深圳英威腾中压系列变频器的应用
█ 英威腾中压变频器介绍
深圳市英威腾电气有限公司自2003年开始，就致力于中压变频器（电压为660V~690V、1140V）的开发与应用，在不断的实践与探索中，积累了丰富的经验。目前，开发与生产的中压变频器产品，已经成功应用于城市供水，油田的潜油电泵、注水泵、磕头机，煤矿中的主井风机、皮带机、掘煤机（防暴）等等领域，获得了良好的经济效应与社会效应。目前，我公司能生产中压变频器产品的功率范围为22KW~800KW，几乎含盖所有工矿企业的应用需求。
一、INVT中压变频器
图1 INVT中压变频器的基本构成
主要器件及技术说明：
1、使用4400V反向电压整流桥；
2、使用直流电抗器，降低了输入电流谐波,提高变频器输入端的功率因素；
3、逆变模块使用3300V高压IGBT,没有IGBT的串联,功率器件数量减少，提高了系统的可靠性，新一代模块损耗低，提高了整机效率；
4、驱动电路使用光纤隔离传输可实现远距离驱动，提高高压电路的抗干扰性能；
5、±15%电压波动设计，能承受瞬间250%冲击电流，低频转距大,适应中国电网和工况；6、电流冲击抑制能力强，负载大范围波动时，能安全稳定运行；
8、采用了先进的SVPWM非正弦脉宽调制技术，在正弦波中注入零序信号。电压空间矢量脉宽调制技术( SVPWM) 即是在正弦波中注入适当的三次谐波的非正弦调制技术，它的线性调制度较SPWM高15％，而且输出谐波小。减少了开关频率，降低了开关损耗，提高了系统的可靠性及寿命；
9、能抑制电机的瞬态过电流，瞬态冲击电流可达到250％，保证了在重负载下不跳脱，不影响生产效率；
10、完善的保护：过流、过压、过载、欠压、欠载、缺相、短路、过热等；
二、防爆变频器技术
深圳市英威腾电气有限公司和其他防爆设备公司合作开发的防爆兼本安变频器通过高效能热管或其他高效能散热技术，其极低热阻的高效散热性能，使高压IGBT的散热得到解决，设计最大变频器功率可达到800kW/1140V。针对煤矿井下的特殊环境，防爆变频器除了在箱体结构方面采取了相应的防潮、防滴水措施外，在主回路方面尽量加大爬电距离与电气间隙，在控制回路方面，所有的控制板均采取了特殊防潮措施。防爆变频调速装置采用英威腾CHV系列无速度传感器的矢量控制方式。无速度传感器的矢量控制的基本控制思想是根据输入的电动机的参数，按照一定的关系分别对作为基本控制量的励磁电流（或者磁通）和转矩电流进行检测，并通过控制电动机定子绕组电压的频率使励磁电流（或者磁通）和转距电流的指令值、检测值达到一致，并输出转矩，从而实现矢量控制。采用无速度传感器矢量控制方式的变频器不仅可在调速范围上与直流调速系统相媲美，而且可以控制异步电动机产生的转矩，以保证在低频（0.5Hz）运行时额定转矩的输出可达到1.5倍。
█ INVT中压变频器的应用
一、在矿用防爆皮带运输机上的应用
皮带机是现代化煤矿高产高效的主要运输设备，皮带机的拖动技术形式多样，直接启动、调速型液力偶合器、软启动、交流变频拖动等多种形式。皮带机示意图如下：
图2 皮带机示意图
煤矿井下皮带机目前对拖动技术的要求越来越高，基本要求是：
(1)控制简单，启动特性好，调速性能好，启动转距大；
(2)节能；
(3)工作可靠，维护量小；
(4)价格适中。
采用无速度传感器矢量控制（SVC）的防爆变频器能够满足用户要求，将是井下皮带机拖动的发展方向。
1、技术比较
（1）直接起动，转矩大，但力的传导不均，尾部反应慢，在皮带底部有堆积现象。
（2）偶合器起动，皮带机慢慢起动，当达到一定转矩时皮带开始运转，而且起动过程中出现打滑现象，造成安全隐患。
（3）采用防爆软起动，皮带机空载时起动平稳，转矩降低，减少冲击，延长电机、胶带机、机械系统的使用寿命，但重载时需突跳，对胶带机冲击较大。
（4）采用防爆变频器时，调速范围广，起动转矩大，可以在重载下缓慢起动，起动安全可靠，对于多电机拖动同步性能好，在匹配煤流传感器后，可自动依据煤流大小自动调速，一般可节约电能，并且电机功率因数有明显提高。
2、综合成本的比较
（1）电动机+减速器直接起动初期投入费用不高，但维护费用大。
（2）电动机+液力偶合器+减速器，初期投入不太高，维护费用较大。另外因设备处于回风巷内道，液力偶合器维护不好常常漏油，有很大的安全隐患。
（3）软起动电动机+减速器，初期投入费用居中，维护费用相比前两种要少，能满足使用要求。
（4）变频器+电动机+减速器，初期投入费用较高，维护费用最低，可调整运行速度，仅从带电一项上就可逐步收回成本。
综上所述，应用变频器是最好的一种方式。
3、变频器在皮带机拖动上的应用特点
（1）优越的软起动、软停止特性。防爆变频器的起动、停止时间是任意可调（0-10min）的，也就是说起动时的加速度和停车时的减速度任意可调，同时为了平稳起动，还可匹配其具备的S型加减速时间，这样可将皮带机起停时产生的冲击减少至最小，这是其它驱动设备难以达到的。
（2）验带功能。煤矿的生产运输系统多以皮带机为主，运输系统检修维护的主要工作是皮带机的检修维护，低速验带功能是皮带机检修的主要要求，变频调整系统为无极调速的交流传动系统，在空载验带状态下，变频器可调整电机工作在5%-100%额定带速范围内的任意带速。
（3）平稳的重载起动。皮带机在运煤过程中任意一刻都可能立即停车再重新起动，必须考虑“重载起动”能力。由于变频器采用无速度传感器矢量控制方式，低频运转最大可输出1.5倍额定转矩，因此最适于“重载起动”。
（4） 功率平衡。煤矿井下皮带机系统多为双滚筒驱动或多滚筒驱动，为了保证系统内的同步性能，首先，要求位于机头的各滚筒应同步启停，在某一电机故障时能使系统停机，同时为了保证系统的运输能力，应尽量保证各滚筒之间的功率平衡。通过调整相应两变频器的速度给定来调整两电机之间的速度差，便可以任意增大或减小两驱动电机的电流差值的大小，因此可以通过单独的控制系统控制各电机的电流值，通过调整各电机的速度来使各电机电流值逐步趋于平衡。英威腾CH系列特有下垂功能，可动态调整系统的功率平衡。
（5）自动调速、节电效果明显。对应于煤矿的特殊生产条件，有时，煤的产量是极不均匀的，当然皮带机系统的运煤量也是不均匀的，在负载轻或无负载时，皮带机系统的高速运行对机械传动系统的磨损浪费较为严重，同时电能消耗也较低速运行大的多，但因生产的需要皮带机系统又不能随时停车，采用单独的控制系统对前级运输系统的载荷、本机运输系统的载荷进行分别测量，这样可控制变频器降速或提前升速。对于载荷不均的皮带机系统，可大大节约电能。
（6）降低胶带张力。由于采用防爆变频器所产生的良好起动特性，至少可降低起动张力30%，如在初期设计选择胶带强度时可降低一个标号。在实际应用过程中，由于降低了起动冲击，皮带机机械系统的设备损耗也随之降低，尤其托辊及滚筒的寿命成几倍的延长。
（7）现场应用证明，采用防爆变频器将大大提高皮带机的可靠性，降低机械系统损耗，减少运输系统的维护量，且节能明显。隔爆变频器以其特有的软启动特性，较高的性价比，将成为井下皮带机拖动的发展方向。
4、皮带机同步功率平衡的应用方案
针对煤矿防爆装置对两台变频器的同步性要求精度高，设计方案如下：
方案一：简易控制
图3 模拟信号速度同步控制示意图
如图3，通过模拟量信号给定同步速度，稳态时使用速度下垂控制，并且两台变频器共直流母线，达到能量的均衡，使系统更节能。特别需要说明，下垂控制功能专用于多台电机驱动同一负载的工况。多台电机驱动同一负载时，不可避免的会出现速度不同步问题，速度快的电机将承受较重负载。这种情况下，变频器设置下垂功能后，可根据负载变化自动调整运行频率，使高转速电机速度下垂变化，从而使负载均衡分配。
方案二：通过高速脉冲输入输出实现给定速度的同步控制，框图如下：
图4 高速脉冲速度同步
(1)、使用速度控制，主要的控制方法如下：
两台变频器都采用闭环矢量控制方式。采用闭环矢量的目的是闭环矢量速度控制精度高，速度控制精度达到1/1000，且低频力矩输出达到180%额定输出，动态响应快，可随负载变化动态调整速度输出。
主变频器的速度反馈通过高速脉冲输出口（HDO）输出，作为从变频器的速度给定。HDO的输出频率范围：0~50KHz，精度可达到0.1Hz。
从变频器采用高速脉冲输入口（HDI）采集主变频器的HDO信号，作为频率给定。HDI的输入频率范围：0~50KHz，精度可达到0.1Hz。
(2)、使用转矩控制，主要的控制方法如下：
主变频器的转矩通过高速脉冲输出口（HDO）输出，作为从变频器的转矩给定
方案三：通过通讯方式实现给定速度的同步控制，框图如下：
图5 通讯给定速度同步
该方案与方案二基本相同，只是从变频器的给定采用485通讯方式给定，485通讯的最大波特率为38400BIT/S，可用于远程控制。
5、使用案例
图6 315kW/1140V防爆变频器 图7 630kW/1140V风冷变频器
二、在矿用通风机上的应用
由于矿用通风机一般为扇风机，即向外抽风，一般采用的是离心式风机，拖动惯量比较大。因此在改造中，在调整变频器的参数时应十分注意。由于惯量比较大，在停机的过程中，电动机势必要进入发电状态，若此时变频器停机时间短，发电的能量即会进入变频器形成倒灌，造成变频器主电路电压升高。若用户对停机时间无特殊要求，可将变频器的下降时间尽量延长，或使电机自由停车。对于升速时间，由于负载惯性比较大，变频器频率变化快，变频器即会出现过流保护，而不能正常工作。因此其升速时间也不能太短，一般以变频器正常工作为宜。 总之，矿用通风机采用变频调速，不但实现了软起停，节约了电能，而且可根据巷道的风量需求方便的进行调速，应用效果是十分理想的。我国的煤矿企业相当多，变频器在这一方面的应用应当是十分广泛的。
三、在潜油电泵上的应用
（一）概述
变频调速器的出现为交流调速方式带来了一场革命。随着近十几年变频技术的不断完善、发展。变频调速性能日趋完美，已被不同学科、不同行业的工程技术人员广泛应用于不同领域的交流调速。为企业带来了可观的经济效益，推动了工业生产的自动化进程。
变频调速用于交流异步电机调速，其性能远远超过以往任何交、直流调速方式。而且结构简单，调速范围宽、调速精度高、安装调试使用方便、保护功能完善、运行稳定可靠、节能效果显著，已经成为交流电机调速的最新潮流。
（二）通用双回路方案
由于潜油电泵是在户外（海上）使用，其工作环境及其配电设备的工作环境都比较恶劣；而采油作业对采油设备的可靠性又要求很高，故在实际使用变频系统时应增设工频备用系统（既变频—工频双回路系统）或在原工频系统的基础上加装变频系统，这样工频系统与变频系统可互为备用，既便是在变频系统故障或检修的状态下对采油作业的影响也不大，从而提高了采油设备（系统）的安全可靠性。
图8 共用直流母线双回路系统示意图
1、 设备选型：
（1）除指定配件外，全选用进口器件
（2）每台油井用一台变频器，配上工频回路，做成一体化变频柜。
（3）变频器规格：输入电压为：3AC 1140V+15%，输出功率55KW。
2、 供电方式：
采用变压器-整流器的供电方式双回路接线：
为确保系统的安全可靠，在变频器、整流器发生故障或进行检修时确保其它油井的正常运行生产，本控制系统采用变频-工频双回路接线方式，在保留原工频系统的基础上加装变频系统，具体作法如图8所示。
说明：
（1）变压器的容量为所有潜油电泵电机容量之和的1.3倍。
（2）交流电压为：1140VAC
（3）逆变器的容量与潜油电泵电机容量相同或稍大。
（4）确保工频与变频的相序一致。
3、抽汲参数优化控制及节电增效原理
由于不同地域，不同油井及井深、油液面、油粘度的不同，要求潜油电泵有不同的合理抽汲参数。通常，当潜油电泵的参数一定后，采用改频率（电机转速或传动比）的方法来调节，这样不但能省电，达到最佳的经济效益，而且电机能零电流起动，对电机的保护全面。
由于潜油电泵属变负载类负载，即电机在起动时需较小转矩，而停止时则负荷很重。电机则处于电（磁）能泄放状态，软停止对防止油下冲有明显的作用，油泵不会被打坏。
四、投资与节能
变频系统的初次投资容易给投资者一种投资高风险大的感觉，这主要是对变频节能效果不很了解或将变频系统的初次投资与传统的一些调速方式，如：液力藕合、滑差电机、变级调速等调速装置的初次投资在未充分考虑节能效果及变频器功能的情况下进行比较，以及对变频器的质量、稳定性、售后服务等还不太了解的感觉；变频节能系统（装置）在各类调速系统中使用时，其节能效果对于单台设备可做到15-75%，在未受到其他因素的影响的情况下一般可取上限；节能效果平均值是由实际应用中得到，权威性数据可由市场上公开出售的资料（书）查到；通过这些数据再进行一些简单的投资回收率的计算可知；变频节能系统（装置）的投资回收期一般为4-20个月（这是经验值也是权威数据）。
深圳市英威腾电气有限公司按油田采油厂采油方式的不同需求，同时生产660V至1140V电压等级的中压变频器。特别适合井深超过1300M以上的深井电潜泵使用。
该产品安装、使用方便，保护功能完善，尤其是欠电流保护（既轻载自动关机）和过电流保护（因泥砂、石块阻塞油泵或其它机械故障过载自动关机）功能。避免和减少因空转和卡泵造成电机损坏，停产检修的极大损失，受到用户欢迎。
由于中压变频器具有输出频率任意可调的特性，用户可以及时、方便的根据油井产油量及油液面变化，调节电潜泵电机转速，有利于油井稳产，节电率可达30-60%，综合经济效益高。
变频节能系统及生产过程自动化系统在各行业机电设备和生产线上的应用是社会生产发展的必然趋势，它有着早使用、早改造、早受益、快发展的特点，它将不断的被推广应用，并将为企事业的发展锦上添花，为全社会的发展添砖加瓦。
五、综合效益
采油井潜油电泵是一种大惯量变化负载，所采用的拖动设备是三相异步电机，普遍存在效率低，不便调速，功率因数低等弊端。针对以上问题，我公司开发研制了中压CHV系列变频器，采用了先进的矢量控制方式控制潜油电泵运行，达到节能、增效、增产实现自动化的效果，同时达到了电网优化的目的，在国内各油田得到广泛的应用。
六、节能增效基本原理
本控制装置基于变频调速原理开发而成。在潜油电泵大惯量变载工作状态下，本控制装置有以下几个特点可以达到节能效果。
● 调速节能
潜油电泵属次泵类负载，其耗电功率P∝N3，调整转速稍作调整就会有极为明显的省电效果。
● 动态调功功能
在潜油电泵变载的工作状态下，控制装置以7000次/秒的速度自适应电机的载荷，自动改变加在电机上的端电压，保证电机在最小电流、最低电压即最小功率状态下运行，达到了节能效果，即调不调速都节能。
● 动态功率因数补偿功能
控制装置具有功率因数补偿功能，可取代原有的控制柜启动器、补偿器，使系统趋向一体化，保证电机功率因数COS∮＞0.95以上，从而减小了设备损耗，减小了线损，改造了电网，增加了装机容量，达到了节能的目的。
● 软启动功能
由于电机全压启动时，启动电流等于3～7倍的额定电流，因此通常在带载电机启动时，会对电机和供电电网造成严重的冲击，导致对电网容量要求过高，而且启动时对设备产生的大电流和震动对设备极为不利；采用本控制装置的软启动功能将会使启动电流远远低于额定电流，实现电机真正意义上的软启动，达到了节能的目的。不但减少了对电网的冲击，且能延长设备使用寿命及维修周期，减少设备维修费用。
● 本控制装置可任意分别设定潜油电泵的速度，以适应油井井下原油液面的变化。使潜油电泵随时工作在最佳运行状态，达到增产、增效的目的。
█ 总结
随着变频调速技术的不断发展，新材料、新工艺、新技术的开发与应用，中压变频器的应用会越来越广泛。作为中压变频器的主流研发与制造供应商，深圳市英威腾电气有限公司将继续秉承不断追求与创新，立足传动领域，为广大用户提供物超所值的产品。
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