施耐德大功率电机变频软起方案

一、系统概述
本方案是根据宏天项目9800kW压缩机的相关技术规格及要求而编制。
施耐德依据招标文件需求提供与压缩机配套的高压变频调速装置。
投标方变频装置与压缩机电动机完全匹配，用于变频软起，以适应整个工程的需求。
根据招标方要求，变频装置提供一拖一自动旁路方案：

特点：在变频器出现严重故障或实现变频软启后，负载能够自动转入工频电网中，切开变频调速系统，并且负载不用停机。
注：高压开关QF和电机M为现场原有设备。
变频器上电时充电电流可达额定电流的6～10倍，此充电电流对电网构成强烈的冲击，造成电网电压瞬间跌落，干扰其他设备的正常运行；其次高压变频器短时间内断电重新上电，虽然直流环节残电电压较高，充电电流较小，但由于变压器的剩磁与合闸时电网电压相位的不匹配，使得变压器在高压上电时激磁偏磁导致铁心饱和，进而产生2至10倍于额定电流的激磁涌流，对电网构成干扰。
为解决上述问题，在变频调速装置内特设激磁涌流及预充电电路，该电路能够将变频器高压上电电流限制在1倍额电电流之内，真正实现对电网的零冲击。
该电路由高压真空断路器QF和高压限流电阻R构成。高压上电前，真空断路器处于分断状态，高压上电时，电网通过高压限流电阻向变频器充电，1秒后充电完成，变频器自动闭合真空断路器切除限流电阻。
投标方变频装置采用单元串联多电平结构的电压源型高压变频器结构。整流变压器输出独立的三相绕组，连接至功率单元，功率单元为单相输出的电压型变频器。
投标方高压变频装置采用“完美无谐波”结构，具有输出电压、电流波形谐波含量小、电机转矩脉动小、电网电流谐波含量小、功率因数高、控制响应快等特点。
投标方变频装置的电机控制为无速度传感器的矢量控制算法，具备恒转矩、动态响应快、调速精度高、调速范围宽、快速制动等特点。能够驱动电机在给定的磁通下，按照给定的转矩进行启动，最大限度缩短电机的启动时间、降低启动电流。
二、高压变频装置结构及原理
投标方根据压缩机的运行特点和与之配套的电动机参数选择合适的高压变频装置。投标方电压源型高压变频装置额定电压11kV，采用直接“高-高”变换形式，交直交结构、PWM控制方式，11kV输入，11kV直接输出，不需任何形式的输出升压变压器；投标方变频装置适用于任何普通三相电机，对电机没有其他特殊要求，变频装置输入端采用隔离变压器，保证变频器的输出为独立电压，保证电机不会受到共模电压的影响；输出采用多电平技术，输出波形正弦度好，dv/dt小，可以保证dv/dt产生的应力不会对电机的绝缘造成损坏。投标方高压变频装置具有可靠的互锁功能，保证高压带电时不能进行柜内操作，以保证操作、检修过程的安全；柜体采用静电喷塑，柜体颜色可由招标方确定。投标方变频装置整个系统在出厂前进行整体静态模拟试验和模拟带负载试验，试验内容和方法均满足相应的国际标准和国家标准，确保整套系统的可靠性。
ATV1200系列变频调速装置采用单元串联多电平结构，为高-高结构，即每相9个低压的功率单元串联实现高压输出，输入侧的变压器采用移相方式，将网侧高压变换为二次侧的多组低压，各二次绕组在绕制时采用延边三角形接法，相互之间有固定的相位差，形成多脉冲整流方式，使得变压器二次侧各绕组（即各功率单元输入）的谐波电流相互抵消，不反映到高压侧，从而大大改善了网侧的电流谐波，基本消除了对网侧的谐波污染；变压器的每个二次侧低压绕组相互独立，并单独为一个功率单元供电；而功率单元为变频器实现变压变频输出的基本单元，每个功率单元相当于一台交-直-交电压型单相输出的低压变频器，每个模块输出等幅PWM电压波形，但相互之间有确定的相位偏移，串联叠加之后，在变频器输出侧得到正弦阶梯状PWM波形，其输出为完美无谐波正弦波.
1.整流变压器
投标方根据变频装置的型式选择与变频装置配套的进线变压器。投标方变频装置输入端采用知名品牌优质隔离变压器，保证变频器的输出为独立电压，保证电机不会受到共模电压的影响；输出采用多电平技术，输出波形正弦度好，可以保证dv/dt产生的应力不会对电机的绝缘造成损坏。
整流变压器采用免维护型干式变压器，内部采用优质材料：绝缘材料采用杜邦公司专有技术制造的NOMEX芳香聚酰胺纸作主绝缘，具有卓越的电气、机械和耐热特性，其绝缘等级为H级；高、低压线圈采用NOMEX纸包无氧铜电磁线，高导电率的NOMEX纸包电磁线，属H级绝缘；铁芯采用高导磁性能优质冷轧硅钢片。由于变压器制作技术成熟，结构相对简单，其可靠性很高。
整流变压器一次侧额定电压为11kV，二次侧采用延边三角形接法，各绕组输出给功率单元供电，采用54脉冲整流结构。变频器在不加任何滤波器的情况下，对电网的谐波完全符合IEEE国际标准，以及GB/T《电能质量公用电网谐波》的要求。
投标方提供的进线变压器为H 级绝缘干式变压器，铜线绕制，柜体封闭，配金属外壳，柜底自带6台冷却风机。变频调速系统柜体内设置温度检测，当环境温度超过预先设置的值时，发报警信号；另外，在主要的发热元件，即整流变压器和电力电子功率器件上放置温度检测，一旦超过极限温度，则保护。三路巡检控制器与PLC相结合，具有就地和远方超温报警和相应的控制功能。当温度轻度过热或严重过热时报警并将信号送至PLC对其进行保护；     另外还检测变压器输入电流和输入电压并对其进行保护。
投标方提供的变压器温升限值如下表所示。
变频器具有温度(温度检测采用 PT100 温度开关)检测功能，一次侧电压、电流，变流器内部检测。专门配置温度控制器，温度控制器具备温度检测功能，实时循环显示当前各测点温度值的功能，具备手动查询历史事件温度功能，具备设定启停冷却风机温度值的功能，设定超温报警和跳闸温度值的功能，并能输出接点自动启停冷却风机，输出超温报警和跳闸接点到各外围系统实现报警和跳闸功能，除内部使用外，温度控制器能输出超温报警和跳闸的接点不少于2个，温控器电源按照与变频器控制柜电源相同的级别进行选择。输入电压检测采用电阻衰减带压敏保护。输入电流检测采用电流传感器。系统可实时检测输入电压，电流，线圈温度。同时能够显示输入电压，电流有效值，电压，输入功率因数，有功功率等。
为了确保整个高压变频调速系统的稳定性，不会因为变压器的故障而受到影响，控制系统为变压器提供了相应的测量和保护项目：
1）、变压器配封闭强迫风冷系统，特点：风量大、能耗小、噪声低、外形美观、安装简便、运行可靠，通过该系统，操作人员可随时了解变压器运行温度，还可以设定控制器温度转折点，超温报警，超温跳闸等。
2）、温度保护采用三路巡检温度控制器，可以输出温度轻度过热和严重过热保护。具有就地和远方超温报警功能。温度控制原理示意图如下：

3）、变压器柜内装设了电压、电流检测器件，我公司的高压变频调速系统把相关电压检测融入到了功率柜的变流器中，极大限度的减少了日常维护的工作量和缩小了整个设备的体积。变压器输入侧电压、电流检测原理如下图：

投标方所提供的进线变压器故障过电压能力为1.2倍额定负载60分钟、1.1倍过电压长期空载运行、1.05倍过电压长期满载运行，完全符合IEC干式变压器过负荷导则及相应国标要求。投标方所提供的变压器在各分接头位置时，能够承受线端突发短路的动、热稳定而不产生任何损伤、变形及紧固件松动。变压器进线接线端子足够大，与进线电缆连接。变压器柜内高压引线导体能满足发热的允许值。(＜65℃)。
2.功率柜及功率单元

本系统变频装置的变流回路由功率单元串联构成，每个功率单元采用二极管整流、电容平波、IGBT连成H桥输出的电压源结构，其主回路如上图所示。
对于大功率变频器而言，功率单元是设备的核心，也是需要重点解决的技术。
在大功率变频器的设计过程中，最关注的有两个参数，一是电压，二是电流。
1）电压
对于多电平串联的变频器而言，系统电压等级相同时，不管电机功率大小，采用的串联级数是相同的。对于此设备而言，采用9级模块串联，模块输入电压为700V。
2）电流
既具有大电流、低饱和压降,又具有高输入阻抗、驱动简单和开关频率高等优点,特别适合于中高频、中大功率应用。
招标方压缩机电动机的额定电流高，针对如此大电流，IGBT的选型非常关键。
由于单只IGBT芯片的通流能力有限，大功率产品通常采用IGBT并联来提高输出电流能力。IGBT本身具有正温度系数，具有自均流能力，适合并联：
为了保证此设备的可靠性，我们放大了设计裕量，电路上采用多只IGBT并联，从而达到招标方的技术要求。
IGBT并联时，主电路的结构会造成线路感抗差异，这些感抗的不同将严重影响IGBT的动态工作特性，为此公司研发了对称型主电路结构，达到了良好的均流特性。
   为实现并联IGBT的动态均流和静态均流，我公司并联一起使用的 IGBT均选用同一批次，以降低不同IGBT及反并联二极管静/动态参数对均流影响。这些影响包括IGBT的饱和压降Vce(sat)、反并联二极管的正向压降Vf对静态均流效果的影响；IGBT的跨导gfs和栅极－发射级阈值电压Vge_th、反并联二极管的反向恢复特性对动态均流效果的影响。
   在驱动电路方面，并联IGBT的门极驱动电压Vge的大小主要影响并联IGBT的静态均流，而门极驱动信号的变化率、门极驱动电阻Rg、驱动线路的布局和感抗等参数则对并联IGBT的动态均流有很大的影响。因此我公司针对IGBT并联开发了专用的驱动电路，确保IGBT并联的实现。
在特大功率变频器中，发热功率密度远大于常规变频器，采用常规的散热结构无法满足高密度散热的需要。为此我们采用特殊的散热结构及布局设计，提高散热功率密度，优化热场分布，以避免IGBT结温过高导致器件损坏。
IGBT开关时在母排寄生电感上产生的尖峰电压是造成IGBT损坏的一个主要原因。该电压正比于工作电流、寄生电感、反比于IGBT动作时间。由于IGBT动作时间在不同电流下变化很小，在设备电流增大时，尖峰电压将随之等比例增加。在电流较小时，通过简单的设置吸收电容等方法就能够有效地抑制尖峰电压，但在电流很大时，传统的技术手段将不足以把尖峰电压抑制在器件允许的范围之内，需要对各相关部分进行认真、细致、科学的优化。
针对以上问题经过多年的研究，目前公司的并联型产品已大量应用于客户现场，并取得了良好的应用记录。
3）大功率变频器与通用变频器技术特别对比：







3.控制柜
控制柜是整个高压变频调速系统的核心，变频调速系统的所有功能都基于先进的控制理念才得以实现，控制器精心设计的算法可以保证电机达到最优的运行性能。
控制柜主要由主控箱、变频器人机界面、PLC、现场接口电路、电源处理电路等组成。
主控制器（主控箱）是变频器的核心控制组件，采用TI公司的32位浮点DSP（数字信号处理器）作为中央处理器，可以精确、快速地实现矢量控制、同期锁相、同步并网等复杂的控制算法。控制器结构上采用VME标准箱体结构，各控制单元板采用FPGA、CPLD等大规模集成电路和表面焊接技术，系统具有极高的可靠性。控制器与变流器之间采用光纤通讯技术，低压部分和高压部分完全可靠隔离，系统具有极高的安全性，同时具有很好的抗电磁干扰性能。
PLC用于柜体内开关信号的逻辑处理，以及与现场各种操作信号和状态信号(支持硬连接/RS485/Profibus/Modbus/以太网等)的协调，并且可以根据用户的需要扩展控制开关量，增强了系统的灵活性。
电源温度检测单元可以随时监控高压变频器各个部位温度。


人机界面提供友好的全中文监控和操作，采用触摸式基于WINDOWS CE 平台的操作界面。用于对变频器参数的设置、状态与故障信息的显示，以及历史信息的记录，同时可以实现远程监控和网络化控制。
系统状态变量的实时显示和监控包括：输入侧和输出侧的电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数，电机转速，多点温度指示，变频器状态等等。
除了显示常用的电压、电流、功率温度等参数以外，监控界面还具有软件示波器功能，可供现场调试和监控使用。
历史记录，包括故障报警记录、操作事件记录。
三、设备尺寸与安装要求
投标方高压变频装置为室内设备，适应的最佳环境温度0℃～40℃，环境湿度要求小于95%（20℃），相对湿度的变化率每小时不超过5%，避免凝露，防地震等级为7级；针对恶劣的环境温度条件可增设加热、制冷设备改善环境；投标方高压变频器标准产品适用于海拔高度1000米以下的环境。


附图：高压变频装置基础图

地基要求：
a、预埋槽钢地基要高出地面5mm，为了增大受力面积，建议框架长度大于变频器底座长度400mm（左右各200mm），保证框架安装质量，精度为每米允许公差小于1mm。
b、槽钢地基要有良好接地。
c、变频器自带槽钢底座，为保证变频器柜体可靠接地，变频器槽钢底座与预埋槽钢地基点焊即可，兼起变频器固定作用。
d、电缆沟需防水、防尘、防小动物进入。

相关注意事项：
(1) 柜体搬运过程中，应根据货物单体重量选择合适运输设备，所有物件在搬运途中及柜体就位过程中，不应受潮，或遭受明显倾覆、撞击，所有柜体不得倒置，倾斜角度不得超过30°。
(2) 柜体就位可以采用吊车、叉车或辊杠等工具。应根据货物单体重量选择合适的吊车及吊索或叉车。（特别需要注意的是：变压器重量为3吨以上，不能直接吊装，应先拆掉柜顶的两块顶板，露出变压器的吊环，通过吊变压器的吊环来吊装变压器柜。禁止使用变压器柜顶的吊孔来搬运变压器，这些吊孔是为在工厂搬运空柜子方便而设的。）
(3) 所有柜体应和厂房大地可靠连接，推荐把变频器柜体槽钢与地基电焊，起接地及固定作用。控制柜应有专用接地极，要求接地电阻不大于4Ω。
(4) 柜体就位后，检查所有柜内无遗留杂物，无裸露线头，所有部件不受潮，无积灰，不松动，无机械损坏。