关键词：Goodrive5000 高压变频器 控制技术 特点
1.引言
中铝集团山西某公司位于吕梁市，占地总面积67万平方米，该公司立足吕梁丰富的铝土矿资源，遵循资源效益最大化原则，秉持“人无我有、人有我优”发展理念，依照“中铝品牌，民营机制”运作模式，以铝基新材料及其深加工项目为主线，以重点项目建设为支撑，充分发挥企业技术优势，加大先进技术引进和应用，逐步形成以企业为主体，产学研相融合的资源综合利用研发体系。通过优化资源配置，实现产业链延伸，加快建设资源节约型、环境友好型高科技循环经济企业，积极创建国家级铝基材料强势产业集群的标杆企业，强力打造世界级铝基新材料基地。
在现代大中型工矿企业中，高压电机电能消耗占企业总电能用量的一半左右。虽然低压变频器在实际应用中已十分普遍，但由于高压变频技术复杂和电子器件耐压限制，一直制约着其实际应用与推广普及。近几年来，随着高压变频技术的日趋成熟和功率器件耐压能力的突破，高压变频器的应用趋势日益加快，其变频节能效果也更加显著。
本文以英威腾Goodrive5000高压变频器在中铝集团某公司2X35万吨/年铝基新材料项目其配套的热电厂及氧化铝厂共10台应用为例，详细阐述了高压变频器的应用情况。其成功应用充分证明国产高压变频在关键技术上已经取得实质性进展。随着国内科技迅速发展和研究投资的不断加大，高压变频器的研制已取得了长足的进步和发展，其产品的技术含量和质量已赶上世界同行的水平，而且价格低、性能优越、运行稳定，已赢得国内众多企业的认可和好评。
2.系统方案
2.1一次回路方案

图1 一拖一手动旁路系统图

一拖一手动旁路柜是由三个高压隔离开关QS1、QS2、QS3组成。手动旁路柜严格按照“五防”联锁要求设计，变频器输出QS2和旁路高压隔离开关QS3机械闭锁，完全能够保证变频调速系统安全运行。
● 在变频运行状况下，QS1、QS2闭合，QS3断开
如需手动切换至工频运行时，系统先停止变频器输出，断开用户开关，再由机械操作依次断开QS1、QS2，然后机械操作闭合QS3，使电机切换至工频侧，再合上用户开关，使电机工频运行；
● 在工频旁路运行状况下，QS3闭合，QS1、QS2断开
如需手动切换至变频运行时，系统先断开用户开关，由机械操作断开QS3，然后由机械操作依次闭合QS2、QS1，使电机切换至变频侧，再合上用户开关。
2.2控制方案
控制系统采用DSP+FPGA+ARM三核控制技术，具有就地监控方式和远程监控方式（DCS远程控制），两种功能可以在操作面板设定。在就地监控方式下，通过变频装置上的触摸屏显示速度、电流、电压等参数，可进行就地启动、停止变频装置，调整转速、频率，实时修改配置相关参数，就地控制窗口采用中文操作界面，功能设定、参数设定等均采用中文。
Goodrive5000高压变频器提供20路数字量输入，16路继电器输出，3路模拟量输入，4路模拟量输出，1路高速脉冲输入，1路高速脉冲输出端子，以上提供的用户端子均为可编程端子，每个端子的功能都可以使用功能码进行设定。下面为常规DCS系统I/O硬接线控制配置图方案，用户可根据需要进行修改。

图2 常规DCS系统I/O硬接线控制配置图方案

3.英威腾变频器特点
3.1系统原理
Goodrive5000高压变频调速系统采用多重化移相多单元串联正弦脉宽调制(SPWM)叠压技术，本变频器是直接“高-高”式，功率模块为交-直-交型电压源变频调速器。高压变频器是由多个串联而成，通过将多个低压功率模块的输出叠加起来得到高压输出。以10KV为例，高压变频器的原理结构如下图所示。电网送来的三相10KV交流电，经移相变压器，由其副边每相的二次线圈电压逐个移动相位角相7.5°，供电给8个功率单元，三相共24个功率单元，每个功率单元的额定电压为690V，相邻功率单元的输出联接起来，使得变频器的额定相电压为5520V，线电压为10KV可输出高压正弦波给感应电动机,在变频器运行过程中对电动机的绝缘没有影响，变频器的输出电压和输出电流均为正弦波形，变频装置对输出电缆的长度没有任何要求，能直接拖带普通高压异步电机，并且彻底消除谐波引起的电机发热现象。

图3 移相蒸馏变压器电气原理图

图4 Goodrive5000系列高压变频调速系统示意图

3.2保护方案
● 输入回路带浪涌吸收保护；
● 变压器允许过负荷能力符合IEC干式变压器过负荷导则及相应国标要求；
● 每个功率单元带两相输入熔断器保护；
● 过载保护：变频器额定电流的120%，允许2分钟，超过则保护；
● 过流保护：变频器输出电流超过电机额定电流的200％立即保护；
● 过压保护：检测变频器输入电压，如果超过额定电压的115%，则变频器保护。
● 欠压保护：检测每个功率模块的直流母线电压，如果低于欠压保护定值65%，则变频器保护。此保护实际上包括了对电网电压负向波动的保护；
● 过热保护：包括两重保护：在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（变压器150℃、功率器件75℃），则保护；
● 缺相保护：缺相保护设置在每个功率模块上。当变频器输入侧掉相系统发出报警信号,并保护；功率模块的保险熔芯熔断缺相时，系统会发出报警信号，同时允许模块旁路运行；
● 光纤故障保护：当控制器与功率模块之间的连接光纤出现故障时，会发出报警信号并保护。以上故障，均在中文用户界面上指定故障确切位置，便于用户采取应对措施。
3.3英威腾变频器优势
● 专业高抗EMC电路设计：在功率单元模块设计上，针对不同电流范围采用独特进出线设计，抗干扰能力更强；在结构设计和电气设计上，全面采用抗电磁干扰措施，最有效保证变频器的可靠运行。
● 三核控制技术：高压变频器主控系统采用DSP＋FPGA + ARM和液晶触摸屏巧妙配合，提供中文触摸式操作界面，控制系统高度集成化，抗干扰能力强、功能更强大、控制更精准，增加了产品的可靠性。
● 丰富的控制功能
● AVR功能：可以根据母线电压的波动自动调节输出PWM信号的占空比，从而减轻电网电压波动对于输出电压波动的影响。
● V/F控制的转矩提升功能
● 多种V/F曲线的选择：提供多种的V/F曲线形式（如：多点V/F曲线，1.3次幂、1.7次幂、2.0次幂V/F曲线），可以满足各种不同的负载要求。
● 内置PID控制功能
● 完善的20种保护功能
● 宽范围抗电压波动能力：网侧电压在短时间小于85%～65％额定值或大于110%～120％额定值，高压变频调速系统不停机，保证电机持续运行
● 超长瞬时掉电不停机，有效避免电网不稳定带来的停机问题
● 超低频转速追踪能力，有效保证掉电快速再启动
● 对称旁路功能，单元体双旁路技术，系统可靠性更高
● 双上电限流电路设计，有效保护系统安全、延长设备寿命
4.运行效果
自2014年8月，我公司在该公司一期建设2*35万吨/年优晶低钠高纯原料项目热电厂及氧化铝厂投运以来，其运行状况良好，工作稳定，节电显著，完全达到了预期目标，完全满足电厂和氧化铝工艺控制需求，大幅提高了生产效果，降低了生产成本，根据我公司每月电耗统计，项目实施后变频运行比工频运行电耗降低19%左右。
5.结束语
在电解铝工业用的锅炉给水泵、冷却循环水泵、除尘风机的耗电量占生产电耗40%以上。采用变频调速技术可大幅度地降低电耗，所以，利用变频技术对现有用电设备进行节能改造，是解决我国电解铝工业高消耗、低效益的根本措施。该公司在一期项目建成投运发挥效益后，我公司Goodrive5000系列高压变频器在现场的应用中得到了客户的认同，整个的生产工艺中低压变频器也全部采用我公司产品，英威腾与中国铝业做到了合作共赢。
参考文献：
[1]南海市南方风机厂 《风机技术介绍》
[2]《继电保护及电网安全自动装置检验条例》水利电力出版社
[3]《GD5000系列高压变频调速系统产品说明书》 深圳市英威腾电气股份有限公司