PowerFlex6000变频器用户手册.pdf

1 前言 前 言 首先， 非常感谢您选用PowerFlex 6000系列高压变频器， 它系罗克韦尔自动化公司 （简称RA公司） 荣誉出品。 RA 公司严格贯彻执行 ISO9001-2000 国际质量保证体系标准，产品性能可靠，已在电力能源、冶金钢铁、 市政供水、石油化工等行业大量应用。 PowerFlex 6000 系列高压大功率调速产品已经通过了国家电控配电设备质量监督检验中心的严格检测，性 能优良，对电网和电机的谐波污染极小，被誉为“无谐波的绿色变频器”。 该产品在出厂前已经进行了严格的测试和检验，为合格产品，请放心使用。在安装及使用前，请您仔细 阅读本使用手册，并妥善保管，必要时应请厂家技术人员指导安装和设备调试。 2 安全说明 与安全有关的符号说明 是指，如果不按规程操作或不采取适当的防护措施，将会造成严重的人身 伤亡事故及设备损坏。 ! 警告 是指，如果操作不当或不采取适当的防护措施，可能会导致严重的人身伤 害事故及设备损坏。 ! 当心 是指，如果操作不当或不采取适当的防护措施，可能会导致轻度或中度的 人身伤害及设备损坏。 ! 注意 是指，本用户使用手册中需特别引起注意的内容。 3 安全注意事项 1. 接到产品后，先确认外包装。受损的外包装，请勿接收货物。 有设备损坏的可能。 2. 打开外包装后，确认设备是否损坏。受损的变频器，请勿安装。 有人员受伤及损坏设备的危险。 3. 打开外包装后，请您核对设备。如有缺少，请与厂家联系，切勿安装。 有人员受伤及损坏设备的危险。 确认 ! 注意 安装 1. 只有具备变频器专业知识，熟悉高压变频设备，使用过该类产品的人员才能进行变频器的安装、启动、操作、 故障排除或维修等工作。必要时，需请厂家协助解决。 有人员受伤的危险。 2. 安装高压变频器必须按照有关的安全规定及规程进行。必须正确接地，正确选择电缆截面及型号，采取相 应的短路保护及过压保护措施，来确保高压变频器运行的安全性。 有人员受伤的危险。 3. 搬运时，请托住柜体底部。 有损坏设备的危险。 4. 请安装在室内，远离水源。 有火灾的危险。 5. 变频器安装时，请选择环境温度低于 40的场所。 由于过热，会引起火灾或其他事故。 6. 请将本变频器安装室内。 有损坏设备的危险。 ! 当心 安全说明 4 安全说明 1. 请确认交流主回路电源与变频器的额定电压是否一致。 有受伤和火灾的危险。 2. 请勿对变频器进行耐压试验。 会造成半导体元器件等的损坏。 3. 请按接线图连接控制电源，并确认其电压等级。 有火灾的危险。 4. 请将接线端子拧紧，并检查所有紧固件。 有火灾的危险。 5. 请勿将高压输入电源线接到变频器输出 U、V、W 端子上。 电压加在输出端子上，会导致变频器的内部损坏。 6. 请勿将切分变压器副边绕组与功率单元连接的次序弄混。 会导致变频器的内部损坏 ! 注意 连线 1. 接线人员应选择专业的电气工程师。 有触电和引起火灾的危险。 2. 接线前，请确认所有电源已切断，接地端子要可靠接地。 有触电和火灾的危险。 3. 紧急停车功能接入后，一定要检查其动作是否有效。 有受伤的危险。（接线责任由使用者承担） 4. 请勿直接靠近或触摸输出端子，变频器的输出端子切勿与外壳连接，输出端子之间切勿短接。 有触电及引起短路的危险。 5. 请确认所有柜体接地电阻应小于 4。 有触电及引起短路的危险。 6. 接线完毕后，请确认工具是否遗留柜体内。 有引起短路的危险。 5 运行 1. 在正常运行时，所有电气柜门必须关闭。 有触电的危险。 2. 请接入紧急停止开关。 有受伤的危险。 3. 请将绝缘垫置于柜前。 有触电的危险。 4. 非专职人员请勿操作本变频器。 有触电或误动作的危险。 5. 操作时请保持手臂干燥。 有触电受伤的危险。 6. 请确保环境温度不能高于 40。 有过热停机的危险。 安全说明 1. 不要以为关断输入开关后柜内就不存在电压了，电压仍然存在于输入开关的端子上。 有触电的危险。 2. 不要带电连接或断开任何仪表、电缆、印制线路板。 可能导致变频器内部的损坏。 3. 测量柜内器件时要格外小心，千万注意防止表棒引起短路。 有触电的危险及可能导致变频器内部的损坏。 4. 使用万用表之前，检查表棒及连线的绝缘性能。 有触电的危险。 5. 请勿在运行中直接对功率主回路进行测量。 有触电的危险。 6. 运行中请勿动光纤。 有损坏设备的危险。 7. 运行中请勿关断控制电源。 有损坏设备的危险。 ! 警告 6 安全说明 1. 键盘板、控制电路板、驱动电路板上的电路，请特别注意。 用手指直接触摸电路板，静电可能损坏电路板上的集成芯片。 2. 通电中，请勿变更接线及拆卸端子接线。 有触电的危险。 3. 运行中，请勿检查信号。 有损坏设备的危险。 ! 注意 保养、检查 1. 当进行带电测量时，决不能触摸带电导体，将手腕和手指上的手表、戒指等取下来，确保测量工作安全。 有触电的危险。 2. 当对带电装置进行工作时，要站在绝缘的平面上，确保没有接地。 有触电的危险。 3. 请勿触摸变频器的接线端子，端子上有高电压。 有触电的危险。 4. 切断主回路电源，方可进行保养、检查。 注意电解电容上残余电压的危险。 5. 在进行检查和测量之前，必须将电源断开并锁定。在高压断开后一段时间内，功率单元仍有高压存在，非 常危险，必须确定电容已充分放电。 有触电的危险。 6. 非专业技术人员，请勿进行保养、检查工作。 有触电的危险。 7 第 1 章 产品概要 本章主要介绍 PowerFlex 6000 系列变频器的系统规范及构成 1.1 系统概述 PowerFlex 6000 系列高压大功率变频器，为电压源型高压变频器。它采用多脉冲整流、多重化 PWM、单 元串联叠加的多电平拓扑结构。具有高功率因数、低谐波污染的特点，输入和输出电流波形均接近正弦波。 PowerFlex 6000 系列高压大功率变频器是应用现代电力电子技术、电力拖动技术以及计算机控制技术等研 制开发的高效节能型产品。它采用了先进的输入隔离移相技术、优化的串联多重叠加技术、独特的单相桥式逆 变技术、优秀的光纤传导技术、完善的过电压保护技术、波形连续变换技术以及远程通讯控制技术等等，这些 技术大部分已经申请了国家专利。 1.1.1 功能概要 PowerFlex 6000 系列变频器主要适用于离心类负载，对此它有如下功能： 具有彩色液晶屏的全中文操作界面，图形显示，人机界面友好。 可以实现本地、远程操作自由选择。 提供系统的旁路功能。 内置 PID 调节器，可以实现闭环控制。 具有完善的保护功能，变频器发生短路、接地、过流、过载、过压、欠压、过热等故障时，系统均能及时 报警或保护。 可以实现触摸屏、数字键盘、模拟电位器、远程 DCS 等多种频率设定方式，适应各种用户需求。 具有与用户隔离的开关量模拟量输入输出接口，确保了与用户现有设备的可靠连接。 具有冷却风机缺相保护功能。 具有变压器过热报警、保护功能。 1.1.2 系统特点 PowerFlex 6000 系列变频器是高品质的专用型调速产品，具有以下特点 : 全系列模块化设计，外形美观，结构紧凑。 采用优化空间矢量 PWM 控制，输出波形接近正弦波，谐波成份很小，运行平稳，对电机不会产生谐波影响。 功率因数高，无需功率因数补偿装置。 输入谐波小，对供电系统不会产生明显的谐波畸变。 由于输出电平数非常多，dv/dt 很小，不会对电机的绝缘产生影响。 采用最新一代 IGBT 功率模块，压差低，损耗小，效率高。 瞬时输出电压自动调整，即使电网存在相当的波动，输出电压也基本保持不变。 采用高速 DSP 控制，使得指令在纳秒级完成。 核心的电子元器件，均采用进口名牌产品。 8 第 1 章 产品概要 1.1.3 适用标准 设备的制造、试验、验收等所遵循的技术规范及相关标准： （1）GB3859.1-93 半导体电力变流器基本要求的规定 （2）GB7678-89 半导体自换相变流器 （3）GB3797-89 电控设备（第二部分） （4）GB12668-90 交流电动机半导体变频调速装置总技术条件 （5）GB/T14549-93 公用电网谐波 （6）IEC60146-1-1 半导体变流器 （7）IEEE519 电气和电子工程师学会谐波控制要求 （8）GB1094.1-1094.5 电力变压器 （9）GB6450 干式变压器 1.1.4 适用范围 PowerFlex 6000 系列高压大功率变频器可广泛用于下列场合： 电力行业：锅炉给水泵、送风机、引风机等。 石化行业：大型输油泵等。 冶金行业：高炉鼓风机、除尘风机等。 采矿行业：矿井的排水泵和排风扇等。 制药行业：清洗泵等。 水泥行业：吸尘风机、引风机、送风机、冷却风机等。 市政行业：自来水供水泵等。 9 产品概要 第 1 章 1.2 产品系列及规范 PowerFlex 6000 系列高压变频器，具有 3KV、6KV 和 10KV 三种电压等级。 3KV 系列变频器的一般适用电机功率范围为：310KW 1600KW。6KV 系列变频器的一般适用电机功率范 围为：200KW 3450KW。10KV 系列变频器的一般适用电机功率范围为：200KW 5600KW。 更大输出功率的变频器也可以根据电机情况进行定制。 1.2.1 PowerFlex 6000 系列变频器的型号定义 PowerFlex 6000 MV 变频器目录号说明 第一位置第二位置第三位置第四位置第五位置第六位置第七位置 发布号 （ 请 参 阅 表 A-1） 工 作 负 载 / 海 拔高度额定值 代码 （ 请 参 阅 表 A-2） 额定电流 （ 请 参 阅 表 A-3） 防护等级 （ 请 参 阅 表 A-4） 额定线电压 控制电压系统 频率 （ 请 参 阅 表 A-5） 功率单元配置 （ 请 参 阅 表 A-6） 可选项 （见 PowerFlex6000 中压变频器选 项列表） 6000 -6A 40 6D - A - N - 1-etc 表 A-1 目录号说明 代码说明 6000适用于所有产品 表 A-2 工作负载额定值和海拔高度额定值代码 工作负载额定值和海拔高度额定值代码 6A = 标准负载 最高环境温度 40 C 时，海拔高度 0-1000 m 6B = 标准负载 海拔高度 1001-3000 m（最高环境温度40C 时） 需降额运行值： 海拔高度 1001-2000 m 时，降额 10% 海拔高度 2001-3000 m 时，降额 20% 6J = 标准负载，海拔高度 0-1000 m 最高环境温度 50 C / 功率降额值（待定） 6Z = 自定义配置（请与厂家联系） 10 第 1 章 产品概要 表 A-3 电机额定电流 / 功率单元额定电流代码 代码说明 3030 Amp 4040 Amp 5050 Amp 6060 Amp 7575 Amp 8080 Amp 100100 Amp 120120 Amp 150150 Amp 180180 Amp 200200 Amp 300300 Amp 380380 Amp 450450 Amp 表 A-4 防护等级 代码说明 6DIP31 6KIP42 表 A-5 额定线电压、控制电压、系统频率 代码 电压 频率 (Hz)额定线电压 控制 电源电压 CDY 3KV 110V 50 CDP220V JDY 6KV 110V JDP220V50 PDY 10KV 110V 50PDP220V 表 A-6 功率单元配置 代码额定线电压 功率单元数 量（台） 整流脉冲数 量 N 3KV918 6KV1530 10KV2448 M 3KV1224 6KV1836 10KV2754 1.2.2 PowerFlex 6000 系列变频器的容量表 PowerFlex 6000 系列高压变频器的型号及容量请和当地的供货商联系。 11 1.2.3 PowerFlex 6000 系列变频器的技术规范 PowerFlex 6000 系列高压变频器的技术规范如表 1-2 所示： 产品概要 第 1 章 说明技术规范 输入电压额定值3KV，6KV，10KV 输入电压波动范围10% 输入频率50HZ，60HZ 输入功率因数 0.95 变频器整机效率 96% 输入电流谐波（THD）5% 输出电压额定值3KV，6KV，10KV 输出电压范围0 50HZ，0 60HZ 输出频率分辨率0.01HZ 输出频率稳定精度0.1% 输出功率额定值 3KV 315 1600KW （400 2000KVA） 6KV 200 3450KW （250 4200KVA） 10KV 200 5600KW （250 7000KVA） 输出电流谐波（THD）5% 过载能力120% 1min 加减速时间0.1 3200 s, 可参数设定 环境温度0 40 摄氏度 相对湿度90%， 无冷凝 海拔高度0 1000m 空气污染程度干燥不导电 机壳保护IP31 冷却方式强制风冷 人机界面触摸屏 开关量信号输入规格及数量DC24V, 8 路，可增加 开关量信号输出规格及数量AC220V/5A, 干接点 , 8 路，可增加 模拟量信号输入规格及数量0 5V，4 20mA 可选 , 1 路，可增加 模拟量信号输出规格及数量0 5V，4 20mA 可选 , 2 路，可增加 表 1-2 输入侧输出侧使用环境客户选项 12 第 1 章 产品概要 1.3 设备的基本构成 PowerFlex 6000系列高压变频调速系统主要由控制柜、 功率单元柜、 隔离移相变压器、 远控操作箱 （可选） 、 旁路开关柜（可选）等部分组成。如图 1-2 所示： 1 变压器柜 2 功率柜 3 控制柜 4 触摸屏 5 控制按钮 6 通风口 图 1-2 PowerFlex 6000 系列变频器整体外型 1.3.1 控制柜 控制柜主要由主控制器、人机界面（彩色触摸屏）、PLC、开关电源、空气开关、接触器、继电器等组成。 主控制器，由信号传输底板、CPU 单元、3 个相控单元及开关量、模拟量的输入、输出子模块等组成。它 是变频器的控制核心，由两片 DSP 及多片 FPGA、CPLD 等构成，通过优质光纤将 PWM 信号传送到功率单元中， 从而实现了高可靠的控制。 人机界面，设在控制柜前门上，用来提供设置、监视和切换等操作，使用彩色触摸屏操作方式，操作简单。 PLC，内置 PID 调节模块和程序，可以实现闭环控制。它还含有模拟量、开关量模块，其路数可根据用户 要求进行定制。 主控制器的外观如图 1-3 所示： 01 光纤插孔 02 板卡拉手 03 板卡螺丝 04 备用接口 05 触摸屏 06 电源指示 07 工作状态 08 电源端子 09 收发指示灯 10 相控板 A 11 相控板 B 12 相控板 C 13 主控板 14 模拟量接口板 15 数字量接口板 16 状态指示灯 17 接口端子 图 1-3 主控制器的外观 13 产品概要 第 1 章 人机界面， 彩色触摸屏的外观及接口， 如图1-4所示： 图 1-4 触摸屏外观及接口 1.3.2 功率单元柜 功率单元柜，主要由功率单元、电流互感器及高压电缆等组成。 以 6KV 变频为例：功率单元，共计 18 台，平均分属 3 个相（自上而下分别为 U,V,W），每相 6 个。这 6 个单元输出端首尾相串，便形成了各个相，相间采用星形连接。电流互感器，共 2 只，分别串入功率单元星点 连接处的 U 相和 W 相上。 不同功率和电压等级的变频器，所采用的功率单元的型号是不同的，如图 1-5 所示： TPUxx/075-AC3 型功率单元 : 1、输出端 2、光纤插孔 及状态指示 3、熔断器 4、进线端 5、壳体 6、散热器 7、入线孔 图 1-5 TPUxx/075-AC3 型功率单元 14 第 1 章 产品概要 1.3.3 隔离移相变压器 隔离移相变压器为变频器的输入设备， 一般由铁心、 输入绕组、 输出绕组及冷却风机、 过热保护等部分构成。 为了兼顾防尘、维护以及美观等要求，将其安装在柜内。 PowerFlex 6000 系列高压变频器选用的变压器，其绝缘等级一般为 H 极，绝缘材料部分选用进口的美国 杜邦公司优质产品。 变压器的原边为星形连接，在最内侧。副边在外侧，为沿边三角形连接，根据不同的电压等级，一般有 9、 18 或 27 个三相的副边绕组。在原副边绕组之间另设有一层接地屏蔽层。副边的三相绕组可分为三大组，分别 供给功率单元柜中的三个相，每一大组中各个三相小绕组其输出电压幅值相同，之间的相位移有 20O、10O 或 6.6O。 变压器柜另配有温度监测装置，有 3 个感温探头，来测试隔离移相变压器的温度，并提供报警或保护节点， 在绕组温度超过警戒温度时能提供过热警告信号和过热故障信号。变压器柜顶部装有引风机以排出变压器在工 作时产生的热量。柜门安装有防尘网。 隔离移相变压器外形如图 1-6 所示： 图 1-6 隔离移相变压器 1.3.4 远控操作箱（选配） 可根据用户进行定制，也可以采用彩色触摸屏方式。 1.3.5 旁路开关柜（选配） 同时提供与 PowerFlex 6000 系列高压变频装置配套的工频手动或自动旁路柜，可根据用户要求进行定制， 手动、自动可选。 15 第 2 章 安装与接线 本章简要介绍 PowerFlex 6000 变频器的安装与接线 2.1 产品确认 拿到产品时，请确认下表中所列项目： 1. 受损的变频器及缺少零部件的变频器，切勿安装。 有受伤的危险。 ! 注意 表 2-1 确认项目确认方法 与订购的商品是否一致请确认 PowerFlex 6000 铭牌 是否有受损的地方查看整体外观，检查运输中是否受损 螺丝等紧固部分是否有松动必要时，用螺丝刀检查一下 如有不良情况，请与本公司业务部门联系。 16 第 2 章 安装与接线 2.2 安装环境的要求和管理 2.2.1 安装现场 安装变频器的地点应满足通风散热和操作的要求。变频器背面离墙的距离不小于 1000mm，正面离墙的距 离不小于 1.5 米。变频器顶部（从风机顶部算起）到屋顶的距离不小于 1000mm。 2.2.2 环境标准 变频器安装在电气室内，工作环境温度为 0 40oC。由于工作中变频器将散发出大量热量（约为电动机 每 100KW 散发出 3.5KW 热量），电气室要配备通风或空调装置。 环境湿度最高为相对湿度 95%，要避免凝露，例如在潮湿季节，特别是当变频器不工作时，不要将室内 温度降得太低。 安装高度应小于或等于海拔 1000 米，若超过 1000 米应降容使用，请咨询本公司。 安装地点应无明显的振动，室内仅允许有少量干燥、非导电尘埃，不得有过量灰尘、腐蚀或爆炸性气体 或导电尘埃。 2.2.3 防范措施 安装作业时，请将变频器盖上防尘罩，防止钻孔等产生的金属碎片落入变频器内部，安装结束后，请撤 去防尘罩。 各电气柜底部四角都有地脚螺钉孔，可用来固定柜体。 如果地面不平整， 变频器柜外壳可能发生变形， 由于柜跨距较大， 可能导致门发生错位， 甚至无法正常开关。 17 安装与接线 第 2 章 2.3 施工安装方案 2.3.1 设备的安装尺寸 变频器的外形尺寸由本公司提供 ( 尺寸详见随机图纸），如图 2-1 所示： 变频器设备安装时，考虑通风散热及操作空间的需要，整套装置背面离墙距离不得小于 1000mm，装置 顶部与屋顶空间距离不得小于 1000 mm，装置正面离墙距离不得小于 1500 mm。 所有柜体应牢固安装于基座之上，并和厂房大地可靠连接。变压器屏蔽层及接地端子 PE 也应接至厂房 大地。各柜体之间应相互连接成为一个整体。 安装过程中，要防止变频器受到撞击和震动，所有柜体不得倒置，不得倾斜。 图 2-1 2.3.2 安装电缆 电气安装主要包括柜体到现场的输入输出高压电缆、柜体之间的连接线、柜体和现场的控制及信号线的 配线。 定子电源电缆 调速电机主绕组电缆，该电缆的一端接至旁路柜，另一端接至调速电机定子绕组端。其电缆的规格详见 随机图纸中的安装施工示意图。 高压电源电缆 高压进线电缆，该电缆的一端接至旁路柜，另一端接至高压配电室中的高压操作柜。其电缆的规格详见 随机图纸中的安装施工示意图。 高压连锁电缆 高压联锁电缆是控制柜控制高压的合闸、分闸、高压合闸状态检测等对高压开关的操作。其电缆的规格 详见随机图纸中的安装施工示意图。 高压联锁电缆用于控制柜与用户高压断路器的连接，与控制柜中的高压合闸 中间继电器常开触点相连；分闸线路接至控制柜中的端子排上，同时与控制柜中的高压分闸中间继电器 常开触点相连，从而控制高压的合闸、分闸。 通过该电缆将来自用户高压断路器的一对无源接点接至控制柜中的端子， 从而实现检测高压断路器合闸状态。 交流电源电缆 交流电源是用户提供给调速控制装置的 220VAC/6KVA 的单相控制电源，作为控制装置的控制电源，其电 源来自用户低压配电室，通过该电缆接至控制柜中的端子排上。其电缆的规格详见随机图纸中的安装施工示意图。 18 远控柜操作电缆 远控柜操作电缆为用户在远控柜处对调速电机进行操作控制的操作电缆，通过该电缆将远控柜操作系统 连接至控制柜中的端子排上，实现远控柜对高压开关的合闸、分闸操作控制。其规格型号详见随机图纸中的安 装施工示意图。 客户远控柜指示电缆 远控柜指示电缆用于将调速系统的状态指示信号传至远控柜，在远控柜位置处显示调速电机的工作状态。 其规格可详见随机图纸中的安装施工示意图。 客户远控柜触摸屏通讯电缆 该电缆一端接至控制柜触摸屏，一端接至远控柜触摸屏。实现两个触摸屏通讯。其电缆的规格详见随机 图纸中的安装施工示意图。 远控柜急停电缆 该电缆一端接至控制柜。一端接远控柜。电机在运行中出现紧急情况无法正常停车时，在远控位置进行 紧急停车，使其直接作用于分闸回路。其规格可详见随机图纸中的安装施工示意图。 上位机操作电缆 该电缆一端接至控制柜。一端接至上位机。上位机操作电缆为用户在 DCS 系统处对调速电机进行操作控 制的操作电缆，通过该电缆将用户 DCS 操作系统连接至控制柜中的端子排上，实现 DCS 系统对调速电机的各 种操作控制。其规格详见随机图纸中的安装施工示意图。 上位机指示电缆 该电缆一端接至控制柜。一端接至上位机。上位机指示电缆用于将调速系统的状态指示信号传至上位机 系统，在上位机位置处显示调速电机的工作状态。其规格详见随机图纸中的安装施工示意图。 上位机转速给定电缆 通过该电缆将DCS给定信号 （来自用户420mA） 接至控制柜中的端子排， 实现DCS对变频器的转速控制。 其电缆的规格详见随机图纸中的安装施工示意图。 上位机模拟信号上传电缆 将调速系统运行中的调速电机的转速信号通过该电缆由控制柜中的端子排传至上位机 DCS 系统，供 DCS 系统采集监控。其规格详见随机图纸中的安装施工示意图。 上位机急停电缆 该电缆一端接至控制柜。一端接至上位机。电机在运行中出现紧急情况无法正常停车时，上位机系统进 行紧急停车，使其直接作用于分闸回路。其规格详见随机图纸中的安装施工示意图。 闭环反馈电缆 通过该电缆将电机调速运行中自身的闭环反馈信号（来自用户 4 20mA）接至控制柜中的端子排，实现 调速系统自身的闭环运行。其电缆的规格详见随机图纸中的安装施工示意图。 第 2 章 安装与接线 2.3.3 电气安装注意事项 输入和输出的高压电缆必须经过严格的耐压测试。 输入和输出电缆必须分开配线，防止绝缘损坏造成危险。 现场到变频器的信号线，应该与强电电线分开布线，信号线必须采用屏蔽线，屏蔽线的一端可靠接地。 保证变频器柜体和厂房大地的可靠连接，保证人员安全。 设备进行电气安装时，应为控制系统埋设专用接地极，要求接地电阻不大于 4。 测量变压器的绝缘电阻及进行工频耐压实验之前，必须断开变压器和功率单元。 19 第 3 章 系统原理 本章主要介绍 PowerFlex 6000 变频调速系统的原理 3.1 系统的单线原理图 本高压变频调速系统主要由 PowerFlex 6000 系列变频器、远控操作箱、机旁操作箱及旁路开关柜等部分 组成。其中远控操作箱、机旁操作箱和旁路开关柜为选配设备，旁路开关柜可以采用手动或自动旁路形式，根 据用户具体要求设计。 工频自动旁路系统的单线原理图如图 3-1 所示： M 图 3-1 系统的单线原理图 注：旁路开关柜中 KM1、KM2、KM3 采用高压真空接触器，QS1、QS2 采用高压隔离刀闸开关。 3.1.1 旁路系统的运行原理 如上图所示，当系统在变频方式下运行时，KM1 断开，QS1、QS2、 KM2、KM3 闭合；当系统在工频方式 下运行时，QS1、QS2、KM2、KM3 则断开，KM1 闭合。 旁路开关的作用是实现变频 / 工频运行方式的切换，以方便变频器的维护和检修。当变频器故障时，合上 旁路高压真空接触器，使电机进入工频状态运行，此时可检修变频器。但是，检修前先将 QS1、QS2 高压隔离 刀闸开关分断，有明显的断开点，充分保证检修人员的安全，然后应注意柜内尚有直流剩余电压，应待其放掉 后进行。当电机需要变频运行时，应先将电机停掉，再将旁路开关柜投向变频状态，然后启动变频器。 3.1.2 远控操作箱或机旁操作箱的运行原理 远控操作箱一般安装在电机的操作室内，能够指示变频器的运行状态，如：输出频率、输出电流等。通 过远控操作箱可以启动、停止、升速和降速变频器。 机旁操作箱安装在电机旁，也是用来监控变频器运行状态的，它是由特殊用户定制的，目前应用较少。 20 第 3 章系统原理 3.2 PowerFlex 6000 系列变频器的基本原理 PowerFlex 6000 系列高压变频器是一种单元串联、多重叠加的高 - 高型变频器，它主要由输入切分变压器、 功率单元柜和控制单元柜等三部分组成。 本高压变频器的内部连线图如图 3-2 所示： 图 3-2 内部连线图 三相高压电经用户侧的高压开关柜进入本变频器。 首先，经过输入变压器的降压、移相，然后供给功率单元柜中的功率单元。为功率单元供电的各个副边 绕组是相互独立、相互隔离的。这些单元分为三部分，每部分组成一相。在每一相中，相邻功率单元的输出端 首尾相串，这三相之间最终形成星形连接方式为高压电动机提供可变频变压的高压交流电。 21 系统原理 第 3 章 3.3 额定电压为 6KV 的变频器基本原理 以 6KV 变频器为例，论述：6KV 输出电压的变频器，每相有 6 台功率单元相串联。单元的输入电压为三 相 600V，输出则为单相 577V，单元相互串联叠加后可输出相电压 3464V。当变频器输出频率为 50HZ 时，相 电压为 13 阶梯波，如图 3-3 所示。图中 UA1 UA6 分别为 A 相 6 台功率单元的输出电压，叠加后为变频器 A 相输出电压 UA0。图中显示出了生成 PWM 控制信号时所采用 A 相参考电压 UAr，可以看出 UA0 很好地逼近 UAr。UAF 为 A 相输出电压中的基波成分。 图 3-3 由于变频器中点与电动机中性点不连接，变频器输出实际上为线电压，由 A 相和 B 相输出电压产生的 UAB 输出线电压可达 6000V，为 25 阶梯波。如图 3-4 所示，为输出的线电压和相电压的阶梯波形，UAB 不仅 具有正弦波形而且台阶数也成倍增加，因而谐波成分及 dV/dt 均较小。 图 3-4 变频器输出的三相电压加到电动机上，使电机旋转，额定运行时电机的电压和电流如图 3-5 所示，它是经 过少量 RC 滤波后的实测波形，可看出由于输出电压的谐波很小，电机电流也很接近正弦波。 图 3-5 22 第 3 章系统原理 由于多重叠加的办法，变频器输出电压的谐波含量很小，已达到常规供电电压允许的谐波含量，不会引 起电动机的附加谐波发热。输出电压的 dV/dt 也很小，不会给电机增加明显的应力，因此可以向普通标准型交 流电动机供电，而且不需要降容使用，特别是用于旧设备改造。由于输出电压的谐波和 dV/dt 都很小，不需要 附加输出滤波器，输出电缆也可以很长。由于谐波很小，附加的转矩脉动也很小，避免了由此引起的机械共振， 传动系统及轴承的磨损也大为降低。 在变频器输入侧，由于变频器多个副边绕组的均匀位移，如 6KV 输出时共有 +250、+150、+50、-50、- 150、-250 共 6 种绕组，变频器原边电流中对应的电流成分也相互均匀位移，构成等效 36 脉动整流线路，结果 变频器输入电流中谐波含量大为减少，远低于标准规定的限值，即使在供电电网的容量较小时也能满足谐波要 求。变频器工作时的功率因数达 0.95 以上，满足了供电系统的要求。因此不需要附加电源滤波器或功率因数 补偿装置，也不会与现有的补偿电容装置发生谐振，变频器工作时不会对同一电网上运行的电气设备发生干扰， 因而被人们誉为“完美无谐波的高压变频器”。 3.3.1 控制单元的基本原理 控制单元与每台功率单元之间均采用了两根光纤进行连接和控制。它可以从 I/O 接口或通信通道接收操作 命令和给定信号，经由 CPU 板处理后，输出相应频率的 SPWM 信号给三个相控单元，在相控单元进行波形移相、 编码转换处理，然后经电 / 光转换器转换成光信号，从光发送器端口发往各功率单元。来自功率单元的应答信 息经光/电转换器转换成电信号， 预处理后送主控制器集中处理。 主控制器根据控制命令、 给定信号及运行信息、 应答信息进行运行控制、状态分析、故障诊断等运算，检测出故障后按故障性质进行故障处理，如封锁系统、 高压跳闸等，并给出相应故障信号。从 I/O 接口可输出运行状态（开关量）及运行参数（模拟量），用户可根 据需要选择输出量。CPU 单元上备有调试用 PC 机接口，通过在 PC 机运行调试程序，可以以画面形式进行调试 和诊断，并可同时显示系统中五个变量的时间波形和数字量，是系统调试和诊断的良好工具。CPU 单元上还备 有通信接口（RS232），可以以通信方式从上位机取得控制命令和给定信号，控制变频器的运行，并返回运行 状态和运行参数的有关信息，以供集中监控。 图 3-6 主控制器功能方框图 主控制器 主控制器的功能方框图如图 3-6 所示，主控制器的结构为单元组合式，其核心为双 DSP 的 CPU 单元，通过 总线与接口板和相控 A、B、C 板互通信息。从接口子模块 AT、DT 可接受操作命令、给定信号、电机电流与电 压等。CPU 板根据操作命令、给定信号及其它输入信号，计算出控制信息及状态信息。相控 A、B、C 板接受 来自 CPU 板的控制信息，产生 PWM 控制信号，经电 / 光转换器，向功率单元发送控制光信号。来自功率单元 的应答信号在相控 A、B、C 板中转换成电信号，预处理后送 CPU 板处理。状态信息可通过 AT、DT 模块送出。 23 系统原理 第 3 章 操作面板 操作面板，也叫人机界面，采用彩色触摸屏方式。操作面板安装在控制单元柜的前门上，同时柜门上还有 指示灯及按钮等。操作面板与主控制器经通信接口与 CPU 板相连，可以输入操作命令、给定信号，显示运行 状态和运行参数。故障时可以显示故障信息，包括按故障发生时间先后进行顺序的前 8 个故障和不排序的全部 故障。CPU 板上有与上位机通信的通信接口，为标准 RS232 接口，可以以通信方式从上位机输入操作命令和给 定信号，输出运行状态和运行参数。通过设定相应参数，可以选择操作命令来源和给定信号来源是上述三种中 的哪一种。CPU 单元上还配有调试用 PC 的接口。当 PC 机上运行调试程序后可以以画面形式进行变频器调试， 直观方便。可以显示和修改变频器的全部参数，显示变频器中的全部软件端子参数，便于系统分析。能同时显 示系统中五个变量的时间波形和数字量，对系统调试和分析十分有利。当发生故障时也能显示有关故障信息， 便于故障诊断、排除故障。 所有从端子输出的量以及触摸屏显示的量，都可以通过设定相关 P 参数来选择。 3.3.2 功率单元的基本原理 功率单元是一种单相桥式变换器，由输入切分变压器的副边绕组供电。经整流、滤波后由 4 个 IGBT 以 PWM 方法进行控制，输出可变频、变压的交流电。多台功率单元串联叠加后可输出 50Hz、线电压 6KV 的三相 交流电，以驱动交流电动机。 同型号变频器中所有的功率单元，电路的拓扑结构相同，这方便了更换，为日后的维护带来快捷和便利。 柜内装有输出电压和电流的检测装置，检测到的信号送主控制器处理。功率单元配有集中冷却风机，冷 却 IGBT 等半导体器件。来自主控制器的控制信号和送往主控制器的应答信号都经过光缆传送，既有高的电隔 离能力，又有高的抗电磁干扰性能。 尽管每个功率单元产生的电压不超过 700V，但额定频率运行时对地电压可达到变频器的额定输出电压。 功率单元的原理框图如图 3-7 所示： 图 3-7 功率单元原理框图 来自主控制器的控制光信号，经光 / 电转换，在控制信号处理电路中产生 IGBT 的驱动信号或故障时的旁 通信号，经过相应的驱动电路后，驱动 IGBT 或触发晶闸管。 功率单元中的状态信息将被收集到应答信号电路中进行处理，集中后经电 / 光转换器变换，以光信号向 主控制器发送。当有故障信息时，主控制器将发出控制信号，干预功率单元的运行，如封锁、旁通。 当某一功率单元发生故障不能按要求输出交流电时，主控制器发出 IGBT 封锁信号，将桥式逆变器封锁， 同时发出旁通信号，将输出整流桥间的旁通晶闸管触发导通，构成输出回路中的旁通支路，使输出电流无阻碍 地流过该功率单元。此时的变频器可以重新调整其他功率单元的输出电压，使得系统在略低的输出电压下继续 工作。 24 第 3 章系统原理 3.4 PowerFlex 6000 系列变频器的优势 通过上述原理的介绍可以看出，本变频器能提供畸变可忽略的可变频变压的高压交流电，供给交流电动 机做变频调速驱动用，特别是可用于标准异步电动机，而且对电网的不良影响可忽略，特别适合于电网容量 较小的场合。 PowerFlex 6000 系列变频器的具有如下优势： （1）对供电系统不产生明显的谐波畸变，无需任何形式的滤波器，不会对其他敏感设备造成干扰。 （2）功率因数非常高，无需功率因数补偿装置。 （3）电动机不必因谐波发热而降容使用。 （4）电动机噪声与采用工频供电时相近。 （5）电动机的电应力强度与采用工频电源时相近，无明显附加影响。 （6）转矩脉冲很低，不会导致机械共振，同时也减少传动机构的磨损。 （7）完整的参数化功能，容易设定，可满足各种应用的要求。 （8）完善的故障自诊断及保护，能对系统各种故障作出准确报警和保护。 （9）全模块化结构，微机主控制器能准确、快速定位故障部件和原因，数分钟内便可以排除或更换。 25 第 4 章 调试与运行 本章主要介绍 PowerFlex 6000 变频调速系统的操作及运行 4.1 操作面板的使用 PowerFlex 6000 系列变频器的操作面板采用彩色触摸屏方式。 触摸屏的操作菜单框架如图 4-1 所示。 主监控界面 模拟量显示 状态量显示 主控操作 曲线监控 报警查询 参数设置 定子电流 定子电压 设定频率 实际频率 通讯状态 主控操作状态 主控开入开出 PLC开入开出 压力反馈 DCS频率给定 加速减速 启动停止复位 设定频率 本地/远程切换 开环/闭环切换 主回路分/合闸 电压 实时曲线 设定频率 电流 实际频率 历史曲线 电压 电流 实际频率 U盘导出报警记录 报警记录列表 阶梯负载 调试设定 设置部分 P参数 设置部分 P参数 用户权限技术权限调试权限 设置全部 T参数 设置全部 P参数 系统参数设定 设置部分 K参数 图 4-1 触摸屏操作菜单框图 4.1.1 触摸屏的软硬件构成 本触摸屏硬件由是一套以嵌入式低功耗 CPU 为核心（ARM9 CPU，主频 400MHz）的高性能嵌入式一体化 平板电脑构成。该产品设计采用了 7 英寸高亮度 TFT 液晶显示屏（分辨率 800480），是四线电阻式触摸屏。 触摸屏具有 64M 内存，128M 存储设备，外设接口有标准 RS232 和 RS485 通讯串口，以及 USB，以太网，可以 连接电脑、触摸屏、键盘、鼠标、打印机以及标准串行通讯设备等。 触摸屏采用抗干扰能力强，通信速率快的光纤通信方式，通过通讯转接板与高压变频主控制器连接，实 现数据的交换。 操作系统使用微软公司的嵌入式操作系统 WindowsCE.NET，当前版本为 5.0。本系统采用了 MCGS 组态软 件作为应用平台，高压变频器的显示和操作都由该平台下组态的工程来完成。 实现的主要功能包括：变频器状态监控、数据显示、曲线显示、触摸按钮操作，包括启动、停止、升速、 减速、P 参数设定、故障报警、查询等。 触摸屏需要电源 24VDC，最大消耗电流 1A。 26 第 4 章 调试与运行 4.1.2 触摸屏操作面板 触摸屏首次上电时，进入系统参数选择界面，如图 4-2 所示，系统将根据不同的参数进行相应的配置，并 将作为默认配置，该界面也可以通过其它界面进入并重新进行参数设置，具体操作在后续中介绍。 本文以电压 6000V，电流 160A，变频自动控制方式为例， 如图 4-2 所示设置。 图 4-2 系统参数设置面板 此界面可以在“操作界面”的“系统参数设置”中重新进入，点击“进入”按钮，进入触摸屏主监控面板， 其主要由企标（logo）、型号、版本号、当前时间、状态指示灯、数据显示区、故障列表、按键区等八部分。 如图 4-3 所示。 图 4-3 触摸屏主监控面板 1、图标 3、版本号 5、告警列表 7、操作按钮 2、型号 4、当前时间 6、状态指示灯 8、数据显示 27 调试与运行 第 4 章 4.1.3 触摸屏的功能 触摸屏的 11 个状态指示灯 允许：允许高压合闸。 外控：允许外部控制。 合闸：高压合闸指示灯。 就绪：合闸就绪。 接通：高压接通。 运转：系统运转。 旁通：有功率单元旁通。 告警：系统产生故障或告警。 远控箱 : 系统处于远控箱控制状态。 D C S : 系统处于 DCS 控制状态。 闭环：系统处于闭环控制状态。 触摸屏操作面板底部九个操作按键，分别是 启动：开机自检无故障后，按此键将启动变频器，否则无效。 加速：按此键一次，频率将按照频率步距的设定值增加，再按再增加一次。 减速：按此键一次，频率将按照频率步距的设定值减小，再按再减小一次。 停止：运行中的变频器，按此键一次，变频器的输出将逐渐停止。 复位：按下此键一次，变频器（故障）复位一次。 曲线：按下此键可以选择查看电机定子电压电流曲线，设定和实际频率曲线； 设置：进入参数设置窗口，根据不同的用户权限进行相应的参数设定； 操作界面 : 进行变频器的外控选择操作、高压分、合闸操作及指示 , 并且提供系统参数设定及报警记录等。 触摸屏操作面板上显示变频器的五个数据，它们是： 设定频率：变频器的设定频率。 实际频率：变频器实际运行频率。 定子电压：电机的定子电压。 定子电流：电机的定子电流。 闭环反馈压力：管网压力显示。 故障监视功能方式 当变频器发生故障或进入历史故障查询时，触摸屏进入故障监视状态，变频器将具有如下状态： （1）故障时的输出频率、母线电压、输出电流。 （2）故障时的运行状态。 （3）故障时的保护状态。 （4）故障时的历史记录。 28 4.1.4 曲线显示 第 4 章 调试与运行 按下“曲线”键，将弹出如图 4-4 界面所示。 图 4-4 曲线选择界面 可通过菜单选择显示实时或历史的曲线，按“退出”键返回到监控界面，如图 4-3 所示。 实时曲线 选择“电压电流曲线”进入如图 4-5 界面所示 图 4-5 定子电压和电流的实时曲线 上图显示变频器输出电压、电流的有效值曲线，它等效于电机的定子电压和电流，据此可以判断电机的 工作情况，按“返回”键将返回到曲线选择界面（图 4-4）。 29 选择“频率曲线”进入如图 4-6 界面所示。 图 4-6 设定和实际频率的实时曲线 图 4-6 用来显示设定和实际频率的实时曲线，可以看到电机根据用户设定频率的运行情况，按“返回”键 将返回到曲线选择界面（图 4-4）。 历史曲线 选择“电压曲线”、“电流曲线”或“频率曲线”将进入电压、电流或频率的历史曲线界面，可以查询全部的 历史曲线记录，这里以电压历史曲线为例，如图 4-7 所示。 图 4-7 定子电压的历史曲线 通过图中的输出信息部分，可以看到鼠标所在位置的电压值，并可以通过横坐标调节阀和纵坐标调节阀 来放大曲线，按“返回”键将返回到曲线选择界面（图 4-4）。 电流和频率历史曲线以此类推。 输出信息 纵坐标 调节阀 横坐标 调节阀 调试与运行 第 4 章 30 4.1.5 触摸屏操作面板中的参数设定方法 按下“设置”按键，弹出如图 4-8 所示的界面。 图 4-8 操作权限选择菜单 共设置了三个操作权限，根据不同的权限，输入相应密码，进入相应参数设置菜单。 用户设置参数 在“操作权限选择菜单”下的“用户设置”，弹出登录对话框，输入用户密码。 如图 4-9 所示。 图 4-9 用户登录窗口 如果密码输入错误，将提示错误，再重新输入，如图 4-10 所示。 图 4-10 密码错误提示窗口 第 4 章 调试与运行 31 输入正确密码后， 进入用户参数设置界面， 如图4-11所示。 调试与运行 第 4 章 图 4-11 用户参数设置界面 进入“用户参数设置”界面时，参数自动进行刷新，当左上角的灯由灰色变成绿色时，说明该页面参数 刷新完毕，当前参数值为最新值。如需将用户参数恢复出厂设置，则点击“恢复出厂”按钮，弹出对话框， 如图 4-12 所示。 图 4-12 用户参数恢复出厂设置界面 点击“确定”后，用户参数包含的参数将恢复出厂设置，点击“退出”，返回操作权限选择菜单。 调试人员设置参数 选择“操作权限选择菜单”下的“调试参数”，弹出登录对话框，如图 4-13 所示。 图 4-13 调试工程师登录界面 32 第 4 章 调试与运行 输入密码，进入如图 4-14 界面所示。 图 4-14 调试参数选择界面 在“调试参数设置”界面中，包括两种参数：P 参数和 T 参数，可以根据需要选择。 首先，选择“P 参数设置”，进入 P 参数界面，如图 4-15 所示。 图 4-15 调试参数设置界面 点击上下页，进行翻页，并显示当前所在页面的页码，也可进行调试参数的恢复出厂设置，则只是恢复 调试的参数，点击“退出”，返回“调试参数选择界面”。 选择“T 参数设置”，进入 T 参数界面，如图 4-16 所示。 图 4-16 T 参数设置界面 33