摘 要：本文介绍了安邦信电子有限公司多电平高压变频器在兰州石化炼油厂冷却风机上的应用，分析了变频系统的工作原理和生产工艺，结果表明安邦信高压变频器已经完全能满够足国内较高要求用户的需求，完全能够替代国外进口设备，可以达到有效节能和降低设备投资的目的。
关键词：高压变频器 石化行业 冷却风机 节能
1. 简介
深圳安邦信电子有限公司高压变频器的主要特点
l 国产高压变频知名品牌，可靠性极高，超过四年的安全运行经验，适合电厂、钢厂、水泥、石化等应用
l 采用全数字无速度传感器矢量控制技术，控制精度高，响应速度快，大大优于普通的V/F控制技术
l 性能优异，输入和输出谐波极少(36脉冲整流、13电平逆变)
l 内部变压器为干式，绝缘等级为H级，高于普通的F 级，可靠性高，维护简单
l 适应电网波动要求，电网电压最多可下降至65%，变频器仍能继续工作而不跳机
l 电压源型高压变频器、几乎在整个速度段输入功率因素大于0.96
l 体积(包括变压器在内)最小，土建成本低
l 高-高结构，直接输出6KV高压，不对电机作任何改动
l 单元故障自动旁路功能，保证用户生产的安全和可靠
l 中文PC操作界面，给用户带来方便
l 变频器效率高，高于98.5%
l 防护等级高IP30，高于普通的IP20，对用户的环境要求低
l 环境湿度可达95%
l 安邦信公司在全国设有10个办事处和22个代表处，24小时响应用户任何需要
l 安邦信公司业绩，广泛应用于钢铁、火电、水泥、石化和供水行业，业绩显著，运行可靠，给用户带来了良好的社会效益和经济效益。
2. 安邦信公司多单元串联高压变频器原理
多单元串联高压变频采用若干个低压PWM变频功率单元串联的方式实现直接高压输出。该变频器具有对电网谐波污染极小，输入功率因数高，输出波形质量好，不存在谐波引起的电机附加发热、转矩脉动、噪音、dv/dt及共模电压等问题的特性，不必加输出滤波器，就可以使用普通的异步电机，包括国产电机。
高压变频器的系统图如下：
图1 安邦信高压变频器系统示意图
功率单元结构：
图2 功率单元结构示意图
6KV电网电压经过副边多重化的隔离变压器降压后给功率单元供电，功率单元为三相输入、单相输出的交直交PWM电压源型逆变器结构，实现变压变频的高压直接输出，供给高压电动机。以6KV输出电压等级为例，每相由6个额定电压为630V的功率单元串联而成，输出相电压达3780V，线电压达6.6KV，每个功率单元分别由输入变压器的一组副边供电，功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘。二次绕组采用延边三角形接法，实现多重化，以达到降低输入谐波电流的目的。对于6KV电压等级变频而言，就是36脉冲的整流电路结构，输入电流波形接近正弦波。由于输入电流谐波失真很低，变频器输入的综合因数可达到0.96以上。下图为该变频器的输入电压、电流。
图3 变频器输入电压及电流
逆变器输出采用多电平移相式PWM技术，6KV输出相当于13电平，输出电压非常接近正弦波，dv/dt很小。
电平数的增加有利于改善输出波形，由谐波引起的电机发热，噪音和转矩脉动都大大降低，所以这种变频器对电机没有特殊要求，可直接用于普通异步电机，不需要输出滤波器。下图为变频器输出电压电流波形。
图4 电机输入线电压及电流
与采用高压器件直接串联的变频器相比，由于不是采用传统的器件串联的方式来实现高压输出，而是采用整个功率单元串联，器件承受的最高电压为单元内直流母线的电压，可直接使用低压功率器件，器件不必串联，不存在器件串联引起的均压问题。功率单元中采用的低压IGBT功率模块，驱动电路简单，技术成熟可靠。
功率单元采用模块化结构，同一变频器内的所有功率单元可以互换，维修也非常方便。这一系列变频器目前正在全世界得到广泛应用。
高压变频器主回路及系统组成
对于兰州石化炼油厂冷却风机项目，安邦信公司根据用户实际工况要求提供我公司生产的多单元串联矢量控制高压变频器。
该系列变频采用若干个低压PWM变频功率单元串联的方式实现直接高压输出。该变频器具有对电网谐波污染极小，输入功率因数高，输出波形质量好，不存在谐波引起的电机附加发热、转矩脉动、噪音、dv/dt及共模电压等问题的特性，不必加输出滤波器，就可以使用普通的异步电机，包括国产电机。
冷却风机变频器一次图
变频设备基本部件
36脉冲二极管整流，13电平IGBT/PWM逆变
一体式输入干式隔离变压器，内部含测温元件
保护等级IP30，整个变频系统采用空冷，柜外采用空调冷却
高压柜门保护连锁
控制UPS
带PROFIBUS-DP通讯接口
变频器基本性能
l 变频器为高-高结构，6KV直接输出，不需输出升压变压器，输出为单元串联移相式PWM方式，输出相电压至少为13电平，线电压至少为25电平
l 系统一体化设计，包括输入干式隔离变压器，变频器等所有部件及内部连线，用户只须连接高压输入、高压输出、低压控制电源和控制信号线即可。整套系统在出厂前进行整体测试
l 36脉冲整流输入符合并优于IEEE519～1992及GB/T14519～93标准对电压失真和电流失真最严格的要求
l 在20～100%的负载变化情况内达到或超过0.96的功率因数(无需功率因数补偿装置)
l 无需滤波器变频器就可输出正弦输出电流和电压波形，对电机没有特殊的要求，可以使用普通异步电机，电机不必降额使用。具有软起动功能，没有电机启动冲击引起的电网电压下跌，可确保电机安全、长期运行
l 变频装置输出波形不会引起电机的谐振，转矩脉动小于0.1%。可避免风机喘振现象。变频器有共振点频率跳跃功能
l 变频装置对输出电缆长度无任何要求，电机不会受到共模电压和dv/dt的影响
l 变频器可在输出不带电机的情况下进行空载调试，也可在没有6KV高压情况下用低压电进行空载调试
l 控制采用无速度传感器矢量控制，起动转矩可达200%
l 变频器对电网电压波动有极强的适应能力，电压低于35%仍可降额运行
l 变频器效率为98.5%
l 控制系统采用全数字微机控制，有自诊断功能
l 电机参数自动检测、控制系统参数自动优化
l 变频器功率单元和主控系统通讯采用光纤连接，具有很高的通信速率和抗干扰能力，安全性好
l 单元故障自动旁路功能，当单元出现故障时，仍能保证系统运行
l 控制系统具有在线检测变频器输入电压、电流、输入功率因素、输出电压、电流、功率、频率、电机转速等
l 频率精度：±0.5%(所有因素下)
l 过载能力为120%，1min，满足泵类和风机类负荷要求
l 调速范围：0-100%连续可调
l 加/减速时间0.1-3600 秒 (根据负载情况可设定)
l 输出频率0-120HZ(根据电机情况可设定)
l 环境温度为-15～+40°C，95%相对湿度，海拔1000米以下
l 变频器抗地震能力为7级，振动0.5G
l 临界速度可跳过(共3组，可任意设定)
l 用户可调的数字表，可显示速度，电流，电压，功率，用电度数等
变频器控制接口(可按用户要求扩展)
l 2路4～20mA或0～10V模拟量输入
l 4路4～20mA模拟量输出或0～10V用以输出电机电压和频率等指示信号(可扩展)
l 10点开关量无源输入：自动起动/停止，手动起动/停止，紧停，复位等
l 10点开关量无源输出：变频器就绪，运行，故障等 (容量220VAC/5A)
l 4点开关量无源输出：容量220VDC/5A
l 变频器带有PROFIBUS-DP通讯接口，可以将输出频率、输出电压等参数通过通讯接口传送至PLC或DCS
结构
l 变频器的功率单元为模块化设计，可以从机架上抽出，移动和更换，所有单元可以互换，更换单元不须专用工具，更换一个单元的时间一般小于10分钟
l 逆变器侧采用高开关频率的IGBT器件，保证良好的输出波形
l 输入侧的隔离变压器能保护电机不受共模电压的影响
l 整个变频系统内部采用空冷，外部采用空调冷却
保护
l 变频装置有过电压，过电流，欠电压，缺相，变频器过载，变频器过热，电机过载，输出接地，输出短路等保护功能
l 变频装置有隔离变压器的各种保护
l 变频器带转速跟踪再起动功能
现场试验
设备安装完成后，安邦信公司负责检查设备内部接线及与外部接线、确保调试成功。变频装置能在标书规定条件下经受长期运行考验。
测量变频器输入、输出电压和电流波形以及谐波含量(电动机启动时、频率在25Hz时、频率在38Hz时、频率在50Hz时)
电机启动性能试验，启动电机，观察变频器输出线电流波形和幅值，检查电机的启动性能要求起动电流小，启动转距大，保证电机稳定起动
频率(或转速)调节范围测试：测试最高频率(或转速)和最低频率(或转速)
电机振动测试分别测试电机两端轴向、垂直径向和水平径向共6点的振动幅值
节电效果测试：在调速状态和异步运行工况下，测试节电效果
功率因数测试：在调速状态测试变频器输入功率因数
静态精度测试(闭环控制的速度偏差)：在冷态情况下测试电动机频率变化，每点测试时间为5min
输出电压不对称度测试：测试三相线电压
效率试验：变频器效率为输出和输入有功功率之比
谐波测试：按GB/T 14549-93《电能质量 公用电网谐波》及IEEE519-1992国际标准的规定测试
3. 变频方案
兰州石化炼油厂冷却风机安装于其重要的循环冷却系统上，电机型号为：355KW/6KV，4极电机，额定电流为40A。
由于安邦信高压变频器具有极高的可靠性，因此我们只为该设备配备了检修和维护用的手动旁路系统，结构简单，性能可靠。整个系统由1台高压变频柜、1台控制柜、1台变压器柜、一台旁路柜、一台电机及一台风机组成，下图为冷却风机变频方案一次图。
图5 冷却风机变频方案一次图
图5中共有3个高压隔离开关，为了确保不向变频器输出端反送电，QS2与QS3采用机械互锁，并采用S7-200PLC控制系统实现电气连锁，避免系统误操作。当QS1、QS2闭合，QS3断开时，电机运行在变频状态；当QS1、QS2断开，QS3闭合时，电机工频运行，此时高压变频器从高压中隔离出来，便于检修、维护和调试。
安装变频器后，由DCS系统通过PID调节计算，输出4~20mA模拟电流信号发给变频器，通过调节变频器的输出频率改变电机的转速，达到调节送风量的目的，满足运行工况的要求。
采用变频调速，电机转速平稳变化，电流没有任何冲击，解决了电机启动时的大电流冲击问题，消除了大启动电流对电机、传动系统和主机的冲击应力，大大降低日常的维护保养费用。
4. 结论
兰州石化炼油厂循环冷却风机采用安邦信高压变频调速后，调速准确，运行可靠，节能效果明显，产生了良好的社会效益和经济效益，得到用户的好评。
中高压变频调速系统是实施有效节能的重要装备，是国家当前社会经济发展的急需，在加快建设节约型社会的历史进程中，我们必将迎来一个高压变频调速技术发展和推广应用的时代