高壓變頻器（High Voltage Variable Frequency Drive，簡稱HV VFD）是一種用于調(diào)節(jié)高電壓和高功率電機(jī)轉(zhuǎn)速的設(shè)備。它由多個(gè)部分組成，包括整流器、逆變器、濾波器、PID控制器、保護(hù)電路等。

1. 整流器

整流器主要作用是將交流電源轉(zhuǎn)化為直流電源，以便后續(xù)電路進(jìn)行下一步操作。在HV VFD電路中，整流器通常是通過三相橋式整流電路來實(shí)現(xiàn)的。在這個(gè)過程中，變頻器會獲得一個(gè)十分穩(wěn)定的直流電源，以便后續(xù)電路的操作和穩(wěn)定性。

2. 逆變器

逆變器是HV VFD電路中最重要的部分之一。其主要作用是將整流器所輸出的直流電源轉(zhuǎn)化為交流電源，以便GTA電機(jī)轉(zhuǎn)動。逆變器提供了非常精確的控制信號，可以精確地控制輸出頻率、電壓和電流，以滿足各種不同負(fù)載的要求。

3. 濾波器

濾波器用于去除逆變器輸出的高頻噪音以及其他干擾信號，確保電機(jī)順利工作并延長電機(jī)壽命。對于HV VFD電路而言，濾波器的重要性不能被忽視。它可以消除電動機(jī)本身產(chǎn)生的EMI和RFI，以及降低電源噪音的影響。

4. PID控制器

PID控制器主要作用是控制電機(jī)的速度和轉(zhuǎn)矩，使其在不同負(fù)載下保持穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。它根據(jù)電機(jī)的狀態(tài)和負(fù)載變化來改變逆變器的輸出頻率，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的速度控制。PID控制器通過精細(xì)的調(diào)節(jié)可以獲得高質(zhì)量的電機(jī)控制。

5. 保護(hù)電路

保護(hù)電路是HV VFD電路中的最后一個(gè)組成部分。它的作用是保護(hù)電機(jī)、變頻器和電源不受任何損害。當(dāng)電流、電壓、溫度或其他指標(biāo)超過安全范圍時(shí)，保護(hù)電路會實(shí)時(shí)控制電機(jī)和變頻器的輸出，以保障整個(gè)系統(tǒng)的安全性。

除了上述主要組成部分外，HV VFD電路還包括數(shù)據(jù)處理單元、輸入輸出接口、故障診斷和監(jiān)控系統(tǒng)等其他可選的構(gòu)件。

高壓大功率變頻調(diào)速裝置被廣泛地應(yīng)用于大型礦業(yè)生產(chǎn)廠、石油化工、市政供水、冶金鋼鐵、電力能源等行業(yè)的各種風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)、軋鋼機(jī)等。

在冶金、化工、電力、市政供水和采礦等行業(yè)廣泛應(yīng)用的泵類負(fù)載，占整個(gè)用電設(shè)備能耗的40%左右，電費(fèi)在自來水廠甚至占制水成本的50%。這是因?yàn)椋阂环矫妫O(shè)備在設(shè)計(jì)時(shí)，通常都留有一定的余量；另一方面，由于工況的變化，需要泵機(jī)輸出不同的流量。隨著市場經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和自動化，智能化程度的提高，采用高壓變頻器對泵類負(fù)載進(jìn)行速度控制，不但對改進(jìn)工藝、提高產(chǎn)品質(zhì)量有好處，又是節(jié)能和設(shè)備經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的要求，是可持續(xù)發(fā)展的必然趨勢。對泵類負(fù)載進(jìn)行調(diào)速控制的好處甚多。從應(yīng)用實(shí)例看，大多已取得了較好的效果(有的節(jié)能高達(dá)30%-40%)，大幅度降低了自來水廠的制水成本，提高了自動化程度，且有利于泵機(jī)和管網(wǎng)的降壓運(yùn)行，減少了滲漏、爆管，可延長設(shè)備使用壽命。

調(diào)節(jié)方法

泵類負(fù)載的流量調(diào)節(jié)方法及原理

泵類負(fù)載通常以所輸送的液體流量為控制參數(shù)，為此，常采用閥門控制和轉(zhuǎn)速控制兩種方法。

閥門控制

這種方法是借助改變出口閥門開度的大小來調(diào)節(jié)流量的。它是一種相沿已久的機(jī)械方法。閥門控制的實(shí)質(zhì)是改變管道中流體阻力的大小來改變流量。因?yàn)楸玫霓D(zhuǎn)速不變，其揚(yáng)程特性曲線H－Q保持不變，如圖1所示。

當(dāng)閥門全開時(shí)，管阻特性曲線R1－Q與揚(yáng)程特性曲線H－Q相交于點(diǎn)A，流量為Qa，泵出口壓頭為Ha。若關(guān)小閥門，管阻特性曲線變?yōu)镽2－Q，它與揚(yáng)程特性曲線H－Q的交點(diǎn)移到點(diǎn)B，此時(shí)流量為Qb，泵出口壓頭升高到Hb。則壓頭的升高量為：ΔHb=Hb-Ha。于是產(chǎn)生了陰線部分所示的能量損失：ΔPb=ΔHb×Qb。

轉(zhuǎn)速控制

借助改變泵的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量，這是一種先進(jìn)的電子控制方法。轉(zhuǎn)速控制的實(shí)質(zhì)是通過改變所輸送液體的能量來改變流量。因?yàn)橹皇寝D(zhuǎn)速變化，閥門的開度不變，如圖2所示，管阻特性曲線R1－Q也就維持不變。額定轉(zhuǎn)速時(shí)的揚(yáng)程特性曲線Ha－Q與管阻特性曲線相交于點(diǎn)A，流量為Qa，出口揚(yáng)程為Ha。

當(dāng)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，揚(yáng)程特性曲線變?yōu)镠c－Q，它與管阻特性曲線R1－Q的交點(diǎn)將下移到C，流變?yōu)闉镼c。此時(shí)，假設(shè)將流量Qc控制為閥門控制方式下的流量Qb，則泵的出口壓頭將降低到Hc。因此，與閥門控制方式相比壓頭降低了：ΔHc=Ha-Hc。據(jù)此可節(jié)約能量為：ΔPc=ΔHc×Qb。與閥門控制方式相比，其節(jié)約的能量為：P=ΔPb+ΔPc=(ΔHb－ΔHc)×Qb。

將這兩種方法相比較可見，在流量相同的情況下，轉(zhuǎn)速控制避免了閥門控制下因壓頭的升高和管阻增大所帶來的能量損失。在流量減小時(shí)，轉(zhuǎn)速控制使壓頭反而大幅度降低，所以它只需要一個(gè)比閥門控制小得多的，得以充分利用的功率損耗。

效率分析

泵機(jī)在變速下的效率分析

隨著轉(zhuǎn)速的降低，泵的高效率區(qū)段將向左方移動。這說明，轉(zhuǎn)速控制方式在低速小流量時(shí)，仍可使泵機(jī)高效率運(yùn)行。

在變頻狀態(tài)下供水方式的研究

在由多點(diǎn)、多泵站構(gòu)成的供水系統(tǒng)中，需對泵站出口的壓頭進(jìn)行控制，以便與管網(wǎng)系統(tǒng)適配，達(dá)到更好的系統(tǒng)性能指標(biāo)，這可以分為恒壓供水、變壓供水和分時(shí)段變壓供水。

恒壓供水

使泵站出口壓頭維持不變，是該系統(tǒng)控制的目標(biāo)。在圖4中，給定出口壓頭為Hg。

當(dāng)流量Q變動時(shí)，因轉(zhuǎn)速變化導(dǎo)致?lián)P程特性H1－Q上下移動，泵的工作點(diǎn)將在H=Hg線上作水平移動（A、B、C、D）。這雖然滿足了流量的要求，但因?yàn)楣茏杼匦訰變陡，造成了能量浪費(fèi)。

恒壓供水系統(tǒng)實(shí)施比較方便，易于和多泵站供水的中、大型管網(wǎng)系統(tǒng)相協(xié)調(diào)，具有一定的通用性，和實(shí)用性，所以有些裝備調(diào)速泵機(jī)的自來水廠樂于采用此法，在恒壓控制方式下，因泵站出口處的壓頭維持不變，使泵并聯(lián)特性與負(fù)載的實(shí)際特性之間有一定的差距，節(jié)能效果不如變壓供水系統(tǒng)。

變壓供水方式

為了節(jié)約能量，應(yīng)盡量使出口壓頭隨著流量的減小而降低(至少不能升高)，此時(shí)可采用泵站出口端“變壓供水”方式，如圖5所示。在圖中，因轉(zhuǎn)速下降時(shí)揚(yáng)程特性下移，與管阻特性R1－Q相交于點(diǎn)C，流量從Qa減小到Qc（設(shè)流量Qc與恒壓控制時(shí)的QB相等）。變壓控制形成了較大的壓差H=Hac，因而可節(jié)約如圖5陰線部分所示的能量。變壓供水因出口壓頭降低，抑制了管阻特性變化所贊成的損耗及水泵的附加損耗，節(jié)能效果顯著。

高壓變頻器的種類繁多，其分類方法也多種多樣。按著中間環(huán)節(jié)有無直流部分，可分為交交變頻器和交直交變頻器；按著直流部分的性質(zhì)，可分為電流型和電壓型變頻器；按著有無中間低壓回路，可分為高高變頻器和高低高變頻器；按著輸出電平數(shù)，可分為兩電平、三電平、五電平及多電平變頻器；按著電壓等級和用途，可分為通用變頻器和高壓變頻器；按著嵌位方式，可分為二極管嵌位型和電容嵌位型變頻器等等。

電流型

由于在變頻器的直流環(huán)節(jié)采用了電感元件而得名，其優(yōu)點(diǎn)是具有四象限運(yùn)行能力，能很方便地實(shí)現(xiàn)電機(jī)的制動功能。缺點(diǎn)是需要對逆變橋進(jìn)行強(qiáng)迫換流，裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)整較為困難。另外，由于電網(wǎng)側(cè)采用可控硅移相整流，故輸入電流諧波較大，容量大時(shí)對電網(wǎng)會有一定的影響。

高壓型

由于在變頻器的直流環(huán)節(jié)采用了電容元件而得名，隨著技術(shù)的進(jìn)步，高壓變頻器可以實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行，也能實(shí)現(xiàn)矢量控制，已經(jīng)成為當(dāng)前傳動系統(tǒng)調(diào)速的主流產(chǎn)品。

高低高型

采用升降壓的辦法，將低壓或通用變頻器應(yīng)用在中、高壓環(huán)境中而得名。原理是通過降壓變壓器，將電網(wǎng)電壓降到低壓變頻器額定或允許的電壓輸入范圍內(nèi)，經(jīng)變頻器的變換形成頻率和幅度都可變的交流電，再經(jīng)過升壓變壓器變換成電機(jī)所需要的電壓等級。

這種方式，由于采用標(biāo)準(zhǔn)的低壓變頻器，配合降壓，升壓變壓器，故可以任意匹配電網(wǎng)及電動機(jī)的電壓等級，容量小的時(shí)候（<500KW）改造成本較直接高壓變頻器低。缺點(diǎn)是升降壓變壓器體積大，比較笨重，頻率范圍易受變壓器的影響，還有就是由于引入了變壓器使得系統(tǒng)效率比較低。

一般高低高變頻器可分為電流型和電壓型兩種。

高電流型

電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，在低壓變頻器的直流環(huán)節(jié)由于采用了電感元件而得名。輸入側(cè)采用可控硅移相控制整流，控制電動機(jī)的電流，輸出側(cè)為強(qiáng)迫換流方式，控制電動機(jī)的頻率和相位。能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的四象限運(yùn)行。

高電壓型

前段引入降壓變壓器，將電網(wǎng)降壓，然后連接低壓變頻器。低壓變頻器輸入側(cè)可采用可控硅移相控制整流，也可以采用二極管三相橋直接整流，中間直流部分采用電容平波并儲能。逆變或變流電路常采用IGBT元件，通過SPWM變換，即可得到頻率和幅度都可變的交流電，再經(jīng)升壓變壓器變換成電機(jī)所需要的電壓等級。需要指出的是，在變流電路至升壓變壓器之間還需要置入正弦波濾波器(F)，否則升壓變壓器會因輸入諧波或dv/dt過大而發(fā)熱，或破壞繞組的絕緣。該正弦波濾波器成本很高，一般相當(dāng)于低壓變頻器的1/3到1/2的價(jià)格。

高高變頻

高高變頻器無需升降壓變壓器，功率器件在電網(wǎng)與電動機(jī)之間直接構(gòu)建變換器。由于功率器件耐壓問題難于解決，目前最直接的做法是采用器件串聯(lián)的辦法來提高電壓等級，其缺點(diǎn)是需要解決器件均壓和緩沖難題，技術(shù)復(fù)雜，難度大。但這種變頻器由于沒有升降壓變壓器，故其效率較高低高方式的高，而且結(jié)構(gòu)比較緊湊。

高高電流

它采用GTO，SCR或IGCT元件串聯(lián)的辦法實(shí)現(xiàn)直接的高壓變頻，電壓可達(dá)10KV。由于直流環(huán)節(jié)使用了電感元件，其對電流不夠敏感，因此不容易發(fā)生過流故障，逆變器工作也很可靠，保護(hù)性能良好。其輸入側(cè)采用可控硅相控整流，輸入電流諧波較大。變頻裝置容量大時(shí)要考慮對電網(wǎng)的污染和對通信電子設(shè)備的干擾問題。均壓和緩沖電路，技術(shù)復(fù)雜，成本高。由于器件較多，裝置體積大，調(diào)整和維修都比較困難。逆變橋采用強(qiáng)迫換流，發(fā)熱量也比較大，需要解決器件的散熱問題。其優(yōu)點(diǎn)在于具有四象限運(yùn)行能力，可以制動。

需要特別說明的是，該類變頻器由于較低的輸入功率因數(shù)和較高的輸入輸出諧波，故需要在其輸入輸出側(cè)安裝高壓自愈電容。

高高電壓

電路結(jié)構(gòu)采用IGBT直接串聯(lián)技術(shù)，也叫直接器件串聯(lián)型高壓變頻器。其在直流環(huán)節(jié)使用高壓電容進(jìn)行濾波和儲能，輸出電壓可達(dá)13.8KV，其優(yōu)點(diǎn)是可以采用較低耐壓的功率器件，串聯(lián)橋臂上的所有IGBT作用相同，能夠?qū)崿F(xiàn)互為備用，或者進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)。缺點(diǎn)是電平數(shù)較低，僅為兩電平，輸出電壓dV/dt也較大，需要采用特種電動機(jī)或加裝共模電壓濾波器和高壓正弦波濾波器，其成本會增加許多。由于它與低壓變頻器有著一樣的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因此它像低壓變頻器一樣具有四象限運(yùn)行功能，也可以實(shí)現(xiàn)矢量控制。

這種變頻器同樣需要解決器件的均壓問題，一般需特殊設(shè)計(jì)驅(qū)動電路和緩沖電路。對于IGBT驅(qū)動電路的延時(shí)也有極其苛刻的要求。一旦IGBT的開通、關(guān)閉的時(shí)間不一致，或者上升、下降沿的斜率相差太懸殊，均會造成功率器件的損壞.

嵌位型

鉗位型變頻器一般可分為二極管鉗位型和電容鉗位型。

二極管型

它既可以實(shí)現(xiàn)二極管中點(diǎn)嵌位，也可以實(shí)現(xiàn)三電平或更多電平的輸出，其技術(shù)難度較直接器件串聯(lián)型變頻器低。由于直流環(huán)節(jié)采用了電容元件，因此它仍屬于電壓型變頻器。這種變頻器需要設(shè)置輸入變壓器，它的作用是隔離與星角變換，能夠?qū)崿F(xiàn)12脈沖整流，并提供中間嵌位零電平。通過輔助二極管將IGBT等功率器件強(qiáng)行嵌位于中間零電平上，從而使IGBT兩端不會因過壓而燒毀，又實(shí)現(xiàn)了多電平的輸出。

這種變頻器結(jié)構(gòu)，輸出可以不安裝正弦波濾波器。但是由于采用了變壓器，成本上有所增加。

電容型

它采用同橋臂增設(shè)懸浮電容的辦法實(shí)現(xiàn)了功率器件的嵌位，這種變頻器應(yīng)用的比較少。

電力：引風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)、吸塵風(fēng)機(jī)、增壓風(fēng)機(jī)、排粉機(jī)、給水泵、循環(huán)水泵、凝結(jié)水泵、渣漿泵

冶金：除塵風(fēng)機(jī)、通風(fēng)機(jī)、泥漿泵、除垢泵

石化：注水泵、電潛泵、輸油泵、管道泵、排風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、除垢泵

水務(wù)：供水泵、取水泵

環(huán)保：污水泵、凈化泵、清水泵

水泥：窯爐引風(fēng)機(jī)、壓力送風(fēng)機(jī)、冷卻器吸塵機(jī)、生料碾磨機(jī)、供氣風(fēng)機(jī)、冷卻器排風(fēng)機(jī)、分選器風(fēng)機(jī)、主吸塵風(fēng)機(jī)

造紙：打漿機(jī)

制藥：清洗泵、一次風(fēng)機(jī)、二次風(fēng)機(jī)

采礦：排水泵、排風(fēng)扇、介質(zhì)泵、渣漿泵