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1、二、二、 原理原理2.1 主电路主电路BORUI 系列高压变频器采用交-直-交直接高压（高-高）方式，主电路开关元件为IGBT。由于 IGBT 耐压所限，无法直接逆变输出 6kV、10kV，且因开关频率高、均压难度大等技术难题无法完成直接串联。BORUI 变频器采用功率单元串联，叠波升压，充分利用常压变频器的成熟技术，因而具有很高的可靠性。图 2.1 为 6kV 系列典型主电路图。隔离变压器为三相干式整流变压器，风冷，有使用寿命长、免维护等优点。变压器原边输入可为任意电压，Y 接；副边绕组数量依变频器电压等级及结构而定，3kV 系列为 9 个，6kV 系列为 15个，10kV 系列为 27 个
2、，延边三角形接法，为每个功率单元提供隔离三相电源输入。为了最大限度抑制输入侧谐波含量，同一相的副边绕组通过延边三角形接法移相，绕组间的相位差由下式计算： 60 移相角度 = 每相单元数量由于为功率单元提供电源的变压器副边绕组间有一定的相位差，从而消除了大部分由单个功率单元所引起的谐波电流，所以 BORUI 变频器输入电流的总谐波含量（THD）远小于国家标准 5%的要求，并且能保持接近 1 的输入功率因数。图 2.2为 6kV 系列（每相五单元串联）输入电流实录波形，电流峰值 120A，几近完美的正弦波。变频器输出是将多个三相输入、单相输出的低压功率单元串联叠波得到。如额定输出690VAC 功率
3、单元五个串联时产生 3450V 相电压，见表 2-1。图 2.2 输入电流波形单元A1单元B1单元C1电动机输入三相交流电 源（任意电压）单元A2单元C2单元B2单元A3单元C3单元B3单元A4单元C4单元B4单元A5单元C5单元B5移相二 次线圈隔离变压器功率单元图2.1 HIVERT高压变频器6KV系列主电路图线电压相电压相电压线电压表 2-1：BORUI 变频器功率单元配置变频器系列每相串联 单元数单元额定 电压（V）输出相电压 （V）输出线电压 （kV）每相电压 等级数量3kV35801740376kV5690345061110kV964057601019图 2.3 6kV 电压叠加图
4、图 2.4 3kV 电压叠加图 图 2.5 10kV 电压叠加图 三相输出 Y 接，得到驱动电机所需的可变频三相高压电源。图 2.35 分别为6kV、3kV 和 10kV 变频器系列的电压叠加示意图。线电压相电压图 2.6 6kV 系列单元输出及相电压波形示意图图 2.6 为五个 690VAC 功率单元串联时，每个功率单元输出的电压波形及其串联后输出的相电压波形示意图。相邻单元之间的脉冲在时间上相差 1/5 个开关周期，单元串联叠加后的相电压可以得到 50-5 共 11 个不同的电压等级。增加电压等级的同时，每个等级的电压值大为降低，从而减小了 dv/dt 对电机绝缘的破坏，并大大削弱了输出电
5、压的谐波含量，图 2.7 为 6kV 六单元变频器输出的 Uab线电压波形实录图，峰值电压为 8.5kV。因为电机电感的滤波效果，输出电流波形更优于电压波形，图 2.8 即为输出电流 Ia 的实录波形图，峰值电流 130A。电压等级数量的增加，大大改善了变频器的输出性能，输出波形几乎接近正弦波。图 2.7 输出线电压波形 图 2.8 输出电流波形2.2 功率单元功率单元功率单元原理见图 2.9，输入电源端 R、S、T 接变压器二次线圈的三相低压输出，三相二极管全波整流为直流环节电容充电，电容上的电压提供给由 IGBT 组成的单相 H 形桥式逆变电路。LL快熔 二极管整流 直流环节 逆变输出 单
6、元输出 单元旁路（可选）图 2.9 功率单元主电路图功率单元通过光纤接收信号，采用空间矢量正弦波脉宽调制（PWM）方式，控制Q1Q4 IGBT 的导通和关断，输出单相脉宽调制波形。每个单元仅有三种可能的输出电压状态，当 Q1 和 Q4 导通时，L1 和 L2 的输出电压状态为 1；当 Q2 和 Q3 导通时，L1 和 L2的输出电压状态为-1；当 Q1 和 Q2 或者 Q3 和 Q4 导通时，L1 和 L2 的输出电压状态为 0。输出电压波形见图 2.6。功率单元具有旁路功能。当某个单元发生熔断器故障、过热和 IGBT 故障而不能继续工作时，该单元及其另外两相相应位置上的单元将自动旁路，此时
7、Q1Q4 封锁输出，可控硅 k 导通，以保证变频器连续工作，并发出旁路告警。单元旁路时，变频器因运行单元数量减少，额定输出电压能力将降低，但当变频器本身运行频率较低，如 6kV 系列运行频率低于 40Hz，10kV 系列运行频率低于 43.7Hz 时，变频器将自动提高工作单元的输出电压，而保证变频器输出性能不变，实现无扰动自动旁路。对于风机水泵类负载，因轴功率与转速的立方成正比，如 6kV 系列一级单元旁路时，输出能力为额定的 80%，因此运行频率低于 46.4Hz 时，变频器仍能满足输出要求。实际上变频器选型时留有一定的余量，此频率要更高些。当负载较大，变频器旁路后满足不了输出要求时，变频器
8、将自动降低运行频率，直到输出电流在允许范围内（如额定电流） 。表 2-2：一级单元旁路运行特性低于此频率时输出不变（Hz）变频器系列满载时降容率（%）恒转矩负载风机水泵类负载3kV33.333.334.76kV204046.410kV11.144.448.12.3 控制系统控制系统控制系统由控制器（包括三块光纤板，一块信号板，一块主控板） ，PLC 和平板电脑组成，各部分之间的联系如图 2.10 BORUI 变频器控制系统结构图所示。功率单元10 电动机单元A9单元A8隔离变压器输入电源单元A2单元A1单元B1单元C9单元C8单元C2单元C1单元B2单元B8单元B9光纤板(3) ABC信号板输
9、出电流取样分压电阻主控板PLC信号平板电 脑/操作 界面现场系统，通讯协议信号图 2.10 BORUI 变频器控制系统图（10kV 系列）光纤板通过光纤与功率单元传递数据信号，每块光纤板控制一相的所有单元。光纤板周期性向单元发出脉宽调制（PWM）信号或工作模式。单元通过光纤接收其触发指令和状态信号，并在故障时向光纤板发出故障代码信号。信号板采集变频器的输入电压、电流和输出电压、电流信号，并将模拟信号隔离、滤波和量程转换。转换后的信号用于变频器控制、保护，以及提供给平板电脑数据采集板。主控板采用高速单片机，完成对电机控制的所有功能，运用正弦波空间矢量方式产生脉宽调制的三相电压指令。通过 RS23
10、2 通讯口与平板电脑交换数据，提供变频器的状态参数，并接受来自平板电脑的参数设置。平板电脑采用 WIN2000 操作系统，为用户提供友好操作界面，负责数据采集、信息处理和与外部的通讯联系，可选上位监控而实现变频器的网络化控制。通过 32 通道高速数据采集卡采集来自信号板的模拟信号，计算出电流、电压、功率、功率因数等运行参数，提供表计功能和波形显示功能，并实现对电机的过载、过流告警和保护。通过 RS232 通讯口与主控板连接，通过 RS485 通讯口与 PLC 连接，实时监控变频器系统的状态。PLC 用于变频器内部开关信号以及现场操作信号和状态信号的逻辑处理，增强了变频器现场应用的灵活性。PLC 有处理 2 路模拟量输入和 2 路模拟量输出的能力，模拟量输入用于处理来自现场的流量、压力等模拟信号或模拟设置时的设置信号；模拟输出量可以是运行频率、电流、电压、功率、功率因数等。PLC 还可以完成 PID 功能。
