分为手动旁路装置和自动旁路装置两种。用户可根据现场具体情况选配合适的旁路装置。但是手动旁路装置在变频运行和工频运行切换时必须等电机完全停止后才能操作相应的隔离开关。而自动旁路装置在变频运行与工频运行切换时，系统会自动切换高压接触器的闭合与断开。旁路装置接线示意图如下：
四、性能特点
◆高-高直接高压供电：高压直接输入，高压直接输出，无需输出升压变压器，设备占用面积小，适用于普通交流感应电机；
◆无谐波输入：使用移相多重化整流技术，电压电流谐波小，输入无需增加谐波治理装置，不对电网产生污染；
◆无谐波输出：输出标准正弦波电流，电压电流谐波小，输出无需增加谐波补偿装置，不增加电机的运转噪音、不产生附加应力；
◆高效率：效率高达96%以上；
◆高功率因数：功率因数可达到 0.95 以上；
◆高可靠性：具有故障自动旁路和高压掉电重起功能，确保出现故障电机不停机运行；
◆高安全性：设计遵循高压国家强制规范，高压主回路与控制回路之间光纤连接，安全可靠；
◆高灵活性：通过 PLC 进行现场控制，可通过人机界面修改参数，灵活改变控制方式，具有多种标准通信协议，可方便与中控系统进行通信；
◆完善的保护和故障报警设计：完备的系统保护功能和功率模块保护功能，各种保护动作后，能实现故障自动记录、事故记忆.故障记录能自动记录各种保护的动作类型、动作时间，可以帮助技术人员分析故障原因，并进行故障定位；
◆安装、调试、维护方便：功率模块为抽屉形式，与外接线采用接插件方式，无需人工接线，具有良好的互换性，方便更换 。
五、其他技术特点
◆波形数字化直接合成自适应技术：HDHVF高压变频波形产生部分是用单片FPGA 经过计算得到离散化的频率和幅值均可控的三相波形数据，再和不同相位的三角载波相比较，产生波形数据信号控制同一
相功率模块输出相同幅值和相位的基波电压，但串联各单元的载波之间互相错开一定电角度，实现多电平叠加波形，这样就大大提高了整体控制系统的可靠性。
◆快速飞车启动技术：在变频器受到负载冲击保护后可对其自动复位，然后再自动启动，即可避免重要场合（如水泥厂高温风机）变频保护停机造成的损失。快速飞车启动技术可实现变频器在最短 0.1s 之内从保护状态复位重新带载运行。
◆电网瞬时掉电重启技术：电网瞬间掉电可自动重启，可提供最长 60s 的等待时间
◆全中文人机界面：准确的故障定位及记录功能，单元母线电压、温度显示功能，运行电压、电流、频率记录可查询。
◆双回路控制电源供电：采用变压器次级绕组为备用控制电源，保证系统运行期间安全。
◆多种控制方式：可选择本机控制、远控盒控制、DCS 控制，支持 MODBUS、PROFIBUS 等通讯协议，频率设定可以现场给定、远程模拟给定、通讯给定等，支持频率预设、加减速功能。
◆高功率密度：单元体积小 ，模块化设计，整机结构紧凑，占用空间小。
◆完善的保护机制 ：保护单元包含缺相、过压、一级过压、过流、下行通信、二级过压、欠压7种保护，故障单元数少于设定个数时，整机仍可运行。整机保护包含软件过流、输入过压、 输入欠压、输出缺相、电机过载、输出不平衡等。
六、技术参数
七、产品方案
八、产品选型
8.1 6kV高压变频调速装置外型尺寸选型表
8.2 10kV高压变频调速装置外型尺寸选型表
注：◆ 额定电压6kV,电机功率超过5000kW时，或者额定电压10kV,电机功率超过10000kW时，高压变
频调速装置将另行设计；
◆ 产品选型表中的外型尺寸不包含旁路柜，柜体总体高度不包含底部基座槽钢（100mm）和柜顶散热风机（286~361mm）的尺寸；
◆ 当采用手动旁路时，旁路柜宽度为 1100mm；当采用自动旁路时，6KV 旁路柜宽度为 600mm，10KV旁路柜宽度为 800mm；
◆ 设备尺寸如有变动，恕不另行通知，具体尺寸以技术协议为准；
◆ 变频装置散热建议配置空调，如需外加风道散热，须根据现场情况另行设计。
8.3 高压变频调速装置外型及安装示意图
九、其他
9.1正常工作条件
最低环境温度 0℃，最高环境温度 40℃，工作环境的温度变化应不大于 5℃/h。如果环境温度超过允许值，应考虑配备相应的空调设备；
环境湿度小于90%（20℃），相对湿度的变化率每小时不超过 5%，避免凝露；
安装高度要小于海拔1000米。若安装高度超过海拔1000米，设备须降额使用，或采用通风的措施，也可以做特殊设计；
在无爆炸危险的介质中，且介质中无足以腐蚀金属的破坏绝缘的气体与尘埃。
9.2运输、储存及安装
9.2.1运输
HDHVF高压变频调速装置可以用汽车、火车、轮船等交通工具运输。产品在运输过程中必须小心轻
放、严禁雨淋、暴晒，不应有剧烈振动、撞击和倒放。运输温度应在-40～+70℃范围内；
HDHVF高压变频调速装置最大高度为2680mm，包装后总高不超过2880mm，选择运输工具时，请同时考虑运输过程中是否有限高等因素存在。
9.2.2储存
HDHVF高压变频调速装置不得暴晒及淋雨，应存放在空气流通、周围介质湿度在-40～+70℃范围内，空气最大相对湿度不超过 90%（相当于空气温度 20±5℃时）时通风、干燥、无灰尘的仓库中；
存放 HDHVF高压变频调速装置时应防止啮齿动物侵入，应避免霉菌侵蚀；
防止 HDHVF高压变频调速装置受到盐雾、危险性气体、腐蚀性液体等的侵蚀。
9.2.3设备安装
用户负责调速装置柜体就位和现场的所有电缆提供、敷设、试验、连接，设备厂家提供技术指导，设备厂家负责装置柜内的高低压线的电气安装和设备调试；
安装场地必须有足够的承载能力，基础必须牢固；
考虑通风散热器及操作空间的要求，整套装置背面离墙大于1000mm，装置顶部与屋顶空间距离大于1000mm，装置正面离墙大于1500mm；
调速设备应采用机动叉车从设备底部叉车孔进行操作，如需采用吊车必须从设备底部吊装，吊装时应避免损坏仪表或漆层；
调速设备应牢固安装于基座之上，并和厂房大地可靠连接。变压器屏蔽层及接地端子 PE也应接至厂房大地。各柜体之间应排列整齐，相互连接成一个整体；
安装过程中，要防止变频器受到撞击和震动，所有柜体不得倒置，倾斜角度不得超过 30°；
输入输出高压电缆必须经过严格的耐压试验，信号线与强电分开布线；
用户现场安装场地就绪，安装基础就绪，吊运设备就绪；
用户现场高压电缆铺设到位，控制电源和信号电缆铺设到位；
用户现场高压开关具备送电条件，电机及辅助设备具备运转条件。
9.3订货须知
为获得最佳调速节能效果，HDHVF高压变频调速装置额定容量最好根据电机负载情况进行选配。为此用户在订货时应提供电动机型号、功率、定子电压、电流等数据以及带动负载的类型及电机实际负荷率等情况。
