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1、高压变频调速器的理论基础 和选型指南,内容提示,风机水泵调速为什么节能 功率电路器件介绍 交流电机的基本原理和调速的类型 串级调速和内反馈调速的基本原理 定子变频调速的基本电路形式 交直交变频器的PWM控制 交流电机变频调速的控制方法 高压电机调速器的几种类型 现在常见的高压调速类型 用户关心的几个问题 利德华福公司高压变频调速的简单介绍,风机的正常工作点为A，当风量需要从Q1调到Q2时，采用挡板调节，管网特性曲线由R1改变为R2，其工作点调至B点，其功率为OQ2BH2所围成的面积，其功率变化很小，而其效率却随之降低。 当采用变频调速时，可以按需要升降电机转速，改变设备的性能曲线，图中从n1到
2、n2,其工作点调至C点，使其参数满足工艺要求，其功率为OQ2BH2所围成的面积，同时其效率曲线也随之平移，依然工作在高效区。由于功率随转速3次方变化，故节能效果显著。 节能量P（ H2H2） Q2,风机、水泵(平方根转矩负载)的相似定律变速前后流量、压力、功率与转速之间关系为： Q1/Q2=n1/n2 H1/H2=（n1/n2）2 P1/P2=（n1/n2）3,调速为什么节能？,构成高压变频器的功率器件的类型,二极管 晶闸管（可控硅） GTO IGCT GTR IGBT IEGT（注入增强栅晶体管）,高压变频器的发展，是随着器件的进步而进步的，功率器件构成了高压变频器的核心。,二极管,正向电压
3、导通，反向电压关断，不可控,可控硅（晶闸管）,正向触发脉冲导通 电压反向关断,GTO,开通和关断均可控制 门极电流关断，关断增益小，门极电路复杂 电流拖尾，关断损耗大，缓冲电路复杂 开关频率小 已逐渐被IGCT代替,IGCT,集成门极换相的晶闸管 比GTO开关频率高 缓冲电路比GTO简单,GTR（BJT）,大功率三极管，电流控制 已被IGBT淘汰,IGBT,绝缘栅型晶体管，门极MOS结构，功耗最小 开关频率高，开关损耗小 门极电路和缓冲电路简单,IEGT,注入增强栅晶体管 尚未大面积应用,圆盘式封装,圆盘式封装(GTO),圆盘式封装带甩出辫,IGCT,圆盘式结构的安装方式,二极管和可控硅模块,
4、IGBT模块,小结,1. 技术发展的道路： 二极管 - 晶闸管 - GTO - IGCT GTR - IGBT - IEGT(?) 2. 当今的主流器件是IGBT和IGCT,交流电机的基本原理和调速的类型,同步电机的结构示意,异步电机的结构示意,异步电机一相的等值电路,1不改变同步转速的调速法（改变s） 转子串电阻 改变定子电压 改变转子附加电势 应用电磁转差离合器。 2改变同步转速的调速法（改变f、p） 改变定子极对数（p） 改变定子频率（f）。,异步电机调速方法分类,三相全波Y型连接的调压电路,(a) (b) (c ) 不同的电机调压特性,几种三相交流调压电路及其一相输出电压波形,转子串R
5、f 的调速原理图,转子串Ef 的串极调速原理图,串级调速系统,双馈调速系统,电磁转差离合器调速系统装置简图,液力耦合器调速,在电机和负载之间，靠液体作用连接。,变频调速,变频调速必须是电压和频率协调控制。,电机常数,磁通密度，受材料限制,变频调速的分类,交交变频调速 交-直-交变频调速： 电压源型 电流源型,交交变频,交交变频波形图,交交变频和串级调速的主要器件是半控器件-可控硅。 随着全控器件的发展，现在逐步进步到交直交变频器。 分为电压源和电流源两种类型。,交直交电压源型,以电容为储能元件； 直接控制电机电压 输入侧功率因数较高 效率高； 控制可与电机参数无关； 抗电网扰动能力强； 不能回
6、馈能量到电网。,交直交电流源型,以电感为储能元件 直接控制电机电流 输入功率因数低，有高次谐波 电感损耗大 控制与电机参数有关 可回馈能量到电网 不允许运行中直接跳高压 抑制电源过电压能力弱 抗电网扰动能力弱,小结,交交变频由于调速范围有限，谐波大，已趋于淘汰； 交直交变频调速直接控制电机的输入电压和电流，变频器和电机系统效率高，调速范围宽，是最直接和彻底的调速解决方案,交直交变频器的PWM方法,交直交型变频器输出波形的产生办法 电压源型：控制电压波形 电流源型：控制电流波形,早期：串联单相三重逆变器的PAM方法,正弦PWM信号产生的方式,正弦波发生器,三角波发生器,三角波与正弦波比较（单极性
7、）,谐波消除PWM方法（双极性）,Voltage wave in harmonic elimination method,谐波消除PWM方法,小结,随着全控开关器件的发展，PWM方法谐波含量少， 已成为波形发生的基本方法。,交流电机变频调速的控制方法,V/F控制 矢量控制 直接转矩控制,V/F比控制,(a),(b),异步电机的矢量控制,下面介绍异步电机的矢量控制 由来：V/F控制在稳态下没有问题，但在负载突然变化的情况下，磁通和转矩不能优化，动态响应慢。 矢量控制解决的问题：如何保持磁通不变，如何使转矩电流瞬间最大化。,独立控制磁通和转矩,滑差频率控制,近似的补偿了磁通和转矩在动态过程中的变化
8、，但不是数学中的完全解耦控制。,异步电机的直流电机模型,矢量控制的坐标变换,静止 as-bs-cs 到ds-qs 坐标变换,静止 as-bs-cs to ds-qs 坐标变换 (2),静止两相 ds-qs 坐标到同步旋转 de-qe 的坐标变换(1),直接测量磁通的矢量控制,间接法矢量控制的结构图,下面介绍直接转矩控制，是另外一种控制磁通和转矩的方法。,直接转矩控制：逆变器的电压空间矢量模型,磁链和转矩控制,(b) 磁链矢量轨迹,(c) 最佳开关查表 控制法,(a) 电压空间矢量,直接转矩控制系统的框图(1),直接转矩控制系统的框图（2）,AC电机的矢量控制和直接转矩控制,(a) 矢量控制法,
9、(b) 直接转矩控制法,矢量控制和直接转矩控制的比较,(a)矢量控制 (b)直接转矩控制,小结,V/F控制只控制稳态转矩，适用于对转矩响应快速性要求不高的场合（如风机水泵） 矢量控制平滑性好，直接转矩控制脉动稍大，但响应快，经过发展和与电机模型的紧密结合，二者的差别越来越小。 V/F控制和矢量控制、直接转矩控制在效率上没有大的区别。,高压电机调速器的几种类型,液力耦合器，电磁调速器 串级调速，内反馈调速 高低方式 高低高方式 IGBT直接串联方式 三电平方式 电流源方式 功率模块串联多电平方式,液力耦合器和电磁调速器,电磁调速器在大功率电机上应用较少。,液力耦合器的特点,调速范围小（60-97
10、%） 速度越低，效率越低 初期投资比变频小，维护费用大 调节精度低，响应慢； 转速波动大； 故障时电机不能旁路运行； 电机不能软启动,串级调速,内反馈调速,电抗器,内反馈设备,斩波内馈,内反馈调速的特点,调速范围低（60-97%） 电机功率因数低（与速度成正比） 需要内馈绕线式电机和软启动电路； 不能用于两极电机； 调速装置故障时可以直接旁路运行； 调速精度低，响应慢； 滑环需维护； 突然停电会造成逆变颠覆。,高低和高低高型变频器,要考虑容量上的限制 低压电动机为特种电机 高低高方式效率低并必须加输出滤波器,IGBT直接串联高压变频器,IGBT三电平变频器,IGBT三电平变频器设备,IGCT三
11、电平变频器,ACS1000(IGCT三电平设备）,三电平的扩展,三电平变频器的特点,受器件限制，电压无法达到6kv； 电压电平数少，dv/dt大，需要输出滤波器，或特殊电机； 输出侧没有变压器时，无法旁路运行； 变压器可以异地安装； 器件故障时，不能带故障运行。,电流源型变频器,电流源型变频器设备,电流源型变频器的特点,输入功率因数低（与速度成正比） 对电网电压波动敏感； 可以实现能量回馈； 器件故障不能带故障运行； 变压器可以异地安装； 有6kv产品，无10kv产品； 器件串联的可靠性问题； 整流桥串联可靠性低。,功率单元串联型变频器,电平叠加的原理,单元串联多电平波形的生成,功率单元串联型
12、设备,单元串联多电平变频器的特点,输入谐波少，功率因数高； 电机侧谐波和dv/dt少，适用普通电机； 功率电路模块化，维护方便； 部分电路故障可继续运行； 系统故障可旁路到电网运行； 可一带多运行； 不能将能量回馈到电网； 功率器件备品备件属于通用产品； 可做成10KV产品。,现在常见的高压调速类型,内反馈调速（保定北方、哈九州） 三电平高中型（ABB） 三电平高中高型（西门子） 电流源型（AB） 单元串联多电平型 （Robicon、利德华福、东方凯奇、东芝）,用户关心的几个问题（1）,整流脉冲数 电平数和dv/dt 功率单元旁路时的电压输出能力 关心电压谐波还是电流谐波 如何消除谐波 功率因
13、数的定义 效率的测量方法和误差；损耗的构成 变频器对电机的保护 手动旁路和自动旁路,用户关心的几个问题（2）,关于电压型变频器的寿命 异步电动机低速运行发热问题 VVVF变频器的调速范围 变频器容量的选择 关于器件的数目 什么是四象限运行 变频器自身的保护功能 变压器的绝缘等级,整流的脉冲数：12脉冲整流,脉冲数的定义,设有n个三相整流器通过变压器并联，整流桥负载相等； 变压器副边各绕组的移相角度为600/n 则脉冲数为6n； 可消除6n-1次以下的谐波。 18脉冲以上能满足一般的谐波要求,双PWM技术,三电平PWM整流,电平数和dv/dt,三电平的相电压，dv/dt大,单元串联多电平的相电压
14、，dv/dt小,dv/dt影响电机绕组的绝缘,4.9KV,4.9KV,功率单元旁路时的电压输出能力,以7级串联为例，旁路一级后，系统电压下降1/7，即电压为86%；系统可补偿5%，系统电压为90%，如果调速范围在90%以内，则不受影响。,单个模块旁路技术,7个模块串联时，旁路一个功率模块，电压输出能力为96%，比原来的方法有所提高。,关心电压谐波还是电流谐波,相对于电网容量，变频器容量一般较小，不会对电网电压造成太大影响。 所以，应该关心电流谐波，它具有累加效应，谐波设备容量到达一定数量时，会对电网造成污染。 国际上对于谐波的限制，是考察电流谐波。,功率因数的定义,包括相移和谐波的影响,如何消
15、除谐波,整流侧采用移相变压器，构成多脉冲整流，消除对电网的谐波； 逆变侧采用PWM技术，消除对电机的谐波； 采用双PWM技术，双边无谐波，成本高； 采用谐波滤波器，与负载相关，调谐比较困难。,效率的测量方法和损耗，损耗的构成,损耗的构成： 整流变压器、元件的导通损耗、元件的开关损耗、电感损耗、滤波器损耗、电容损耗（忽略）、散热风机损耗、控制电源损耗；电机损耗。 变频器内的主要损耗构成： 整流变压器约50%，器件的开关损耗和导通损耗约50%； 电流源型的电感损耗：与设计有关 滤波器损耗（如果有）：与设计有关,效率的测量方法和损耗，损耗的构成（续）,关于效率测量的问题： 效率应在电网和电机轴两点测
16、量； 应注意仪表的选择，能测量出40次以下的谐波； 其他测量点得到的效率有一定的指导意义； 用户应关心电机的损耗。,变频器对电机的保护,过流和过载保护优于传统的方法； 原有对电机的保护应保留，旁路时需要。,手动旁路电路,自动旁路电路,自动旁路电路,手动旁路和自动旁路,手动旁路操作复杂，对负载有影响； 自动旁路需要判断相位，有将电机故障扩大化的危险。,关于电压型变频器的寿命,主要问题是电解电容 电解电容的寿命与温度和电流有关 温度每下降7度，寿命增加1倍；纹波电流减小，寿命也增加。 一般的可变负载，电容器寿命在8年以上； 更换电容器的成本约占系统的5%。,异步电动机低速运行发热问题,低速时，电机自带的风扇散热能力下降 对于风机、水泵类负载，低速时负载也低，发热量少，不用考虑散热问题； 恒转矩负载要考虑强迫风冷； 应考虑低速的轴承润滑问题。,VVVF变频调
