高压变频器的使用与安装课件

SH-HVF

系列高压变频器简介SH-HVF

系列高压变频器简介一、

变频器简介：SH-HVF

系列高压变频器是由湖北三环公司研制开发新一代高

压变频器，采用直接高高变换的方式，

多电平串联倍压的技术方案，

优化的

PWM

控制算法，实现优质的可变频变压（

VVVF）的正弦电

压和正弦电流的输出，以下是我们典型的

1250KW

高压变频器现场

图片。二、

结构简介：SH-HVF

系列高压变频器柜由功率单元柜

（含控制柜）、隔离移相

变压器柜、

工频旁路柜（含变频器进线柜、

变频器出线柜）三部分组1、

功率单元柜：长

3200mm×深

1200mm×高

2300mm2、

隔离移相变压器柜：长

2100mm×深

1200mm×高

2300mm3、

工频旁路柜：长

1000mm×深

1200mm×高

2300mm4、

整个柜体总尺寸：长

6300

mm×深

1200mm×高

2300mm在运输过程中，单元柜、隔离变压器柜、工频旁路柜可拆开运

输。在安装过程中。三、

控制原理简介输入隔离移相工频变压器将输入的高压工频电变换成为多组彼

此间相互绝缘、

电位独立的低压工频电输出，

并分别送到各个变频单

元中，

各变频单元将输入的各组低压交流电分别经整流滤波变换成直

流电，单元的电气原理图见下图：成，典型的

SH-HVF-Y6000/700/50

各部分尺寸如下：各变频单元在逆变侧串联成一相（一般

9

个单元），通过特定的时序算法构成三相可变频变压

（VVVF）

的交流输出。

相电压输出波形

图见下图：典型的功率单元电气原理图5

单元输出相电压波型：四、

技术特点与功能简介：1、

直接高-高变换；2、

输入侧功率因数高、整机效率高；8

单元输出相电压波型：7

单元输出相电压波型：多重化移相技术。输入谐波极低；多电平串联倍压技术，输出谐波极低；功率单元

IGBT

采用

AC380V

的电压等级，相对于

AC690V

电

压等级的功率单元，谐波更低，故障时对于整个设备的运行影

响小；高可靠性设计；控制信号经光纤传送，实时可靠；SH-HVF

高压变频器的工频旁路柜采用真空接触器，功率单元

热备份，严重故障时自动旁路；工频旁路既可以自动旁路，也

可以手动旁路；完善的保护性能；过流、

过压、过载、过热、输出三相不平衡

等多种保护功能内置；变频器上电瞬间采用限流措施，减少冲击电流，启动电流可以

限定在

20A

以内；可认为设定最低频率，避免水泵在夜间电机工作在极低的频率

进而可以避免电机因散热不足、电机轴瓦润滑度不够而损坏；

当变频器和电机之间的距离过长时（大于

1

公里），一般变频器

输出会因为电缆上的压降而造成电机侧欠压，针对这种情况，

SH-HVF

变频器设计有输出补偿功能；高度智能化设计；开放式的软件和硬件设计方案，便于系统升

级；全汉化中文界面，彩色液晶显示功能，方便操作；对工作

电流、电压等参量进行实时检测、长期存储并可随时查阅；灵活方便的接口配置；

数字量、

模拟量、

通讯接口完备、

灵活，3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、与用户现场的

DCS

系统、

各类现场总线完善配合，

并可选配远程通讯控制单元，

实现异地远程监控；

标准通讯协议为

modbus

通讯。14、

柔性化设计，减小用户现场的干扰和冲击；软起、软停避免对电缆、用电设备及电网的冲击；15、

操作简单灵活，可现场操作，也可以接入

DCS

后在

DCS

控制系统中进行操作，我公司标准配置为本机操作和现场操作（需要

配现场操作箱）。具体操作方式需要使用方在技术协议中注明后

我司将做相应的设计。五、

用户接口简介我们为用户提供压频曲线设置接口，

闭环控制接口、

用户侧高压

开关控制接口，

用户急停接口，

用户频率反馈接口，

用户频率给定接

口，用户报警信号查询接口，用户

DCS

接口以及用户需要的其它的

变频器运行的参数、

实时数据、

历史数据等接口，

这些接口包括电压、

电流、数字通讯接口等多种形式。设备可方便接入用户控制系统（

DCS

），通过远程接口，用户可

对变频器进行远程停止操作、

设置当前运行工况、

以及当前的运行频

率等六、

控制方式该设备有三种控制方式a：以压力、流量为控制对象的闭环控制：以输入的

4～20mA

模拟量值为控制依据，实现自动控制b:

以转速为控制对象的开环控制：用户可根据工况条件自设定

转速，变频器以该转速为控制值c:以频率为控制对象的开环控制：用户可设定希望设备运行频

率，变频器以该频率为控制目标值以上三种控制方式用户可通过人机界面（触摸屏）

设置，

满足不

同的工况要求七、

基本保护简介：1、

系统上电限流电阻保护：

系统上电时，

为保护设备因为电容充电时，

冲击电流过大，

通过限流电阻保护设备；

在系统稳

定后，自动切除限流电阻。2、

功率单元输入熔断保护，在功率单元的输入端装有熔断器，防止单元过流。3、

功率单元驱动板过流、

过压保护，

在驱动板上，

通过检测功率单元电流电压，保护

IGBT。4、

输出电压不平衡保护，

当输出长时间电压不平衡时，

跳闸保护电机。5、

输出电流不平衡保护，

当输出长时间电流不平衡时，

跳闸保护电机。6、

系统过流保护，系统过流时，跳闸保护电机7、

系统过载保护，系统过载时，跳闸保护电机八、

旁路简介该设备具有完整的备用功能，最大程度保证系统的稳定运行a、

SH-HVF

系列高压变频器可选配单元旁路组件，

一旦变频单元出现故障，可自动将输出清除并同时触发旁路

单元将其旁路，使其不影响整个系统的正常工作，使

整个系统由原来的串联可靠性结构变成为并联可靠性

结构。b、

整机还可根据用户要求选配旁路高压开关柜，在整个系统出现严重故障时变频系统将自动退出运行，并将

负载自动切入到工频运行，

而不影响生产的正常工作。c、

当其中某单元故障时，

故障单元自动切换到备用单元，最大程度不影响设备运行典型的单元旁路控制示意图典型的系统工频旁路示意图旁

路

接

触

器变频器A

B

C功能特点选型要求产品简介功能特点●

高压直接输出、无需输出升压变压器●

单元串联多电平

PWM

技术，

I

G

B

T

功率器件●

正弦波输入，无需输入滤波器，谐波符合

IEEE519—1992

标准和

GB／T14549—93

国家标准●

输入功率因数

0.95

以上，无需功率因数补偿●

多电平输出，无需滤波器，

对电机没有任何特殊要求，适用普通电机，包括旧电机●

变频器部分满载效率达到

98.5%●

抗电源干扰能力强●

软启动保护，可零转速启动，防止电机启动冲击电流影响电机寿命。●电机参数自动监测，控制系统自动优化●

新型功率单元旁路技术，故障单元自动旁路，故障单元旁路后，

6KV

输出电压等级变频器输出电压可维持

94%

以上，

保

证系统无间断进行●

内置式

PLC

，采用

IEC1131

标准编程语言，所有模拟量，数字量

I/O

口可编程，可扩展●

工业标准通信接口，并支持远程监控功能●

彩色液晶操作显示界面，可对变频器进行参数设定，运行控制，变量实时显示、记录，故障诊断，一台上位机可控制多台变频器●

功率质量监控功能：在线监测变频器输入电压、电流、输入有功功率、无功功率，输入功率因数，累计用电量，输出电

压、电流、功率、频率、电机转速等●

支持变频运行和工频运行在线同步切换●

变频器的防护等级：

IP20

；噪音水平：

75dB●

变频器设计使用寿命：

20

年400KW-5000KW/2300VAC

，10500VAC多重化的脉宽调制（PWM）额定输入功率时为+10％，

-5％，脉宽调制正弦波，

0-10500VAC在

20

％—

100

％负载下均能达到

0.95无相序敏感所有因数下(±5％)0-100

％连续的（依应用而定）标准

110％一分钟，0.1-3200

秒，可调节(依负载而定)0.1-3200

秒，可调节(依负载而定)5-50HZIP20摄氏-5-40

℃；若超过，则每升高

1

℃，变频器降额

1%使用。

平均海拔

1000

米以下在

6.5

毫克立方升时小于

100

微米抗电性氯化物和硫化物少于每十亿分之四选型要求功率范围设计输入输出输入功率因数

输入电源

频率精度

调速范围

过载加速时间减速时间输出频率防护等级环境温度海拔尘污染气体污染一．

高压变频器的基本结构将

50HZ（60HZ）固定

6KV（10KV）电网频率变换成

0-50HZ

可调频率的功率变换设备称为变频器，

输出

3KV/6KV

电压的变频器称为高压变频器。

变频器一般由三部分组成：

整流电路

AC-DC；中间直流环节，滤波和能量储存；逆变器

DC-AC。各个功率单元由输入隔离变压器的二次隔离线圈分别供电，

额定电压为

630V，每相

6个，因此相电压为

3780V，所对应的线电压为

6600V，给功率单元供电的二级线圈互相存在一个相位

差，实现输入多重化，由此可消除各单元产生的谐波。二．

工作原理高压变频器是由多个单元串联而成，

上图显示了如何由低压单元叠加达到高压输出目的。-

1

-三．

专业的指标数据是衡量产品性能的唯一标准衡量高压变频器性能的主要指标有：输入对电网的谐波污染；输入的功率因数；

输出波形

的质量，

可靠性等。1．

输入谐波高压变频器输入整流环节都为非线形的，会对电网产生谐波，其输入谐波的幅值与变频器

整流环节的脉冲数密切相关。输入谐波对电力系统的影响：如果变频器输入电流谐波较大，对电力系统会影响继电器装

置、测量仪器仪表、计算机系统及通信设备的正常工作。谐波会使挂在同一电网的电机、变压

器和电容等用电设备损耗增大，

严重时会过热或烧毁设备。输入谐波的数值应该控制在标准之内：

IEEE519-1992

国际标准；

GB/T14549-93

国家标准。图：12

脉冲二极管整流电路及输入电流波形图：六脉冲二极管整流电路及输入电流波形-

2

-图：36

脉冲整流电路即可输入基本完美的无谐波电流波形减少输入谐波的有效措施是将输入变压器进行多重化设计形成多脉冲整流。通过对上面

6

脉冲二极管、

12

脉冲二极管、

12

脉冲晶闸管和

36

脉冲的输入波形比较，

6

脉冲可以有效的抵

消

5次以下的谐波，

12脉冲整流可以有效的抵消

11

次以下的谐波，

36脉冲可以有效的抵消

35

次以下的谐波。在不加滤波器的情况下，完美无谐波变压器的谐波含量控制在

2%之内。2．

输入功率因数变频器输入功率因数主要与变频器中间直流环节（电压源型或电流源型）有关。电压源型直流环节为电容，电机需要的无功电流由电容提供，而不需要和电网交换，变频器输入功率因数高，

在整个速度范围内基本保持不变。电流型直流环节为大电感，电机需要

的无功电流还需要与电网交换，

功率因数

低，且随着电机负载的降低而降低。从右图的曲线可以看出：

完美无谐波

高压变频器的输入功率因数大于

0.95。图：12

脉冲晶闸管整流电路及输入电流波形-

3

-图：6KV

完美无谐波变频器输出的电压和力矩从上面一系列输出波形可以看出，

完美无谐波变频器输出波形与正弦波非常相似，而且

dv/dt

幅值小，不必设置滤波器就可以使用原有的普通旧国产异步电动机。4．

可靠性变频器的可靠性由三个方面决定：

变频器的结构；使用的功率器件；外部电源波动对变频

器的影响。完美无谐波高压变频器的可靠性：—

主回路简单明了，没有附加的滤波器、输出滤波器、功率因数补偿器、缓冲电路、

升压变压器等附加电路。3．

输出波形质量频器输出波形质量包括输出谐波、

dv/dt、共模电压转矩脉动等指标。变频器输出谐波与变

频器逆变器的结构密切相关。变频器输出谐波会引起电机附加发热和转矩脉动，噪音增加，输

出

dv/dt

和共模电压会影响电机的绝缘。由于应用变频调速很大部分是属于旧有设备的改造，原有的普通电机是设计成为电网直接

运行的，

而电网电压波形基本为正弦波。如果变频器输出波形质量不好的话，

会对电机产生影

响，原则上应改成变频电机，价格比普通电机贵很多。图：完美无谐波变频器输出的电压/电流波形-

4

-5．

电源对完美无谐波变频器

的影响—

可承受-30%的电压下降—

可承受

5个周期的电力丧失—

电机还在旋转的情况下可重新

起动—

采用广泛使用、驱动简单可靠的

IGBT

功率器件；

IGBT

开关速度快，

损耗小，

门极

驱动电路简单，倒通压降适当，

目前可以做到

3300V/1200A。—

有内部功率单元旁路技术，在某一个功率单元出现故障时可以在

250ms

内被旁路掉。-

5

-功率范围2300VAC-13800VAC，400KW-3000KW设计多重化的脉宽调制输入额定输出功率时为+10%，-5%，降额输出时可达+10%，-30%输出脉宽调制正弦波，

0

-

7200VAC输入功率因数在20

-

100%负载下均能达到0.95输入电源无相序敏感频率精度所有因数下（±0.5%）调速范围0

-

100%连续的过载标准110%一分钟，

150%

（可选择）加速时间0.1

-

3200秒，可调节（依负载而定）减速时间0.1

-

3200秒，可调节（依负载而定）输出频率0

-

50/60HZ，用户可选到

120HZ防护等级空冷为NEMA-1，水冷为NEMA-12环境温度摄氏0

-

40度；更高温度要求可以定做海拔1000米以下右图是大功率水冷完美无谐波变频器的示意图大功率水冷完美无谐波变频器的技术参数如下表。四．

技术参数-

6

-1

背景随着计算机网络技术的普及和发展，其应用发展趋势是从桌面应用向网络应用的转移。人们从

网上获得的不仅是信息，还包括程序、交互式应用。这种新的网络应用环境带来了新的运算模型：

应用程序可以由多厂家产品组合而成；跨平台、跨设备的网络应用模式；浏览器成为实现这种组合

并且能够相互操作的框架与平台；而其兼容性由网络标准技术实现。在工业控制领域，

各种智能化设备的控制系统也逐渐从单道程序向多进程与多线程、从简单的

控制软件到复杂的操作系统发展，

其软件编程模型也正在从面向结构、面向对象、到面向中间件的

发展。但其开发手段不少还是效率较低的“手工作坊”形式。为了缩短软件开发周期，提高系统的

稳定性和可维护性，在改造和提升传统工业控制系统的技术开发中亟需导入先进的软件开发手段。北京科泰世纪科技有限公司推出的

“和欣”操作系统（英文名称为

Zyco），是面向构件、以元

数据运算模型为基础的下一代因特网操作系统[1]

，已被列入国家

863“十五”计划中的基础软件平台

研发重点项目。成都东方凯奇电气有限责任公司是我国目前为数不多的集研究与制造无电网污染高

压大功率变频器的单位之一。上述两家公司进行了“在工业控制领域导入软件的工厂化生产技术”

课题的合作研究，研发了“基于和欣操作系统的高压大功率变频器控制系统（简写为

HPTCS）”，本

文作者一直参与其结构设计与代码编写。文章在分析和欣的基本特征及其构件技术的基础上，详细

介绍了

HPTCS

的结构设计与功能应用。陈志成，何华灿（西北工业大学计算机科学与工程系，西安，

710072）陈

榕，刘艺平（北京科泰世纪科技有限公司，北京，

100084）摘

要：“和欣”是我国自主版权的基于中间件技术的下一代因特网操作系统，目前已经在工业控制、

医疗设备、

手持设备等行业得到应用。文章在分析“和欣”的基本特征及其构件技术的基础上，设

计开发了

“基于和欣操作系统的高压大功率变频器控制系统”。

应用表明：

该系统具有友好的人机界

面、较强的稳定性与实时性、强大的故障警报与处理功能、良好的远程调试与监控机制。关键词：

因特网操作系统，和欣操作系统，构件技术，变频器，远程监控中图分类号：TP302.1

文献标识码：A1

本文受国家

863

“十五”计划项目（

03-ZD01

）基金资助。作者：陈志成，男，

1973.

09

－，四川渠县人，博士生，

主要研究方向：

嵌入式操作系统，

分形与混沌中的泛逻辑；

何华灿：

男，

1938.

01

－，湖北荆沙人，

教授，

博士生导

师，

主要研究方向：

人工智能基础及其应用，

泛逻辑学与不确定性推理；

陈榕，

男，

1957.

06－，

北京人，

公司首席

科学家，主要研究方向：因特网操作系统，

EzCOM

构件技术；刘艺平，男，

1954.

09

－，安徽安庆人，公司总工程

师，主要研究方向：因特网操作系统，网络浏览器技术。

1

of

6

基于和欣操作系统的高压大功率变频器控制系统-陈志成基于和欣操作系统的高压大功率变频器控制系统1《计算机工程与应用》

2002

年第

20

期，

2002

年

10

月2

和欣系统及其基本特征2.1

和欣简介及其构件技术“和欣”是下一代因特网操作系统，如图

1

所示。“常驻内核”和“系统服务”构成了底层的

灵活内核执行平台，

实现了相当于传统的

32

位实时操作系统的功能：

微内核、

模块化结构、

多进程、

多线程、多优先级实时中断处理；支持虚拟存储管理、文件管理、网络设备等。“和欣”创新性地实现了与微软

COM[2,3]构件技术兼容的

“EzCOM

构件技术”，

提供了高效率的构

件/中间件运行环境[4]

。EzCOM

建立在和欣所提供的构件框架和后绑定等必要的运行支持环境之上，

为上层的应用程序提供标准接口。

“浏览器引擎”是构成浏览器或嵌入式浏览器的

COM

组件程序库，

包括了支持开放的通信协议

SOAP、

XML、基本图形界面库，

排版显示等。“应用程序引擎”可以是

用户的

COM

组件库，或系统的其他组件库。基于

EzCOM

技术实现的和欣操作系统具有高度模块化的2.2

和欣的基本特征概括来讲，和欣操作系统的基本特征主要有以下几点：<1>

在嵌入式操作系统中导入了先进的

EzCOM

构件技术，提供软件工业化生产的手段，缩短应

用产品开发周期，操作系统基于构件技术，其通用部件的灵活组合可以适应于不同的系统配置；<2>

应用程序构件可以独立升级、

动态加载，

硬件设备可以即插即用，

网络资源可以自动获取，

而这些功能均由操作系统自动支持，用户无需重新配置；<3>

界面友好的的交叉开发环境和源代码级远程调试工具，应用程序与

Windows

二进制兼容，不需仿真环境；<4>

利用创新的

EzCOM

技术和先进的中间件技术来实现和欣的网络应用，这代表了下一代面向

因特网应用的高性能操作系统的技术发展方向，并与

Java、C#等最新的构件技术兼容与互补。3

HPTCS

的结构设计与系统功能3.1

HPTCS

的结构设计如图

2

所示，HPTCS

主要由两个控制系统组成，

一个是直接控制变频器机组运行的主控板系统；另一个是对整个系统进行管理和对参数进行操作的人机控制系统，而人机控制系统又分为现场控制

与显示终端和远程调试与监控终端两个部分。

工作人员既可以到现场观测变频器的运行状态，也可

以坐在远程办公室里对其进行监控。基于和欣操作系统的高压大功率变频器控制系统-陈志成系统结构，

支持

动态链接库

DLL

和动态加载应

用程序，

便于剪

裁重组以适应

不同嵌入式实

时系统的需求，

可实现硬件设备的即插即用。浏览器引擎

应用程序引擎图形

SOAP

XMLEzCOM

(跨平台构件、中间件技术)常驻内核

系统服务操作系统

应用开发环境

开发工具多

CPU

支持构件规范接口语言

CDL

构件开发环境

构件库构件运行环境

2

of

6

Windows2000硬件抽象层图

1和欣系统及其构件技术Zyco

和欣

操作系统Linux3.2

HPTCS

的主要技术特征基于和欣的

HPTCS

控制系统除了继承和欣操作系统的技术特征之外，还有适合于高压大功率变

频器自身的特征，主要有以下几点：<1>

构件编程、独立升级整个

HPTCS

系统全部利用

EzCOM

构件搭建而成，由于和欣系统提供了相应的

EzCOM

构件库，而

且在其图形开发环境中提供了诸如微软.net

中的

Button、

Label、

GroupBox、

Menu

等控件，

这大大

缩短了

HPTCS

的开发周期。系统运行时通过

EzCOM

中间件技术实现动态加载运行，因此所有的系统

构件、应用构件都可以独立升级，无论所需的

DLL

库文件在本地还是远程，系统都可以自动检测并

加载

。HPTCS

中主要的动态加载构件库有

：操

作系统构件库

ZycoSys.dll

，驱动程序构

件库

ZycoDrv.dll，字体构件库

ZycoFont.dll，

图形构件库

ZycoGdi.dll

，主控

板系统构

件库

MainCtrl.dll，实时操作构件库

RealTime.dll，远程监控构件库

RemotSys.dll，故障警报构件库

Trbalarm.dll，整个应用程序入口的执行文件为

HPTCS.dll。

如果某个构件库需要升级，则只需要

更换该构件库文件，而应用程序和其它构件库无需重写，也无需重编译。<2>

应用程序跨多平台、二进制兼容HPTCS

应用程序在技术人员熟悉的

Windows

环境下开发与调试，其二进制代码可以分别在Windows

系统，VB

环境，

HTML

浏览

器及

Zyco

和欣系统中运行，

实现了

跨多平台的二进制兼容，这主要是

得益于

EzCOM

中间件技术。<3>

多线程实时控制与远程调

试HPTCS系统的工作流程如图3所

示。

在正常工作时除了主线程之外，

还有串口守护线程、

键盘守护线程、

鼠标守护线程、网络守护线程，这

些线程负责接收、处理、分发相应

设备的事件请求，并与主线程进行

数据交换，

主线程负责人机界面部

分，包括系统的状态显示、参数设

置、实时监控、以及系统信息提示

等。

其中，

HPTCS

系统可以进行远程

调试与监控，这是其最为先进的技

术特征之一。<4>

RS232/光纤通讯转换电路

应用中的主控板系统与变频器基于和欣操作系统的高压大功率变频器控制系统-陈志成远程调试与

监控终端高压大功率

变频器机组光纤总线现场控制与

显示终端

3

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6

初始化否成功?图

3

HPTCS

的工作流程示意图远程调试与监控终端变频器主

控版系统图

2

HPTCS

的组成结构示意图初始化键盘，鼠标，

串并口，网络配置键盘守护线程鼠标守护线程检测系统运行状态，

必

要时复位或退出系统RS232与光纤转换器参数处理现场操作远程监控TCP/IPModemZyco

系统启动HPTCS

启动上主线程：人机界面，实时

参数控制，系统信息提示与主控版通讯主控版系统网络守护线程串口守护线程光纤总线至高压大

功率变频器机组否是电远程、

手动/自动，

可以组合为四种控制方式，

通过面板上相应的按钮进行切换。

对于常用的“停机”、

“复位”、

“帮助”等都可以直接操作控制面板，

也可以通过系统菜单进行操作。

此外，

由于和欣操

作系统的支持，还可以对各线程的优先级进行管理，和欣系统支持

256

种优先级。<4>

故障报警与处理HPTCS

系统在实时监控的基础上，提供了变频器运行故障的报警与处理功能。当主控板系统监

控到变频器运行出现异常时，将在显示终端出现故障信息，并可以发声警报。HPTCS

将根据故障类

型分别进行相应处理，

对于某些故障而言，HPTCS

可以自动处理，并发给主控板系统相关命令，以

使变频器调整至正常运行状态；对于另外一些模糊故障或比较严重的故障，HPTCS

将自动检测是否

连接有远程监控系统，如存在，则会通过网络启动远程的

HPTCS

系统，

进行远程故障警报，并要求

进行故障的调试。此外，所有故障的发生时间、故障设备、故障类型、处理方案等都记录在一个故

障文件之中，以便工作人员查阅故障历史记录。<5>

远程调试与监控远程调试与监控功能的启动来源于两个方面：一方面就是前面讲到的远程故障报警与调试；另

一方面是：

在远程的用户或工作人员想查看变频器当前的运行状态，

那么他可以用因特网上的任何

一台可用的电脑来访问变频器本地的监控系统，首先下载一个远程使用的

HPTCS

副本，安装在远程

4

of

6

机组之间的通讯介质选用光纤。

为了应用熟悉的

PC

机对工控系统进行现场或远程的调试与监控，

设

计并自制了

RS232

串口与光纤通讯的转换电路版。<5>

HPTCS

的通讯协议根据高压大功率变频器的运行特征，为了实时控制的需要，并且考虑与以前的MCS96

主控板系

统的兼容，

在主控板控制系统和现场控制系统之间的通讯采用了单字节传输的应答方式，在现场控

制系统和远程监控终端之间采用

TCP/IP

和

Modem

协议。3.3

HPTCS

系统的功能模块

<1>

友好的用户界面传统的变频器控制系统是采用

MCS96

作为主控板部分，MCS51

作为人机控制界面部分，没有远

程监控功能，

其显示屏分辨率只有

128*64

象素，

显示的信息很有限，

对某参数值的显示，

只能显示简单的数字。

基于和欣开发的

HPTCS

系统可以安装在

PC

机上和

Flash

电子盘上，

可以选用普通显示器和液晶显示器，

而且可以设置所支持的各种分辨率。

因此，

HPTCS

系统不仅界面美观，

操作方便，而且在显示系统状态和各参数值的基础上，

还可以绘制各参数值随时间的变化曲线。

图

4

是

HPTCS系统的人机界面之一。<2>

状态显示与参数设置HPTCS

系统可以实时显示变频器的运行状态，

如运行频率、管网的实际压力等。

HPTCS

中的参数分为

“系统参数”

和“用户参数”两大类，工作人员可以

随时查看各个参数值。

但是，当要设置

新的参数值时，

系统要求提供系统密码。

此外，工作人员在进行参数值设置时，

HPTCS

将自动进行参数范围的检查，合

法的参数才传送给主控板系统，进而控

制变频器机组的相关行为；对于超范围

的参数值，HPTCS

会给出提示信息，

将不会生效。<3>

实时控制HPTCS

系统的实时控制有：就地/基于和欣操作系统的高压大功率变频器控制系统-陈志成图

4

HPTCS

系统的人机界面之一4

HPTCS

的测试与应用在和欣操作系统基础上开发的高压大功率变频器控制系统

HPTCS

的测试版于

2001

年

4

月完成，

在经过严格的现场测试和远程模拟测试后进行了试用。试用效果表明：HPTCS

系统具有友好的人机

界面，完整的帮助文档，较强的稳定性与实时性，其强大的故障处理功能和远程调试与监控功能得

到同行业人员的好评。最近由于和欣操作系统自身的升级和

HPTCS

系统添加新的功能，我们开发了

HPTCS

正式版，并于

2002

年

5

月正式投入实际应用。5

总结与展望本文分析了我国自主版权的基于中间件技术的下一代因特网操作系统――

“和欣”的基本特征,

阐述了创新的

EzCOM

构件技术。与传统的编程模型相比较，基于和欣操作系统开发应用程序的最大

特征是：构件编程、周期短、构件独立升级、

应用程序二进制跨多平台兼容、多线程与多进程实时

控制、自动加载本地/远程构件。设计开发了基于和欣操作系统的高压大功率变频器控制系统

HPTCS，

给出了

HPTCS

的结构设计

与工作流程，分析了

HPTCS

的主要技术特征，详细介绍了

HPTCS

的功能模块及其应用。应用表明：

HPTCS

具有友好的人机界面，较强的稳定性与实时性，强大的故障警报与处理功能，良好的远程调

试与监控机制。基于因特网技术的应用发展趋势是桌面应用向网络应用的转移，随着中间件技术的日趋完善，

人们逐步认识到它的巨大潜力。

“和欣”是新兴的基于中间件技术的下一代因特网操作系统，

它为软件的“工厂化生产”及

“网络化应用”提供了一种新的平台，HPTCS

是其在工业控制领域的应用案

例之一，而关于“和欣”自身的更多技术将随其应用而逐渐公开。为适应新时代的要求，操作系统

的概念及其应用方式正在经历着重大的变化，

这些变化将给计算机软件业带来前所未有的发展空间。参考文献[1]

陈榕，因特网时代操作系统的演变（一），计算机世界，

No.42

，2001

，10

，B17~18。[2]

[美]Dale

Rogerson(著)，杨秀章，江英(译)

，COM

技术内幕，北京，清华大学出版社，

1999.3，P1~240。[3]

[美]Don

Box

（著），潘爱民（译），COM

本质论，北京：中国电力出版社，

2001

，P1~184。[4]

Chen

Rong

，The

application

of

middleware

technology

in

embedded

OS

，Workshop

on

Embedded

System，In

conjunction

with

the

ICYCS

(6th)

2001.10

，Hangzhou

，P.R.China。机上，然后运行

HPTCS

系统，根据菜单和提示操作即可实现对变频器运行状态的查询与监控。<6>

文件系统管理在传统的基于单片机的变频器控制系统中，参数值只能在屏幕上一个一个地查看，需要记录时

必须手动抄下来。在

HPTCS

系统中，

专门建立了一些文件，主要有参数记录文件、故障记录文件、

操作记录文件、参数范围文件、HPTCS

系统的功能介绍和使用说明的帮助文件。这些文件都存储在

本地的磁盘中，

在

HPTCS

运行期间可以通过菜单调出各相关文件。

此外，

这些文件都可以通过串口、

并口、USB

口、磁盘或网络进行输入或输出操作，便于工作人员对整个高压大功率变频器机组运行

状况的分析和监控。基于和欣操作系统的高压大功率变频器控制系统-陈志成

5

of

6

附

录：作者简介作者简介：陈志成：

1973

年

09

月生，男，籍贯：四川渠县。西北工业大学计算机系“计算机软件与理论”专业博士生，主要研究方向有：嵌入式操作系统，分形与混沌中的泛逻辑。发表论文数篇。何华灿：

1938

年

01

月生，男，籍贯：湖北荆沙。西北工业大学教授，博士生导师；中国人工智能协会副理事长。主要研究方向：人工智能基础及其应用，

泛逻辑学与不确定性推理。出版

专著

《人工智能原理》

及《泛逻辑学原理》。在核心刊物上发表论文数十篇，

创立泛逻辑学。陈

榕：

1957

年

06

月生，男，美籍华人，

（籍贯：

中国北京）。清华大学计算机软件专业本科，

1984年公费出国，

1987

年获美国伊利诺大学硕士学位，

并攻读博士课程。

自

1984

年至

1992

在

伊利诺大学计算中心工作，

1992

年－2000

年在微软公司工作，

任微软高级工程师，

曾负责微软公司

OLE、DCOM

与

COM+等项目研发，

现任北京科泰世纪科技有限公司首席科学家。主要研究方向有：因特网操作系统，

EzCOM

构件技术，面向对象程序设计。刘艺平：

1954

年

09

月生，男，美籍华人，

（籍贯：

中国安徽）

。清华大学计算机软件专业本科、

硕士。

1982

－1989

年在清华大学计算中心工作，

1989

年赴德进修，

1991

年转赴美国，曾在

Tandem、Netframe、Netscape

公司工作，任网景公司高级工程师。

曾负责

Netscape2.0

到

4.0以及

5.0Java

版的核心开发等项目，

2000

年回国出任北京科泰世纪科技有限公司总工程师。

主要研究方向有：因特网操作系统，网络浏览器技术，工业控制计算机。The

high-pressure

and

powerful

transducer

control

systemChen

Zhicheng

，He

Huacan(Department

of

Computer

Science

and

Engineering,

Northwestern

PolytechnicalUniversity)(710072

Xi’an

of

China)Chen

Rong

，Liu

Yiping(Coretac

Century.

Inc.

，Beijing.

100029

，Beijing

of

China)Abstract：

Zyco

is

an

Internet

operating

system

offuture

generation,

which

is

based

on

middleware

technology,

and

has

the

independent

copyright

of

our

country.

Now

it

has

already

received

good

applications

in

the

trades,

such

as

industrial

control，livingbeings

medical

treatment,

handheld

device，etc.

This

paper

analyses

the

essential

feature

of

Zyco

and

the

EzCOM

technology,

and

design

and

realizing

of

high-pressure

andpowerful

control

system

HPTCS.

The

application

shows:

The

HPTCS

system

has

friendly

man-machine

interface,

strong

stability

and

the

real-time

quality,

good

function

for

alarming

and

dealing

with

troubles,

goodmechanism

forremote

debugging

and

controlling.Keywords：

Internet

OS，Zyco

OS，EzCOM，Transducer，Remote

control。Category

no：TP302.1

Identification

code：A基于和欣操作系统的高压大功率变频器控制系统-陈志成

6

of

6

based

on

Zyco

operating

systemIGBT

直接串联高压变频器在炼铁厂冲渣泵上的应用提供成都佳灵电气制造有限公司

应用领域

冶金摘要

结合炼铁厂高炉冲渣泵的实际工况

介绍

IGBT

直接串联高压变频器在广东韶钢炼

铁厂高炉冲渣泵上的应用

分析了节能原理及节能效益

以及

IGBT

直接高压变频器的先

进性

关键词高压大功率变频器IGBT

直接串联

冲渣泵

节能The

Applying

of

IGBT

in

direct

series

High

Voltage

Inverter

in

rushpump

ofpuddlingDai

Yuenian

Sunyong(SGIS

Songshan

Co.,Ltd

Shaoguan

Guangdong

512123)Abstract:

Conformedwith

the

operatingmode,

the

paper

introduces

the

IGBTin

direct

series

high

voltage

inverter

and

its

applying

in

rushpump

ofpuddling

factory

in

SGIS

Songshan

Co.,Ltd,

energy-saving

principle

andenergy-saving

is

also

analysed

.

The

excellent

technology

of

Jialing

highvoltage

inverter

is

shown.Keywords:

High

Voltage

Inverter

High

Power,

IGBT

in

direct

series,

RushPump,

energy-savingZGB-300

型冲渣泵

机组有关数据如下

原系统运行时

起动前管道进出水阀门关闭

起动后阀门开度约

90%

机组全速运行

电网电压

6300V

电机运行电流

33A

功率因数

81.6%

耗电功率

294kW

不需冲渣水时通过调节阀门在

来调节水流量

此时电机电流耗电功率方面导致1

引言广东省韶关钢铁集团有限公司

以下简称韶钢

位于韶关市南郊

占地面积

8.32

平方

千米

韶钢是中国

500

家最大工业企业和国家

512

家重点企业之一

世界

100

家大型钢铁企

业排行第

95

位

具有年产钢

160

万吨以上能力

炼铁厂是韶钢的一个主体生产厂

负责公

司所需铁水和铁块冶炼

炼铁厂现有

6

座高炉

总炉容

2405m3

年产生铁

230

万吨

高炉

冶炼铁水过程中产生大量的熔渣

通常是用大流量的中压水将其降温并冲散同时输送到水

渣池回收

作为炼铁生产的副产品

高炉生产是不间断的

一般情况下每天出铁

15

次

在

高炉出铁前

后各放一次渣

两次出渣时间约

30

分钟

在此时间内要求水冲渣系统的水泵

满负荷工作

其余时间水泵只需保持约

30%水流量防止管道堵塞即可

我厂

4#-高炉使用佳灵高压变频器的应用韶钢松山股份有限公司项目名称

IGBT

直接串联高压变频器在炼铁厂冲渣泵上的应用戴跃年

孙勇(广东韶钢松山股份有限公司炼铁厂

广东韶关

512123)时通过调节阀门在

30%来调节水流量

此时电机电流

25A

耗电功率

214kW

一方面导致

大量的节能损失

另一方面频繁操作阀门

致使其使用寿命大大降低

增加了停产更换阀门

的时间

为此我厂决定对

4#高炉冲渣泵进行改造

2

系统方案选择

在选择调速方案时

我们曾从节省投资出发考虑过使用调速型液力偶合器

但由于需

将原机组的混凝土基础全部打掉重新捣制

工作量大施工周期长将影响正常生产

为此

决定采用高压变频调速器

面对当今国内外的众多高压变频产品

2001

年初

我们组织专业人员对国内外高电压

大功率的变频器这一新技术进行了全面慎重的考察论证

最后决定采用国产高电压大功率

变频调速装置

原因如下

1

目前国产高压大功率变频器已具备和国外产品相抗衡的技术水平

2

更符合中国国情如

变频器性能更适合国内电网状况

全中文操作界面等

3

产品备件采购方便

4

售后服务及时

周到

6

性价比高于国外同类产品

通过招标形式

我公司选用了国内实力雄厚的成都佳灵电气制造有限公司生产的

JCS-6kV/400kW

IGBT

直接串联高压变频器

3

佳灵

IGBT

直接串联高压变频器原理及特点

目前

低压变频调速技术已比较成熟但在高压变频调速技术方面

由于变频器的核心

功率器件耐压有限

所以高压变频器并不象低压变频器一样具有简单统一的拓扑结构

从而

产生了当今各种各样的结构

佳灵高压变频器由于解决了

IGBT

直接串联这一世界性难题

使其具有和低压变频器一

样简单的结构

该产品成功融入

IGBT

直接串联技术正弦波技术

抗共模电压技术和直接

速度控制

DSC

技术使得产品具有与其它形式

单元串联多重化中心点箝位三电平等

产品无法比拟的优越性

该产品已被列为

国家重点技术创新项目

图

1IGBT

直接串联高压变频器原理图

图

1

可以看出该系统由电网高压直接经高压断路器进入变频器经过高压二极管全桥

整流

直流平波电抗器和电容滤波

再经逆变器逆变

加上正弦波滤波器

简单易行地实现

高压变频输出

直接供给高压电动机

其优点在于

1

整个系统没有输入输出变压器体积小重量轻仅为其他品牌体积的

1/2

减少了基建投佳灵高压变频器的应用韶钢松山股份有限公司项目名称

IGBT

直接串联高压变频器在炼铁厂冲渣泵上的应用资

解决了我厂基建空间不足的实际情况2

由于该变频器结构简单

无变压器

所以故障点大大减少

整个系统效率高

额定负载

效率

98%

以上3

采用正弦波技术

大大提高输出波形质量

输出电压谐波含量小于

3%

特有的共模技

术使整个系统的共模电压及输出

du/dt

值完全符合

MGI

的标准

消除了电机振动现象减小

了轴承和叶片的机械应力

不需更换我厂原有的旧电机

无需降容使用

4

采用用直接速度控制技术

DSC

响应速度高于其它同类产品转矩脉动小

低速仍能

保持平滑静音运行

5

可实现工频旁路

检修方便

而且具有完善的系统保护功能4

改造方案由电机转速公式可知

n=60f

(1-s)

/p其中s

转差率n

转子实际转数

r/minf电流频率p

电机的极对数可见

只要改变电机的频率

f

就可以实现电机的转速调节高电压大功率变频器通过

控制

IGBT

绝缘栅双极型电力场效应管

的导通和关断

使输出频率连续可调

而且是随

着频率的变化

输出电流

电压功率都将发生变化即负荷大时转速大

输出功率大负

荷小时转速小

输出功率也小

由流体力学可知Q

=Q(n/n)H

=H(n/n)2P

=P(n

/n)3当泵机低于额定转速时节电为

E=

1-(n

/n)3

P

T(kWh)式中

n

额定转速n

实际转速P

额定转速时电机功率T工作时间可见

通过变频改造

冲渣泵流量

Q

压力

H

及轴功率

P

都将发生较大的改变

不但

节能而且大大提高了设备运行性能

以上公式为我厂提供了充分理论依据

我厂根据冲渣泵的实际特性对其进行了具体改

造

冲渣泵在冲渣时工作在

49.5Hz

在不冲渣时工作在

25Hz

考虑到工艺对调速精度要求

不是很高

本系统只采用开环控制并在高炉值班室操作

需冲渣时给调节系统一个

1

的信号

电机高速运行不需冲渣时将此信号取消

电机低速运行取得了很好的节能效果

5

改造后的系统实际运行状况变频器到厂后

我厂技术人员同成都佳灵电气制造有限公司派出的技术人员一道

经过

几天的安装

一次性调试成功于

2001

年

11

月

28

日开始正式运行现已累计运行

18

个月

经过反复多种测试各运行参数一直正常

变频器质量性能良好

安全可靠各项指标均达到

了设计要求

佳灵高压变频器的应用韶钢松山股份有限公司项目名称

IGBT

直接串联高压变频器在炼铁厂冲渣泵上的应用1

谐波抑制效果良好

电压谐波含量小于

3%

符合

IEEE519-1992

和

GB/T14549-93

标准

2

各种保护功能完善过流

过压

欠压

故障保护等功能可靠

并且考虑了外部电网的

防雷击等多环节保护功能

3

各种指示功能完备

具有输入

输出电流和电压

运行频率

故障显示

运行状态指示

等功能

4

操作简便

同普通的低压变频器的功能操作方式相似

功能设置和调整简单方便6

节能量的验证及测试方法1

测量无变频调速时另一台机组在工频电压下运行的电压

电流

功率因数2

测量有变频调速时机组在

49.5Hz

频率电压下运行变频器输入端的电压

电流功率因数

3

测量有变频调速时机组在

25Hz

频率电压下运行变频器输入端的电压

电流功率因数

4

测量仪表型号为

电压互感器

JDZJ-6

电压表

16L1-V

电流互感器LZZB-10

50/5

电流表

16L1-A

功率因数钳型表

HIOI-3266

5

通过上述测量参数根据

P=计算得出

P50=294kW

P49.5=214kW

P25=82kW7

改造效益1

节能经济效益机组

49.5Hz

运行和无变频器运行相比可节省功率P1=P50-P49.5=80kW

机组

25Hz

运行和无变频器运行相比可节省功率P2=214kW-P25=132kW年节电量

W=

H1

P1+H2P2

=365

7.5

80+13216.5

=1013970kW.h

注

每年按

365

天计,H1

冲渣时间=15

30/60=7.5

小时

H2

不冲渣时间=24-7.5=16.5

小时

经济效益

W

电价=1013970

0.56=567823(元)

注

韶钢厂工业电价

0.56

元/kW.h

2

节约维修费用

因冲渣水含有大量的炉渣

原系统管道和阀门在含渣水的高速冲刷下很短时间内管壁

就会变薄

阀门密封损坏须重新更换一般情况下每年需维修费用约

15

万元经变频调速

改造后

有一半时间内管道的水流速度降低

磨擦减少

管道和阀门的使用寿命大大延长

每年可降低维修费用约

1/3

即

5

万元

3

实现电机软起动功能

延长了电机寿命

大大减少了冲渣泵故障发生率

4

提高了自动化水平

节约了大量工业用水

由上述可知

综合经济效益每年可达

60

多万元

一年即可全部收回成本8

结论通过对冲渣泵系统的变频调速的技术改造

我厂使用了成都佳灵电气制造有限公司制造

的

IGBT直接串联高压变频器

经过较长时间的运行检验

证明该产品性能可靠功能齐全

技术先进

说明国内自主开发的高压变频器在技术上已经处于世界先进水平

由于

IGBT

直

接串联高压变频器无输入输出变压器

体积小

性价比高综合性能好等方面均超过了国内

外其它产品

是新一代高性能高压变频产品的代表为高压变频调速技术在我厂内其它工序

的技术改造提供了一条可行的途径

在高压变频改造领域具有极大的推广价值

参考文献1

吴加林.IGBT

直接串联高压变频器

北京:

电工技术杂志,2003

2佳灵高压变频器的应用韶钢松山股份有限公司项目名称

IGBT

直接串联高压变频器在炼铁厂冲渣泵上的应用2

吴忠智

吴加林.

变频器应用手册第

2

版.北京:机械工业出版社,

2002作者简介戴跃年

男

1958

年生

1989

年毕业于韶关钢铁厂职工大学电气自动化专业

电气工程师

现从事经济管理工作孙勇

男

1963

年生

电气助理工程师

现从佳灵高压变频器的应用韶钢松山股份有限公司项目名称

IGBT

直接串联高压变频器在炼铁厂冲渣泵上的应用高压变频器一般要求输出电压为

3.3kV

、6kV

、10kV

，而现在生产的开关功

率元件，开关频率高、损耗小的新型元件，一般都是用

IGBT

、IGCT

。以

IGBT

为例，元件最高耐压

3.3kV

，按变频器设计要求，对元件选择要达到

2

2

U

，即

要求

3

倍额定电压，

10kV

的变频器就要耐压为

30kV

的功率元件，

而现在的

IGBT

最高耐压只有

3.3kV

，因此必须串联。元器件串联有个静动态均压的问题，保证

每个元件同时承受一定耐压，但开关元件动作很快，动作速率可达

20kHz

，在这

样高的速率下保证

10

个串联元件同时开通或关断是不可能的，所以变频器研究人

员认为直接串联这条路行不通，才出现了用低压

IGBT

变频器单元串联多重化方

案。成都佳灵电气制造有限公司根据

10

多年变频器生产开发的经验，于

1999

年

研究出直接串联

IGBT

高压变频器，并申请了专利。一

直接串联

IGBT

高压变频器直接串联

IGBT

高压变频器主电路如图

1

所示，系统由电网高压直接经高压

断路器进入变频器，经过高压二极管全桥整流、直流平波电抗器和电容滤波，再

通过逆变器进行逆变，加上正弦波滤波器，简单易行地实现高压变频输出，直接

供给高压电动机。IGBT

直接串联的二电平电压型高压变频器是采用变频器已有成熟技术，应

用独特而简单的控制技术成功设计出的一种无变压器、

IGBT

直接串联逆变、输

出效率达

98%

的高压调速系统。对于需要快速制动的场合，采用直流放电制动装置，如图

2

所示。吴忠智先生，电子工业部第十一设计研究院自动化室主任；吴加林先生，成都佳

灵电气制造有限公司总裁。直接串联

IGBT

高压变频器及与其他拓扑电路的比较关键词：

直接串联元件

多电平

功率单元多重化吴忠智

吴加林如需要四象限运行与能量回馈的场合，或输入电源侧短路容量较小时，也可

采用图

3

的

PWM

整流电路，使输入电流真正实现完美正弦波。IGBT

直接串联高压变频器

25Hz

，30Hz

，40Hz

，50Hz

电压、电流输出波形

及谐波如图

4

所示。二

直接串联逆变元件与其他拓扑结构的比较高压变频器与低压变频器相比，不仅电压高，而且功率大。由于电压高，器

件耐压是主要矛盾，

但还有因电压、功率大，

所带来的谐波干扰已成了重要问题，

且高压变频器往往用于重要场合，对其可靠性就必然有更高要求。下面从变频器

自身将直接串联与其他拓扑电路形式进行一些初步比较。1.

直接串联与交—交变频器的比较过