中壓變頻器

 █ 英威騰中壓變頻器介紹

   英威騰電氣有限公司自2003年開始，就致力於中壓變頻器（電壓為660V~690V、1140V）的開發與應用，在不斷的實踐與探索中，積累了豐富的經驗。目前，開發與生產的中壓變頻器產品，已經成功應用於城市供水，油田的潛油電泵、注水泵、磕頭機，煤礦中的主井風機、皮帶機、掘煤機（防暴）等等領 域，獲得了良好的經濟效應與社會效應。目前，我公司能生產中壓變頻器產品的功率範圍為22KW~800KW，幾乎含蓋所有工礦企業的應用需求。

一、INVT中壓變頻器

圖1 INVT中壓變頻器的基本構成

主要器件及技術說明：

1、使用4400V反向電壓整流橋；

2、使用直流電抗器，降低了輸入電流諧波,提高變頻器輸入端的功率因素；

3、逆變模塊使用3300V高壓IGBT,沒有IGBT的串聯,功率器件數量減少，提高了系統的可靠性，新一代模塊損耗低，提高了整機效率；

4、驅動電路使用光纖隔離傳輸可實現遠距離驅動，提高高壓電路的抗干擾性能；

5、±15%電壓波動設計，能承受瞬間250%衝擊電流，低頻轉距大,適應中國電網和工況；6、電流沖擊抑制能力強，負載大範圍波動時，能安全穩定運行；

8、 採用了先進的SVPWM非正弦脈寬調製技術，在正弦波中註入零序信號。電壓空間矢量脈寬調製技術( SVPWM) 即是在正弦波中註入適當的三次諧波的非正弦調製技術，它的線性調製度較SPWM高15％，而且輸出諧波小。減少了開關頻率，降低了開關損耗，提高了系統的 可靠性及壽命；

9、能抑制電機的瞬態過電流，瞬態衝擊電流可達到250％，保證了在重負載下不跳脫，不影響生產效率；

10、完善的保護：過流、過壓、過載、欠壓、欠載、缺相、短路、過熱等；

二、防爆變頻器技術

英威騰電氣有限公司和其他防爆設備公司合作開發的防爆兼本安變頻器通過高效能熱管或其他高效能散熱技術，其極低熱阻的高效散熱性能，使高壓IGBT的 散熱得到解決，設計最大變頻器功率可達到800kW/1140V。針對煤礦井下的特殊環境，防爆變頻器除了在箱體結構方面採取了相應的防潮、防滴水措施外，在主迴路方面盡量加大爬電距離與電氣間隙，在控制迴路方面，所有的控制板均採取了特殊防潮措施。防爆變頻調速裝置採用英威騰CHV系列無速度傳感器的矢量控制方式。無速度傳感器的矢量控制的基本控制思想是根據輸入的電動機的參數，按照一定的關係分別對作為基本控制量的勵磁電流（或者磁通）和轉矩電流進 行檢測，並通過控制電動機定子繞組電壓的頻率使勵磁電流（或者磁通）和轉距電流的指令值、檢測值達到一致，並輸出轉矩，從而實現矢量控制。採用無速度傳感器矢量控制方式的變頻器不僅可在調速範圍上與直流調速系統相媲美，而且可以控制異步電動機產生的轉矩，以保證在低頻（0.5Hz）運行時額定轉矩的輸出可達到1.5倍。

█ INVT中壓變頻器的應用

一、在礦用防爆皮帶運輸機上的應用

皮帶機是現代化煤礦高產高效的主要運輸設備，皮帶機的拖動技術形式多樣，直接啟動、調速型液力偶合器、軟啟動、交流變頻拖動等多種形式。皮帶機示意圖如下：

圖2 皮帶機示意圖

煤礦井下皮帶機目前對拖動技術的要求越來越高，基本要求是：

(1)控制簡單，啟動特性好，調速性能好，啟動轉距大；

(2)節能；

(3)工作可靠，維護量小；

(4)價格適中。

採用無速度傳感器矢量控制（SVC）的防爆變頻器能夠滿足用戶要求，將是井下皮帶機拖動的發展方向。

1、技術比較

（1）直接起動，轉矩大，但力的傳導不均，尾部反應慢，在皮帶底部有堆積現象。

（2）偶合器起動，皮帶機慢慢起動，當達到一定轉矩時皮帶開始運轉，而且起動過程中出現打滑現象，造成安全隱患。

（3）採用防爆軟起動，皮帶機空載時起動平穩，轉矩降低，減少衝擊，延長電機、膠帶機、機械系統的使用壽命，但重載時需突跳，對膠帶機衝擊較大。

（4）採用防爆變頻器時，調速範圍廣，起動轉矩大，可以在重載下緩慢起動，起動安全可靠，對於多電機拖動同步性能好，在匹配煤流傳感器後，可自動依據煤流大小自動調速，一般可節約電能，並且電機功率因數有明顯提高。

2、綜合成本的比較

（1）電動機+減速器直接起動初期投入費用不高，但維護費用大。

（2）電動機+液力偶合器+減速器，初期投入不太高，維護費用較大。另外因設備處於回風巷內道，液力偶合器維護不好常常漏油，有很大的安全隱患。

（3）軟起動電動機+減速器，初期投入費用居中，維護費用相比前兩種要少，能滿足使用要求。

（4）變頻器+電動機+減速器，初期投入費用較高，維護費用最低，可調整運行速度，僅從帶電一項上就可逐步收回成本。

綜上所述，應用變頻器是最好的一種方式。

3、變頻器在皮帶機拖動上的應用特點

（1） 優越的軟起動、軟停止特性。防爆變頻器的起動、停止時間是任意可調（0-10min）的，也就是說起動時的加速度和停車時的減速度任意可調，同時為了平穩 起動，還可匹配其具備的S型加減速時間，這樣可將皮帶機起停時產生的衝擊減少至最小，這是其它驅動設備難以達到的。

（2）驗帶功能。煤礦的生產運輸系統多以皮帶機為主，運輸系統檢修維護的主要工作是皮帶機的檢修維護，低速驗帶功能是皮帶機檢修的主要要求，變頻調整系統為無極調速的交流傳動系統，在空載驗帶狀態下，變頻器可調整電機工作在5%-100%額定帶速範圍內的任意帶速。

（3）平穩的重載起動。皮帶機在運煤過程中任意一刻都可能立即停車再重新起動，必須考慮“重載起動”能力。由於變頻器採用無速度傳感器矢量控制方式，低頻運轉最大可輸出1.5倍額定轉矩，因此最適於“重載起動”。

（4） 功率平衡。煤礦井下皮帶機系統多為雙滾筒驅動或多滾筒驅動，為了保證系統內的同步性能，首先，要求位於機頭的各滾筒應同步啟停，在某一電機故障時能使系統停機，同時為了保證系統的運輸能力，應盡量保證各滾筒之間的功率平衡。通過調整相應兩變頻器的速度給定來調整兩電機之間的速度差，便可以任意增大或減小兩 驅動電機的電流差值的大小，因此可以通過單獨的控制系統控制各電機的電流值，通過調整各電機的速度來使各電機電流值逐步趨於平衡。英威騰CH系列特有下垂 功能，可動態調整系統的功率平衡。

（5） 自動調速、節電效果明顯。對應於煤礦的特殊生產條件，有時，煤的產量是極不均勻的，當然皮帶機系統的運煤量也是不均勻的，在負載輕或無負載時，皮帶機系統的高速運行對機械傳動系統的磨損浪費較為嚴重，同時電能消耗也較低速運行大的多，但因生產的需要皮帶機系統又不能隨時停車，採用單獨的控制系統對前級運輸 系統的載荷、本機運輸系統的載荷進行分別測量，這樣可控制變頻器降速或提前升速。對於載荷不均的皮帶機系統，可大大節約電能。

（6）降低膠帶張力。由於採用防爆變頻器所產生的良好起動特性，至少可降低起動張力30%，如在初期設計選擇膠帶強度時可降低一個標號。在實際應用過程中，由於降低了起動衝擊，皮帶機機械系統的設備損耗也隨之降低，尤其托輥及滾筒的壽命成幾倍的延長。

（7）現場應用證明，採用防爆變頻器將大大提高皮帶機的可靠性，降低機械系統損耗，減少運輸系統的維護量，且節能明顯。隔爆變頻器以其特有的軟啟動特性，較高的性價比，將成為井下皮帶機拖動的發展方向。

4、皮帶機同步功率平衡的應用方案

針對煤礦防爆裝置對兩台變頻器的同步性要求精度高，設計方案如下：

圖3 模擬信號速度同步控制示意圖

如 圖3，通過模擬量信號給定同步速度，穩態時使用速度下垂控制，並且兩台變頻器共直流母線，達到能量的均衡，使系統更節能。特別需要說明，下垂控制功能專用於多台電機驅動同一負載的工況。多台電機驅動同一負載時，不可避免的會出現速度不同步問題，速度快的電機將承受較重負載。這種情況下，變頻器設置下垂功能 後，可根據負載變化自動調整運行頻率，使高轉速電機速度下垂變化，從而使負載均衡分配。

方案二：通過高速脈衝輸入輸出實現給定速度的同步控制，框圖如下：

圖4 高速脈衝速度同步

(1)、使用速度控制，主要的控制方法如下：

兩台變頻器都採用閉環矢量控制方式。採用閉環矢量的目的是閉環矢量速度控制精度高，速度控制精度達到1/1000，且低頻力矩輸出達到180%額定輸出，動態響應快，可隨負載變化動態調整速度輸出。

主變頻器的速度反饋通過高速脈衝輸出口（HDO）輸出，作為從變頻器的速度給定。 HDO的輸出頻率範圍：0~50KHz，精度可達到0.1Hz。

從變頻器採用高速脈衝輸入口（HDI）採集主變頻器的HDO信號，作為頻率給定。 HDI的輸入頻率範圍：0~50KHz，精度可達到0.1Hz。

(2)、使用轉矩控制，主要的控制方法如下：

主變頻器的轉矩通過高速脈衝輸出口（HDO）輸出，作為從變頻器的轉矩給定

方案三：通過通訊方式實現給定速度的同步控制，框圖如下：

圖5 通訊給定速度同步

該方案與方案二基本相同，只是從變頻器的給定採用485通訊方式給定，485通訊的最大波特率為38400BIT/S，可用於遠程控制。

5、使用案例

二、在礦用通風機上的應用

由 於礦用通風機一般為搧風機，即向外抽風，一般採用的是離心式風機，拖動慣量比較大。因此在改造中，在調整變頻器的參數時應十分注意。由於慣量比較大，在停機的過程中，電動機勢必要進入發電狀態，若此時變頻器停機時間短，發電的能量即會進入變頻器形成倒灌，造成變頻器主電路電壓升高。若用戶對停機時間無特殊 要求，可將變頻器的下降時間盡量延長，或使電機自由停車。對於升速時間，由於負載慣性比較大，變頻器頻率變化快，變頻器即會出現過流保護，而不能正常工作。因此其升速時間也不能太短，一般以變頻器正常工作為宜。總之，礦用通風機採用變頻調速，不但實現了軟起停，節約了電能，而且可根據巷道的風量需求方便 的進行調速，應用效果是十分理想的。我國的煤礦企業相當多，變頻器在這一方面的應用應當是十分廣泛的。

三、在潛油電泵上的應用

（一）概述

變頻調速器的出現為交流調速方式帶來了一場革命。隨著近十幾年變頻技術的不斷完善、發展。變頻調速性能日趨完美，已被不同學科、不同行業的工程技術人員廣泛應用於不同領域的交流調速。為企業帶來了可觀的經濟效益，推動了工業生產的自動化進程。

變頻調速用於交流異步電機調速，其性能遠遠超過以往任何交、直流調速方式。而且結構簡單，調速範圍寬、調速精度高、安裝調試使用方便、保護功能完善、運行穩定可靠、節能效果顯著，已經成為交流電機調速的最新潮流。

（二）通用雙迴路方案

由 於潛油電泵是在戶外（海上）使用，其工作環境及其配電設備的工作環境都比較惡劣；而採油作業對採油設備的可靠性又要求很高，故在實際使用變頻系統時應增設工頻備用系統（既變頻—工頻雙迴路系統）或在原工頻系統的基礎上加裝變頻系統，這樣工頻系統與變頻系統可互為備用，既便是在變頻系統故障或檢修的狀態下對 採油作業的影響也不大，從而提高了採油設備（系統）的安全可靠性。

圖8 共用直流母線雙迴路系統示意圖

1、 設備選型：

（1）除指定配件外，全選用進口器件

（2）每台油井用一台變頻器，配上工頻迴路，做成一體化變頻櫃。

（3）變頻器規格：輸入電壓為：3AC 1140V+15%，輸出功率55KW。

2、 供電方式：

採用變壓器-整流器的供電方式雙迴路接線：

為確保系統的安全可靠，在變頻器、整流器發生故障或進行檢修時確保其它油井的正常運行生產，本控制系統採用變頻-工頻雙迴路接線方式，在保留原工頻系統的基礎上加裝變頻系統，具體作法如圖8所示。

說明：

（1）變壓器的容量為所有潛油電泵電機容量之和的1.3倍。

（2）交流電壓為：1140VAC

（3）逆變器的容量與潛油電泵電機容量相同或稍大。

（4）確保工頻與變頻的相序一致。

3、抽汲參數優化控制及節電增效原理

由於不同地域，不同油井及井深、油液面、油粘度的不同，要求潛油電泵有不同的合理抽汲參數。通常，當潛油電泵的參數一定後，採用改頻率（電機轉速或傳動比）的方法來調節，這樣不但能省電，達到最佳的經濟效益，而且電機能零電流起動，對電機的保護全面。

由於潛油電泵屬變負載類負載，即電機在起動時需較小轉矩，而停止時則負荷很重。電機則處於電（磁）能洩放狀態，軟停止對防止油下衝有明顯的作用，油泵不會被打壞。

四、投資與節能

變 頻系統的初次投資容易給投資者一種投資高風險大的感覺，這主要是對變頻節能效果不很了解或將變頻系統的初次投資與傳統的一些調速方式，如：液力藕合、滑差電機、變級調速等調速裝置的初次投資在未充分考慮節能效果及變頻器功能的情況下進行比較，以及對變頻器的質量、穩定性、售後服務等還不太了解的感覺；變頻 節能係統（裝置）在各類調速系統中使用時，其節能效果對於單台設備可做到15-75%，在未受到其他因素的影響的情況下一般可取上限；節能效果平均值是由 實際應用中得到，權威性數據可由市場上公開出售的資料（書）查到；通過這些數據再進行一些簡單的投資回收率的計算可知；變頻節能係統（裝置）的投資回收期一般為4-20個月（這是經驗值也是權威數據）。

英威騰電氣有限公司按油田採油廠採油方式的不同需求，同時生產660V至1140V電壓等級的中壓變頻器。特別適合井深超過1300M以上的深井電潛泵使用。

該產品安裝、使用方便，保護功能完善，尤其是欠電流保護（既輕載自動關機）和過電流保護（因泥砂、石塊阻塞油泵或其它機械故障過載自動關機）功能。避免和減少因空轉和卡泵造成電機損壞，停產檢修的極大損失，受到用戶歡迎。

由於中壓變頻器具有輸出頻率任意可調的特性，用戶可以及時、方便的根據油井產油量及油液面變化，調節電潛泵電機轉速，有利於油井穩產，節電率可達30- 60%，綜合經濟效益高。

變頻節能係統及生產過程自動化系統在各行業機電設備和生產線上的應用是社會生產發展的必然趨勢，它有著早使用、早改造、早受益、快發展的特點，它將不斷的被推廣應用，並將為企事業的發展錦上添花，為全社會的發展添磚加瓦。

五、綜合效益

採 油井潛油電泵是一種大慣量變化負載，所採用的拖動設備是三相異步電機，普遍存在效率低，不便調速，功率因數低等弊端。針對以上問題，我公司開發研製了中壓 CHV系列變頻器，採用了先進的矢量控制方式控制潛油電泵運行，達到節能、增效、增產實現自動化的效果，同時達到了電網優化的目的，在國內各油田得到廣泛的應用。

六、節能增效基本原理

本控制裝置基於變頻調速原理開發而成。在潛油電泵大慣量變載工作狀態下，本控制裝置有以下幾個特點可以達到節能效果。

● 調速節能

潛油電泵屬次泵類負載，其耗電功率P∝N3，調整轉速稍作調整就會有極為明顯的省電效果。

   ● 動態調功功能

在潛油電泵變載的工作狀態下，控制裝置以7000次/秒的速度自適應電機的載荷，自動改變加在電機上的端電壓，保證電機在最小電流、最低電壓即最小功率狀態下運行，達到了節能效果，即調不調速都節能。

   ● 動態功率因數補償功能

控制裝置具有功率因數補償功能，可取代原有的控制櫃啟動器、補償器，使系統趨向一體化，保證電機功率因數COS∮＞0.95以上，從而減小了設備損耗，減小了線損，改造了電網，增加了裝機容量，達到了節能的目的。

   ● 軟啟動功能

由 於電機全壓啟動時，啟動電流等於3～7倍的額定電流，因此通常在帶載電機啟動時，會對電機和供電電網造成嚴重的衝擊，導致對電網容量要求過高，而且啟動時 對設備產生的大電流和震動對設備極為不利；採用本控制裝置的軟啟動功能將會使啟動電流遠遠低於額定電流，實現電機真正意義上的軟啟動，達到了節能的目的。不但減少了對電網的衝擊，且能延長設備使用壽命及維修週期，減少設備維修費用。

● 本控制裝置可任意分別設定潛油電泵的速度，以適應油井井下原油液面的變化。使潛油電泵隨時工作在最佳運行狀態，達到增產、增效的目的。

█ 總結

隨著變頻調速技術的不斷發展，新材料、新工藝、新技術的開發與應用，中壓變頻器的應用會越來越廣泛。作為中壓變頻器的主流研發與製造供應商，英威騰電氣有限公司將繼續秉承不斷追求與創新，立足傳動領域，為廣大用戶提供物超所值的產品。