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1、高压大功率变频器高压大功率变频器高压变频调速系统高压变频调速系统中中国国矿矿业业大大学学电力传动与自动控制研究所电力传动与自动控制研究所二二O一一O年四月年四月蒯松岩蒯松岩(博士、副教授博士、副教授)高压大功率变频器高压大功率变频器第一章第一章电力电子高压变电力电子高压变频器的主要类型频器的主要类型高压大功率变频器高压大功率变频器1.概述按国际标准(IEC60038:1983)和中国国家标准(GB156-2003)的规定。电压被分为245kv四个等级。在135k电压段，我国使用3kv、6kv、10kv和35kv四个标准电压。习惯上将3kv、6kV、10kv电动机称为高压电动机，相应地,将用于驱
2、动该电压等级电动机的变频器通称为高压变频器。高压大功率变频器高压大功率变频器在欧美国家，在此电压区段常见的标准电压有3.3kV、6.6kv、11kV、4.16kV(该电压仅适用于北美洲)等多种，归属中压范畴，相应电压等级的变频器一般称中压变频器。高压变频器是应高压交流电动机无级调速的需要而诞生的，它利用电力电子器件的通断作用将工频电源变换成为了另一种频率的电能控制装置，直接供给高压电动机使用。高压变频器是迄今为止最理想的高压电动机的调速装置。高压大功率变频器高压大功率变频器1.1高压变频器的发展高压变频器是随着大功率电力电子器件的迅速发展而发展起来的，只要电力电子器件有了新的发展，高压变频器就
3、一定有个新飞跃。从主回路结构上来看，高压变频器的发展可分为两个阶段。高压大功率变频器高压大功率变频器第一阶段是以晶闸管(SCR)作为主要电力电子器件的交交型高压变频器产品;第二阶段是广泛采用了双极性晶体管(GTR)、绝缘栅双极性晶体管(IGBT)、集成门极换流晶闸管(IGCT)等电力电子器件的交-直-交型高压变频器产品。高压大功率变频器高压大功率变频器国外第一台高压变频器交一交变频调速的异步电动机矢量控制系统，由日本的东芝电器公司在1980年研制成功.电动机容量为1800kw。1981年，德国西门子公司研制成功了交一交变频的同步电动机矢量控制系统，电动机容量为4000kw。1982年，口本富士
4、公司研制成功了交一交变频的同步电动机调速系统.用于初轧万L主传动，电动机容量2500kw。高压大功率变频器高压大功率变频器国内开发、研制工作是从20世纪80年代末开始的，到20世纪90年代陆续推出了国产的高压变频器。1994年，冶金部自动化研究院为天津中板厂成功研制了5000kw轧机全数字交一交变频同步电动机调速系统。高压大功率变频器高压大功率变频器1.2高压变频器的工作原理、电路构成1.2.1工作原理按照电机学的基本原理，交流异步电动机的转速满足如下的关系式:式中:n电动机的实际转速;no电动机的同步转速:p电动机的极对数;f电动机的运行频率;s电动机的滑差。高压大功率变频器高压大功率变频器
5、从式中看出，电动机的同步转速no正比于电动机的运行频率(no=60f/p)。由于滑差s一般情况下比较小(00.05)，电动机的实际转速n约等于电动机的同步转速no，所以调节电动机的供电频率f,就能改变电动机的实际转速。这就是高压变频器的工作原理。高压大功率变频器高压大功率变频器电动机的滑差s和负载有关，负载越大则滑差越大。在电源频率不变的情况下，电动机的实际转速还会随负载的增加而略有下降。高压大功率变频器高压大功率变频器1.2.2电路构成高压变频器的技术种类多种多样。但是，无论对哪种产品而言。从电路构成上来说，高压变频器的电路都分为主电路和控制电路两部分，其电路框图如图1-1所示。高压大功率变
6、频器高压大功率变频器主电路(IGBT、IGCT、GTR等电力电子器件做逆变器件)给电动机提供调压、调频电源:此电源的输出电压或输出电流及频率，由控制电路的控制指令进行控制;而控制指令则根据外部的运转指令进行运算获得;高压大功率变频器高压大功率变频器对于需要更精密速度控制或快速响应的场合，运算内容还应包含变频器主电路和传动系统检测出来的信号;保护电路除用于防止因变频器主电路的过电压、过电流引起的损坏外.还应保护电动机及传动系统。高压大功率变频器高压大功率变频器图1-1高压变频器的电路框图高压大功率变频器高压大功率变频器1、主电路给电动机提供调压调频电源的电力变换部分，称为变频器的主电路。通常，高
7、压变频器的主电路由三部分构成,即将工频电源电压变换为直流功率的整流器，吸收整流器和逆变器产生的电压或电流脉动的滤波电路,以及将直流功率变换为交流功率的逆变器。高压大功率变频器高压大功率变频器2、控制电路给异步电动机供电(电压、频率可调)的主电路提供控制信号的电路，称为控制电路。如图1-1所示，在点画线框内，仅以控制电路A部分构成控制电路时，无速度检测电路，为开环控制:在控制电路B部分，增加了速度检测电路，因此，对于转速指令，可以进行使电动机的转速控制更精确的闭环控制。高压大功率变频器高压大功率变频器在控制电路中.又包括以下几部分电路。运算电路。将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号
8、进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率。电压、电流检测电路。与主电路电位隔离，检测电压、电流等的电路。驱动电路。为驱动开关器件的电路。它与控制电路隔离，使主电路开关器件导通、关断。高压大功率变频器高压大功率变频器速度检测电路。以装在电动机轴上的速度传感器的信号为速度信号，将其送入运算电路，根据指令和运算结果可使电动机按指令转速运转，保护电路。检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时，为了防止变频器和异步电动机的损坏，使变频器停止工作或抑制电压、电流值。通常，保护电路可分为变频器保护和异步电动机保护两种。高压大功率变频器高压大功率变频器1.2.3分类1.2.3.1按电压等级分类按电
9、压等级分类按电压等级不同，变频器可分为;高压变领器、中压变频器和低压变频器。按照国际惯例,电压10kV时称高压,110kV为中压，1kv时称低压。与其电压范围相对应的变频器分别称为高压变频器、中压变频器、低压变频器。在我国，习惯上把10kV、6KV或3kV的电动机均称为高压电动机，相应的电压为10kV、6kV或3kV的变频器均称高压变频器。高压大功率变频器高压大功率变频器1.2.3交交-直直-交和交交和交-交变压变频器交变压变频器从整体结构上看，电力电子变压变频器可分为交-直-交和交-交两大类。1.交交-直直-交变压变频器交变压变频器交-直-交变压变频器先将工频交流电源通过整流器变换成直流，再
10、通过逆变器变换成可控频率和电压的交流，如1-2图所示。高压大功率变频器高压大功率变频器交-直-交变压变频器基本结构图1-2交-直-交（间接）变压变频器 变压变频变压变频(VVVF)中间直流环节中间直流环节恒压恒频恒压恒频(CVCF)逆变逆变DCACAC50Hz整流整流高压大功率变频器高压大功率变频器由于这类变压变频器在恒频交流电源和变频交流输出之间有一个“中间直流环节”，所以又称间接式的变压变频器。具体的整流和逆变电路种类很多，当前应用最广的是由二极管组成不控整流器和由功率开关器件（P-MOSFET，IGBT等）组成的脉宽调制（PWM）逆变器，简称PWM变压变频器，如1-3图所示。高压大功率变
11、频器高压大功率变频器交-直-交PWM变压变频器基本结构图1-3交-直-交PWM变压变频器变压变频变压变频(VVVF)中间直流环节中间直流环节恒压恒频恒压恒频(CVCF)PWM逆变器逆变器DCACAC50Hz调压调频调压调频C高压大功率变频器高压大功率变频器PWM变压变频器的应用之所以如此广泛，是由于它具有如下的一系列优点：（1）在主电路整流和逆变两个单元中，只有逆变单元可控，通过它同时调节电压和频率，结构简单。采用全控型的功率开关器件，只通过驱动电压脉冲进行控制，电路也简单，效率高。高压大功率变频器高压大功率变频器（2）输出电压波形虽是一系列的PWM波，但由于采用了恰当的PWM控制技术，正弦基
12、波的比重较大，影响电机运行的低次谐波受到很大的抑制，因而转矩脉动小，提高了系统的调速范围和稳态性能。高压大功率变频器高压大功率变频器（3）逆变器同时实现调压和调频，动态响应不受中间直流环节滤波器参数的影响，系统的动态性能也得以提高。（4）采用不可控的二极管整流器，电源侧功率因素较高，且不受逆变输出电压大小的影响。高压大功率变频器高压大功率变频器PWM变压变频器常用的功率开关器件有：P-MOSFET，IGBT，GTO和替代GTO的电压控制器件如IGCT、IEGT等。受到开关器件额定电压和电流的限制，对于特大容量电机的变压变频调速仍只好采用半控型的晶闸管（SCR），并用可控整流器调压和六拍逆变器调
13、频的交-直-交变压变频器，见图1-4。高压大功率变频器高压大功率变频器普通交-直-交变压变频器的基本结构SCR可控可控整流器整流器六六拍拍逆变器逆变器DCACAC50Hz调频调频调压调压图1-4可控整流器调压、六拍逆变器调频的交-直-交变压变频器高压大功率变频器高压大功率变频器2.交-交变压变频器交-交变压变频器的基本结构如下图所示，它只有一个变换环节，把恒压恒频（CVCF）的交流电源直接变换成VVVF输出，因此又称直接式变压变频器。有时为了突出其变频功能，也称作周波变换器（Cycloconveter）。高压大功率变频器高压大功率变频器交-交变压变频器的基本结构图1-5交-交（直接）变压变频器
14、交交变频交交变频AC50HzACCVCFVVVF高压大功率变频器高压大功率变频器常用的交-交变压变频器输出的每一相都是一个由正、反两组晶闸管可控整流装置反并联的可逆线路。也就是说，每一相都相当于一套直流可逆调速系统的反并联可逆线路（图1-5a）。高压大功率变频器高压大功率变频器交-交变压变频器的基本电路结构VRVFId-Id+-+a)电路结构负负载载50Hz50Hzu0图1-5-a交-交变压变频器每一相的可逆线路高压大功率变频器高压大功率变频器交-交变压变频器的控制方式整半周控制方式整半周控制方式正、反两组按一定周期相互切换，在负载上就获得交变的输出电压u0，u0的幅值决定于各组可控整流装置的
15、控制角，u0的频率决定于正、反两组整流装置的切换频率。如果控制角一直不变，则输出平均电压是方波，如图1-5b所示。高压大功率变频器高压大功率变频器图1-5-b方波型平均输出电压波形tu0正组通正组通反组通反组通正组通正组通反组通反组通输出电压波形高压大功率变频器高压大功率变频器控制方式（2） 调制控制方式调制控制方式要获得正弦波输出，就必须在每一组整流装置导通期间不断改变其控制角。例如例如：在正向组导通的半个周期中，使控制角由/2（对应于平均电压u0=0）逐渐减小到0（对应于u0最大），然后再逐渐增加到/2（u0再变为0），如图1-6所示。高压大功率变频器高压大功率变频器2AO t = = 0
16、 2 = BCDEFu0图1-6交-交变压变频器的单相正弦波输出电压波形输出电压波形高压大功率变频器高压大功率变频器当角按正弦规律变化时，半周中的平均输出电压即为图中虚线所示的正弦波。对反向组负半周的控制也是这样。高压大功率变频器高压大功率变频器单相交交变频电路输出电压和电流波形高压大功率变频器高压大功率变频器三相交交变频电路三相交交变频电路可以由3个单相交交变频电路组成，其基本结构如下图所示。如果每组可控整流装置都用桥式电路，含1个晶闸管（当每一桥臂都是单管时），则三相可逆线路共需31个晶闸管，即使采用零式电路也须18个晶闸管。高压大功率变频器高压大功率变频器三相交交变频器的基本结构高压大功
17、率变频器高压大功率变频器输出星形联结方式三相交交变频电路高压大功率变频器高压大功率变频器三相桥式交交变频电路高压大功率变频器高压大功率变频器图1-8交-交变频器的结构示意图高压大功率变频器高压大功率变频器因此，这样的交-交变压变频器虽然在结构上只有一个变换环节，省去了中间直流环节，看似简单，但所用的器件数量却很多，总体设备相当庞大。不过这些设备都是直流调速系统中常用的可逆整流装置，在技术上和制造工艺上都很成熟，目前国内有些企业已有可靠的产品。高压大功率变频器高压大功率变频器这类交-交变频器的其他缺点是：输入功率因数较低，谐波电流含量大，频谱复杂，因此须配置谐波滤波和无功补偿设备。其最高输出频率
18、不超过电网频率的1/31/2，一般主要用于轧机主传动、球磨机、水泥回转窑等大容量、低转速的调速系统，供电给低速电机直接传动时，可以省去庞大的齿轮减速箱。高压大功率变频器高压大功率变频器近年来又出现了一种采用全控型开关器件的矩阵式交-交变压变频器，类似于PWM控制方式，输出电压和输入电流的低次谐波都较小，输入功率因数可调，能量可双向流动，以获得四象限运行，但当输出电压必须为正弦波时，最大输出输入电压比只有0.811。目前这类变压变频器尚处于开发阶段，其发展前景是很好的。高压大功率变频器高压大功率变频器3电压源型和电流源型逆变器电压源型和电流源型逆变器在交-直-交变压变频器中，按照中间直流环节直流
19、电源性质的不同，逆变器可以分成电电压压源源型型和电电流流源源型型两类，两种类型的实实际际区区别别在在于于直直流流环环节节采采用用怎怎样样的的滤滤波波器器。图1-9绘出了电压源型和电流源型逆变器的示意图。高压大功率变频器高压大功率变频器两种类型逆变器结构LdIdCdUdUd+-a)电压源逆变器b)电流源逆变器图1-9电压源型和电流源型逆变器示意图高压大功率变频器高压大功率变频器1.电流源型变频器常规电流源变频器输入端采用可控整流,控制电流的大小;中间采用大电感,对电流进行平滑。逆变桥将直流电流转换为频率可变的交流电流，供给交流电动机。负载换流式电流源型变频器(LCI)的结构如图1-10所示。高压
20、大功率变频器高压大功率变频器图1-10负载换流式电流源型变频器的结构示意图高压大功率变频器高压大功率变频器2.电压源型变频器电压源型变频器输入端一般不可控，大多采用二极管进行全波整流;中间采用大电容滤波，对电压进行平滑。逆变桥采用PWM控制技术，既控制电压输出波形中交流基波的幅值大小，也控制交流基波电压的频率。电压源型变频器的结构如图1-11所示。高压大功率变频器高压大功率变频器图1-11电压源型变频器的结构示意图高压大功率变频器高压大功率变频器性能比较两类逆变器在主电路上虽然只是滤波环节的不同，在性能上却带来了明显的差异，主要表现如下：（1）无功能量的缓冲）无功能量的缓冲在调速系统中，逆变器
21、的负载是异步电机，属感性负载。在中间直流环节与负载电机之间，除了有功功率的传送外，还存在无功功率的交换。滤波器除滤波外还起着对无功功率的缓冲作用，使它不致影响到交流电网。高压大功率变频器高压大功率变频器因此，两类逆变器的区别还表现在采用什么储能元件（电容器或电感器）来缓冲无功能量。（2）能量的回馈）能量的回馈用电流源型逆变器给异步电机供电的电流源型变压变频调速系统有一个显著特征，就是容易实现能量的回馈，从而便于四象限运行，适用于需要回馈制动和经常正、反转的生产机械。高压大功率变频器高压大功率变频器下面以由晶闸管可控整流器UCR和电流源型串联二极管式晶闸管逆变器CSI构成的交-直-交变压变频调速
22、系统（如下图所示）为例，说明电动运行和回馈制动两种状态。高压大功率变频器高压大功率变频器图6-16-a电流源型交-直-交变压变频调速系统的两种运行状态M3+-UdIdLdCSI电动Te 逆变UCRa）电动运行电动运行状态P高压大功率变频器高压大功率变频器当电动运行时，UCR的控制角，电动机以转速运行，电功率的传送方向如上图a所示。高压大功率变频器高压大功率变频器图6-16-b电流源型交-直-交变压变频调速系统的两种运行状态M3+-UdIdLdCSI 90o有源逆变1发电Te整流UCRb）逆变运行逆变运行状态P高压大功率变频器高压大功率变频器如果降低变压变频器的输出频率1，或从机械上抬高电机转速
23、，使190，则异步电机转入发电状态，逆变器转入整流状态，而可控整流器转入有源逆变状态，此时直流电压Ud立即反向，而电流Id方向不变，电能由电机回馈给交流电网（图b）。高压大功率变频器高压大功率变频器与此相反，采用电压源型的交-直-交变压变频调速系统要实现回馈制动和四象限运行却很困难，因为其中间直流环节有大电容钳制着电压的极性，不可能迅速反向，而电流受到器件单向导电性的制约也不能反向，所以在原装置上无法实现回馈制动。高压大功率变频器高压大功率变频器必须制动时，只得在直流环节中并联电阻实现能耗制动，或者与UCR反并联一组反向的可控整流器，用以通过反向的制动电流，而保持电压极性不变，实现回馈制动。这
24、样做，设备要复杂多了。高压大功率变频器高压大功率变频器性能比较（续）（3）动动态态响响应应正由于交-直-交电流源型变压变频调速系统的直流电压可以迅速改变，所以动态响应比较快，而电压源型变压变频调速系统的动态响应就慢得多。（4）输输出出波波形形电压源型逆变器输出的电压波形为方波，电流源型逆变器输出的电流波形为方波（见下表）。高压大功率变频器高压大功率变频器性能比较（续）两种逆变器输出波形比较高压大功率变频器高压大功率变频器性能比较（续）（4）应用场合）应用场合电压源型逆变器属恒压源，电压控制响应慢，不易波动，所以适于做多台电机同步运行时的供电电源，或单台电机调速但不要求快速起制动和快速减速的场合
25、。采用电流源型逆变器的系统则相反，不适用于多电机传动，但可以满足快速起制动和可逆运行的要求。高压大功率变频器高压大功率变频器4按电平数分类按电平数不同，变频器可分为:两电平变频器、三电平变频器、多电平变频器。1.两电平变频器两电平变频器的典型电路结构如图1-12所示，其输出线电压波形如图1-13所示。高压大功率变频器高压大功率变频器图1-12两电平变频器典型电路结构示意图 高压大功率变频器高压大功率变频器假设整流桥整流输出电压为E，直流母线中点为参考电位点，由于上、下管只能互补工作，则每个桥臂的输出电压要么为+E/2要么为E/2，只有两个状态，所以称为两电平。但对于变频器输出的线电压而言，则存
26、在+E、0、-E三个电平状态。高压大功率变频器高压大功率变频器拓扑结构两电平两电平MRST+-VDC linkDC link busbarDC link busbarRST+-VDC linkDC link busbarDC link busbarEquivalent circuit of inverterInverter with IGBTs and free-wheeling diodes M101010带带 IGBT 和续流二极管的逆变器和续流二极管的逆变器等效电路图等效电路图变频器每次只切换一次的运行变频器每次只切换一次的运行 Vmax = VDC link高压大功率变频器高压大功率变
27、频器图1-13两电平变频器输出线电压波形高压大功率变频器高压大功率变频器2.三电平变频器三电平PWM电压源型变频器采用12只可关断功率器件(IGBT或高压IGBT与钳位二极管构成带中性点的逆变电路(NPC)。同一个桥臂中，V1和V3:互补，V2和V4互补。假设每个整流桥整流输出电压为E。则每相对中点Z的输出电压有+E、0、-E共三个状态，所以称三电平。高压大功率变频器高压大功率变频器与两电平PWM变频器相比，其输出电压的电平数增加，易于实现谐波的相互补偿，输出波形有所改善。三电平变频器输出的线电压，则存在+2E、+E、0、-E、-2E五个电平状态。三电平变频器典型电路结构如图1-14所示。其输
28、出线电压波形如图1-15所示。高压大功率变频器高压大功率变频器图1-14三电平变频器典型结构电路示意图三电平高压逆变器三电平高压逆变器M3+-直流环节网侧整流器03电平逆变器DC100 Hz1 Hz50/60 Hz3-ph. 2.3 - 36 kV AC50/60 Hz高压大功率变频器高压大功率变频器三三电平输出逆变器+-直流环节03 电平逆变器L1L2L3L1L2L3t1U1V1V2V5V6v3v4高压大功率变频器高压大功率变频器电机侧逆变器0+_逆变器每相结构 Ud2Ud2+0_交流电动机直流环节3电平逆变器00高压大功率变频器高压大功率变频器图1-15三电平变频器输出线电压波形高压大功率
29、变频器高压大功率变频器(+)(0)(0)()(+)2电平/3电平电压源型直流环节连接变频器的比较UdPhase-phase voltage U12 电平逆变器3 电平逆变器ABCDEUd负载电流05101520load currenttimemsec+0-+-高压大功率变频器高压大功率变频器3.单元串联多电平变频器当输出电压为610kV时，一般采用多电平电路形式(CMSL)，它是由若干个低压PWM变频功率单元，以输出电压串联方式(功率单元为三相输入、单相输出)来实现直接高压输出的方法。相对于两电平和三电平变频器，单元串联多电平变频器的输出电压电平数更多，电压梯度变化更小，波形更接近正弦波。多电
30、平变频器典型电路结构如图1-16所示，其输出线电压波形如图1-17所示。高压大功率变频器高压大功率变频器图1-16多电平变频器典型电路结构示意图高压大功率变频器高压大功率变频器图1-17多电平变频器输出线电压波形高压大功率变频器高压大功率变频器5按控制方式分类按控制方式分类按控制方式不同，变频器可分为:恒压频比控制矢量控制直接转矩控制。高压大功率变频器高压大功率变频器1.3常见的高压变频器产品随着电力电子功率器件的快速发展，出现了各种各样的高压变频器产品。目前，在市场上应用较多、技术比较可靠的产品有两电平电流源型高压变频器、三电平电压源型高压变频器和单元串联多电平的高压变频器。高压大功率变频器
31、高压大功率变频器1.3.1两电平电流源型高压变频器两电平电流源型高压变频器高-高电流源方式的高压变频器电路结构示意图如图1-18所示。其输入侧为了防止共模电压和降低谐波，一般加入了隔离变压器，采用晶闸管进行多脉冲可控整流;直流环节采用电感储能:逆变侧用SGCT作为开关器件，进行电流的PWM控制(必须有滤波器配合)。由于器件的耐压水平有限，必须采用多个器件串联，为传统的两电平结构，电流源型高压变频器产品的典型代表是AB公司的Bulletin1557M和PowerFlex7000。高压大功率变频器高压大功率变频器电流源型变频器的突出特点是:当输入侧采用晶闸管进行移相整流时，随着负载的下降，晶闸管触
32、发角后移，导致变频器的网侧功率因数逐步下降，负载越轻，功率因数下降越多，所以往往需要进行功率因数补偿。高压大功率变频器高压大功率变频器由于功率因数是随负载不断变化的,常规的静态无功补偿装置难以适应这种变化，一般总处于欠补或过补的工况。电流源型变频器的这种特性如图1-19所示。高压大功率变频器高压大功率变频器图1-18高-高电流源方式的高压变频器电路结构示意图图1-19电流源型变频器中功率因数与负载的关系高压大功率变频器高压大功率变频器问题:器件串联的均压问题由于电流源型高压变频器需要器件串联，而这些器件都工作在开关状态，稳态导通时，器件承受的电压为零。稳态关断时，施加在桥臂两端的电压由所有串联
33、器件所分担，这时漏电流小的器件将承受比平均值高的电压值。在桥臂导通的动态过程中，导通较慢的器件将承受比平均值高的电压值。桥臂关断的动态过程中,关断较快的器件也将承受比平均值高的电压值。高压大功率变频器高压大功率变频器为了解决分压不均的问题，首先必须挑选开关特性一致、漏电流一致的器件组成桥臂。如果器件特性不一致，承受过高电压的器件击穿短路后，所有电压将由剩余器件承担，继而导致桥臂的其他器件因过电压而损坏:而且同桥臂鉴件特性的一致性要求较高，给备品、备件增加了一定困难。高压大功率变频器高压大功率变频器基于输入侧的可控整流,电流源型变频器先天具有能量回馈优势。当负载处于发电状态时，只要将整流桥触发角
34、进一步后移，使整流桥进入逆变工作状态，能量就可以从变频器回馈到电网。在矿井提升、频繁正反转的轧机、大惯性负载的紧急制动等场合，一般广泛应用电流源型变频器。高压大功率变频器高压大功率变频器为了解决输入侧功率因数低及谐波大的问题，目前国外生产电流源型变频器的厂家对产品进行了改进，如图1-20所示。其输入侧取消了隔离变压器,代之以输入滤波器,整流桥也采用SGCT器件串联，进行PWM整流，可以实现对输入侧功率因数的调节，同时降低网侧谐波。但这种变频器价格昂贵，使用成本高昂。高压大功率变频器高压大功率变频器图1-20改进型的电流源型变频器高压大功率变频器高压大功率变频器电流源型高压变频器的特点归纳如下:
35、电网侧功率因数低，谐波大,而且随着工况的变化而变，补偿困难;输出端需要滤波器(一般设备内置)，电流波形无法实现全范围优化:抗电网波动能力差，超过一15%一般立即停机;抗负载短路能力强，一般不会因负载短路引起设备故障;在保护措施上，一般不允许直接带载跳闸，否则易导致设备过压损坏;高压大功率变频器高压大功率变频器存在器件串联均压问题,可靠性差，备件困难;采用SGCT器件，最高输出电压6.6KV，未见10KV产品;变压器可以异地安装，但增加了现场施工量;为了改善输入侧的功率因数，降低谐波含量，整流桥也可以采用PWM整流，但造价高昂;电流源型变频器的最大优点是可以四象限运行,但是需要回馈能量的负载毕竟
36、不是太多,多以电流源型变频器的市场竞争能力已经逐渐变弱。高压大功率变频器高压大功率变频器1.3.2三电平电压源型高压变频器三电平电压源型高压变频器三电平电压源型高压变频器的典型电路结构如图1-21所示,其输入端采用12脉冲整流，两个三相全桥串联。直流回路采用电容储能，逆变桥由高压IGBT或IGCT组成三电平式电路，中心点用二极管钳位。三电平电压源型高压变频器产品的典型代表是西门子公司的SIMOVERTMV系列和ABB公司的ACS1000,ACS6000系列。高压大功率变频器高压大功率变频器图1-21三电平电压源型高压变频器的典型电路结构高压大功率变频器高压大功率变频器由图1-21可见，三电平电
37、压源型高压变频器逆变桥的一个桥臂中，V1和V3互补，V2和V4互补。从表1-1可以看出，任何时候都不会出现两个器件同时导通或同时关断的情形。所以不存在器件串联的均压问题。高压大功率变频器高压大功率变频器假设每个整流桥整流输出电压为E，两个整流桥的串联点为参考电位点，根据V1V4四个器件的开关状态变化，每相输出对中点Z的电压可为+E、0、-E共三个状态，所以称三电平，如图1-22所示。相应的另一相对中点Z的电位也是+E、0、-E三个状态,两个相电压相减后形成的线电压将有+2E、+E、0、-E、-2E共五个电平状态。高压大功率变频器高压大功率变频器图1-22三电平输出的相电压及线电压高压大功率变频
38、器高压大功率变频器常规的三电平电压源型高压变频器，一般采用12脉冲全波整流，由于其整流器件为二极管，所以能量不能回馈到电网。为了实现能量回馈和改善网侧电能指标，现在三电平变频器输入侧采用可控PWM整流，输入谐波低，输入功率因数可调,电动机调速动态性能较高。高压大功率变频器高压大功率变频器图1-23三电平网侧电压和电流波形高压大功率变频器高压大功率变频器输出侧线电压为五电平波形，电压跳变台阶为一半的直流母线电压，dv/dt较大，谐波失真达到29%,电流失真可以达到17%,如图1-24所示。高压大功率变频器高压大功率变频器图1-24三电平输出侧电压波形和电流波形高压大功率变频器高压大功率变频器三电
39、平电压源型高压变频器具有如下特点:输入一般采用12脉冲整流方式，对谐波要求严格时仍然需要进行谐波抑制;输出侧的谐波含量较高，dv/dt较大，仍然需要滤波器(一般在设备内置)，否则影响电动机绝缘:高压大功率变频器高压大功率变频器受器件耐压水平限制，最高电压输出只能到4.16KV，有些变频器通过内置变压器升压，可以提供6kV输出，目前在进口产品中，没有见到10kV的产品;三电平电压源型高压变频器主回路器件发生故障时，只能停机。无法实现“带病”降额运行;高压大功率变频器高压大功率变频器电动机电压和电网电压不等，不便于系统旁路(采用星/三角转换方式的6kV电动机必须重新改回星形连接);主器件数较少，但
40、辅助器件较多;由于整流变压器与变频器的整流电路部分连线不多，整流变压器可以独立于变频器而分开放置。高压大功率变频器高压大功率变频器三电平电压源型高压变频器由于输出电压不高的问题，主要的应用范围为一些特种领域，如轧钢机、轮船驱动、机车牵引、提升机等，这些领域的电动机都是特殊定制的，电压可以不是标准电压。三电平电压源型高压变频器的更大发展有待于更高耐压的功率器件的出现和现有产品可靠性的进一步提高。高压大功率变频器高压大功率变频器1.3.3单元串联多电平高压变频器功率单元串联多电平高压变频器的工作原理图如图1-25所示。此变频器采用多个低压的功率单元串联实现高压输出，输入侧的降压变压器采用移相方式,
41、可有效消除对电网的谐波污染，输出侧采用多电平正弦PWM技术可适用于任何电压的普通电动机。高压大功率变频器高压大功率变频器另外某个功率单元在出现故障时，可自动退出系统.而其余的功率单元可继续保持电动机的运行，减少停机时造成的损失。系统采用模块化设计，模块出现故障时可迅速替换。由此可见，单元串联多电平高压变频器的市场竞争力很强.高压大功率变频器高压大功率变频器图1-25功率单元串联多电平高压变频器工作原理图高压大功率变频器高压大功率变频器1.4高压变频器的功用高压电动机利用高压变频器可以实现无级调速，满足生产工艺过程对电动机调速控制的要求，以提高产品的产量和质量，又可大幅度节约能源，降低生产成本，
42、减少环境污染。同时，高压变频器还具有减少启动电流的功能，能够延长机组的使用寿命。因此。高压变频器在生产实际中,产生了巨大的社会效益和经济效益,其功用表现为以下几个方面。高压大功率变频器高压大功率变频器1.显著的节能效益2.优化运行工艺多台传送带电动机，根据所生产的产品，通过调整传送带的速度来提高生产率。在传送带上应用变频工艺控制系统具有以下优点:提高生产率。可利用现有设备、传送带上的齿轮电动机和传送带进行改动。可用一台变频器来控制多数电动机的驱动，这些电动机均并接到一台变频器.通过变频器的频率设定可以保证多台电动机的同步运行。高压大功率变频器高压大功率变频器可调的运行速度。可调的转矩极限。可逆
43、运行控制。减少机械传动部件。高压大功率变频器高压大功率变频器3.提高生产效率和机组自动化水平保证加工工艺中的最佳转速适应负载不同工况的最佳转速设备的自动化程度提高多台电动机的统一控制机械装置的简单化,标准化运行可靠性的提高高压大功率变频器高压大功率变频器4.改善控制品质高精度的准确停车平滑的加减速高精度的转速控制5.延长设备使用寿命控制电动机的启动电流可控的加速功能受控的停止方式平均转速下降而使设备寿命延长高压大功率变频器高压大功率变频器变压变频调速的基本控制方式变压变频调速的基本控制方式第第 2 章章高压大功率变频器高压大功率变频器概概 述述 异步电机的变压变频调速系统一般简称为变频调速系统
44、。由于在调速时转差功率不随转速而变化，调速范围宽，无论是高速还是低速时效率都较高，在采取一定的技术措施后能实现高动态性能，可与直流调速系统媲美。高压大功率变频器高压大功率变频器2.1变压变频调速的基本控制方式变压变频调速的基本控制方式在进行电机调速时，常须考虑的一个重要因素是：希望保持电机中每极磁通量m为额定值不变。如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；如果过分增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。高压大功率变频器高压大功率变频器对于直流电机，励磁系统是独立的，只要对电枢反应有恰当的补偿，m保持不变是很容易做到的。在交流异步电机中，磁通m由
45、定子和转子磁势合成产生，要保持磁通恒定就需要费一些周折了。高压大功率变频器高压大功率变频器定子每相电动势（2-1） 式中：Eg 气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值，单位为V；定子频率，单位为Hz； 定子每相绕组串联匝数； 基波绕组系数； 每极气隙磁通量，单位为Wb。 f1NskNsm高压大功率变频器高压大功率变频器由式（2-1）可知，只要控制好Eg和f1，便可达到控制磁通m的目的，对此，需要考虑基频（额定频率）以下和基频以上两种情况。 高压大功率变频器高压大功率变频器1.基频以下调速由式（2-1）可知，要保持m不变，当频率f1从额定值f1N向下调节时，必须同时降低Eg，使常值 （2-2）
46、即采用恒值电动势频率比的控制方式采用恒值电动势频率比的控制方式。 高压大功率变频器高压大功率变频器恒压频比的控制方式然而，绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压UsEg，则得（2-3）这是恒压频比的控制方式恒压频比的控制方式。高压大功率变频器高压大功率变频器但是，在低频时Us和Eg 都较小，定子阻抗压降所占的份量就比较显著，不再能忽略。这时，需要人为地把电压Us抬高一些，以便近似地补偿定子压降近似地补偿定子压降。带定子压降补偿的恒压频比控制特性示于图2-1中的b 线，无补偿的控制特性则为a 线。 高压大功率变频器高压大功率变频器O
47、Usf 1图2-1恒压频比控制特性带压降补偿的恒压频比控制特性UsNf 1Na 无补偿无补偿 b 带定子压降补偿带定子压降补偿 高压大功率变频器高压大功率变频器2.基频以上调速在基频以上调速时，频率应该从f1N向上升高，但定子电压Us却不可能超过额定电压UsN，最多只能保持Us = UsN，这将迫使磁通与频率成反比地降低，相当于直流电机弱磁升速的情况。把基频以下和基频以上两种情况的控制特性画在一起，如图2-2所示。 高压大功率变频器高压大功率变频器f1N变压变频控制特性图2-2异步电机变压变频调速的控制特性 恒转矩调速恒转矩调速UsUsNmNm恒功率调速恒功率调速mUsf1O高压大功率变频器高
48、压大功率变频器如果电机在不同转速时所带的负载都能使电流达到额定值，即都能在允许温升下长期运行，则转矩基本上随磁通变化，按照电力拖动原理，在基频以下，磁通恒定时转矩也恒定，属于“恒转矩调速”性质，而在基频以上，转速升高时转矩降低，基本上属于“恒功率调速”。返回目录返回目录高压大功率变频器高压大功率变频器2.2异步电动机电压频率协调控制时异步电动机电压频率协调控制时的机械特性的机械特性本节提要本节提要恒压恒频正弦波供电时异步电动机的机械恒压恒频正弦波供电时异步电动机的机械特性特性基频以下电压基频以下电压-频率协调控制时的机械特性频率协调控制时的机械特性基频以上恒压变频时的机械特性基频以上恒压变频时
49、的机械特性恒流正弦波供电时的机械特性恒流正弦波供电时的机械特性高压大功率变频器高压大功率变频器2.2.1恒压恒频正弦波供电时异步电动机的恒压恒频正弦波供电时异步电动机的机械特性机械特性当定子电压Us和电源角频率1恒定时，异步电机在恒压恒频正弦波供电时的机械特性方程式Te=f(s)可以改写成如下形式：（2-4） 高压大功率变频器高压大功率变频器特性分析当s很小时，可忽略上式分母中含s各项，则（2-5）也就是说，当s很小时，转矩近似与s成正比，机械特性Te=f（s）是一段直线，见图2-3。高压大功率变频器高压大功率变频器特性分析（续）当s 接近于1时，可忽略式（2-4）分母中的Rr ，则（2-6）
50、即s接近于1时转矩近似与s成反比，这时，Te=f（s）是对称于原点的一段双曲线。高压大功率变频器高压大功率变频器机械特性当s 为以上两段的中间数值时，机械特性从直线段逐渐过渡到双曲线段，如图所示。smnn0sTe010TeTemaxTemax图2-3恒压恒频时异步电机的机械特性高压大功率变频器高压大功率变频器2.2.2基频以下电压基频以下电压-频率协调控制时的频率协调控制时的机械特性机械特性由式（2-4）机械特性方程式可以看出，对于同一组转矩Te 和转速n（或转差率s）的要求，电压Us和频率1可以有多种配合。在Us 和1的不同配合下机械特性也是不一样的，因此可以有不同方式的电压频率协调控制。高
51、压大功率变频器高压大功率变频器1.恒压频比控制（Us/1）在第1-1节中已经指出，为了近似地保持气隙磁通不变，以便充分利用电机铁心，发挥电机产生转矩的能力，在基频以下须采用恒压频比控制。这时，同步转速自然要随频率变化。（2-7） 高压大功率变频器高压大功率变频器在式（1-5）所表示的机械特性近似直线段上，可以导出 （2-9） 带负载时的转速降落为 （2-8） 高压大功率变频器高压大功率变频器由此可见，当Us/1为恒值时，对于同一转矩Te，s1是基本不变的，因而n也是基本不变的。这就是说，在恒压频比的条件下改变频率1时，机械特性基本上是平行下移，如图2-4所示。它们和直流他励电机变压调速时的情况
52、基本相似。高压大功率变频器高压大功率变频器所不同的是，当转矩增大到最大值以后，转速再降低，特性就折回来了。而且频率越低时最大转矩值越小。（2-10）高压大功率变频器高压大功率变频器可见最大转矩Temax是随着的1降低而减小的。频率很低时，Temax太小将限制电机的带载能力，采用定子压降补偿，适当地提高电压Us，可以增强带载能力，见图2-4。高压大功率变频器高压大功率变频器机械特性曲线On图2-4恒压频比控制时变频调速的机械特性补偿定子压降后的特性高压大功率变频器高压大功率变频器2.恒Eg/ 1控制下图再次绘出异步电机的稳态等效电路，图中几处感应电动势的意义如下： Eg 气隙（或互感）磁通在定子
53、每相绕组中的感应电动势； Es 定子全磁通在定子每相绕组中的感应电动势； Er 转子全磁通在转子绕组中的感应电动势（折合到定子边）。高压大功率变频器高压大功率变频器图2-5异步电动机稳态等效电路和感应电动势 Us1RsLlsLlrLmRr/sIsI0Ir异步电动机等效电路EgEsEr高压大功率变频器高压大功率变频器特性分析如果在电压频率协调控制中，恰当地提高电压Us的数值，使它在克服定子阻抗压降以后，能维持Eg/1为恒值（基频以下），则由式（2-1）可知，无论频率高低，每极磁通m均为常值。高压大功率变频器高压大功率变频器特性分析（续）由等效电路可以看出 （2-11）代入电磁转矩关系式，得（2-
54、12） 高压大功率变频器高压大功率变频器特性分析（续）利用与前相似的分析方法，当s很小时，可忽略式（2-12）分母中含s 项，则（2-13） 这表明机械特性的这一段近似为一条直线。高压大功率变频器高压大功率变频器特性分析（续）当s 接近于1时，可忽略式（2-12）分母中的Rr2项，则（2-14） s 值为上述两段的中间值时，机械特性在直线和双曲线之间逐渐过渡，整条特性与恒压频比特性相似。高压大功率变频器高压大功率变频器性能比较但是，对比式（2-4）和式（2-12）可以看出，恒Eg/1特性分母中含s 项的参数要小于恒Us/1特性中的同类项，也就是说，s 值要更大一些才能使该项占有显著的份量，从而
55、不能被忽略，因此恒Eg/1特性的线性段范围更宽。高压大功率变频器高压大功率变频器性能比较（续）将式（2-12）对s 求导，并令dTe/ds=0，可得恒Eg/1控制特性在最大转矩时的转差率（2-15） 和最大转矩（2-16）高压大功率变频器高压大功率变频器性能比较（续）值得注意的是，在式（2-16）中，当Eg/1为恒值时，Temax恒定不变，如下图所示，其稳态性能优于恒Us/1控制的性能。这正是恒Eg/1控制中补偿定子压降所追求的目标。高压大功率变频器高压大功率变频器机械特性曲线OnTemax图2-6恒Eg/1控制时变频调速的机械特性高压大功率变频器高压大功率变频器3.恒Er/ 1控制如果把电压
56、频率协调控制中的电压再进一步提高，把转子漏抗上的压降也抵消掉，得到恒Er/1控制，那么，机械特性会怎样呢？由此可写出（2-17） 高压大功率变频器高压大功率变频器代入电磁转矩基本关系式，得 （2-18） 现在，不必再作任何近似就可知道，这时的机械特性完全是一条直线，见图2-7。高压大功率变频器高压大功率变频器0s10Te几种电压频率协调控制方式的特性比较图2-7不同电压频率协调控制方式时的机械特性恒Er/1控制恒Eg/1控制恒Us/1控制abc高压大功率变频器高压大功率变频器显然，恒Er/1控制的稳态性能最好，可以获得和直流电机一样的线性机械特性。这正是高性能交流变频调速所要求的性能。高压大功
57、率变频器高压大功率变频器4几种协调控制方式的比较综上所述，在正弦波供电时，按不同规律实现电压频率协调控制可得不同类型的机械特性。（1）恒压频比（Us/1=Constant）控制最容易实现，它的变频机械特性基本上是平行下移，硬度也较好，能够满足一般的调速要求，但低速带载能力有些差强人意，须对定子压降实行补偿。高压大功率变频器高压大功率变频器（2）恒Eg/1控制是通常对恒压频比控制实行电压补偿的标准，可以在稳态时达到rm=Constant，从而改善了低速性能。但机械特性还是非线性的，产生转矩的能力仍受到限制。高压大功率变频器高压大功率变频器（3）恒Er/1控制可以得到和直流他励电机一样的线性机械特
58、性，按照转子全磁通rm 恒定进行控制，即得Er/1=Constant而且，在动态中也尽可能保持rm恒定是矢量控制系统的目标，当然实现起来是比较复杂的。高压大功率变频器高压大功率变频器2.2.3基频以上恒压变频时的机械特性基频以上恒压变频时的机械特性性能分析性能分析在基频以上变频调速时，由于定子电压Us= UsN不变，式（2-4）的机械特性方程式可写成（2-19） 高压大功率变频器高压大功率变频器性能分析（续）而式（2-10）的最大转矩表达式可改写成（2-20）同步转速的表达式仍和式（2-7）一样。高压大功率变频器高压大功率变频器机械特性曲线恒功率调速恒功率调速O 由此可见，当角频率提高时，同步
59、转速随之提高，最大转矩减小，机械特性上移，而形状基本不变，如图所示。图2-8基频以上恒压变频调速的机械特性高压大功率变频器高压大功率变频器由于频率提高而电压不变，气隙磁通势必减弱，导致转矩的减小，但转速升高了，可以认为输出功率基本不变。所以基频以上变频调速属于弱磁恒功率调速。最后，应该指出，以上所分析的机械特性都是在正弦波电压供电下的情况。如果电压源含有谐波，将使机械特性受到扭曲，并增加电机中的损耗。因此在设计变频装置时，应尽量减少输出电压中的谐波。高压大功率变频器高压大功率变频器小小结结电压Us与频率1是变频器异步电动机调速系统的两个独立的控制变量，在变频调速时需要对这两个控制变量进行协调控
60、制。在基频以下，有三种协调控制方式。采用不同的协调控制方式，得到的系统稳态性能不同，其中恒Er /1控制的性能最好。在基频以上，采用保持电压不变的恒功率弱磁调速方法。返回目录返回目录高压大功率变频器高压大功率变频器2.3变压变频调速系统中的脉宽调制变压变频调速系统中的脉宽调制(PWM)技术技术早期的交-直-交变压变频器所输出的交流波形都是六拍阶梯波（对于电压型逆变器）或矩形波（对于电流型逆变器），这是因为当时逆变器只能采用半控式的晶闸管，其关断的不可控性和较低的开关频率导致逆变器的输出波形不可能近似按正弦波变化，从而会有较大的低次谐波，使电机输出转矩存在脉动分量，影响其稳态工作性能，在低速运行
61、时更为明显。高压大功率变频器高压大功率变频器六拍逆变器主电路结构VT1VT1主电路开关器件 VD1VD1续流二极管VT3VT5VT4VT1VT2VT1高压大功率变频器高压大功率变频器180导通型和导通型和120导通型逆变器导通型逆变器交-直-交变压变频器中的逆变器一般接成三相桥式电路，以便输出三相交流变频电源，下图为6个电力电子开关器件VT1VT6组成的三相逆变器主电路，图中用开关符号代表任何一种电力电子开关器件。高压大功率变频器高压大功率变频器三相桥式逆变器主电路结构CdVT1VT3VT5VT4VT6VT2ABCUd2Ud2RL图6-17三相桥式逆变器主电路高压大功率变频器高压大功率变频器控
62、制方式控制各开关器件轮流导通和关断，可使输出端得到三相交流电压。在某一瞬间，控制一个开关器件关断，同时使另一个器件导通，就实现了两个器件之间的换流。在三相桥式逆变器中，有180导通型和120导通型两种换流方式。高压大功率变频器高压大功率变频器（1）180导通型控制方式同一桥臂上、下两管之间互相换流的逆变器称作180导通型逆变器。例如，当VT1关断后，使VT4导通，而当VT4关断后，又使VT1导通。这时，每个开关器件在一个周期内导通的区间是180，其他各相亦均如此。由于每隔60有一个器件开关，在180导通型逆变器中，除换流期间外，每一时刻总有3个开关器件同时导通。高压大功率变频器高压大功率变频器
63、但须注意，必须防止同一桥臂的上、下两管同时导通，否则将造成直流电源短路，谓之“直通”。为此，在换流时，必须采取“先断后通”的方法，即先给应关断的器件发出关断信号，待其关断后留一定的时间裕量，叫做“死区时间”，再给应导通的器件发出开通信号。高压大功率变频器高压大功率变频器死区时间的长短视器件的开关速度而定，器件的开关速度越快时，所留的死区时间可以越短。为了安全起见，设置死区时间是非常必要的，但它会造成输出电压波形的畸变。高压大功率变频器高压大功率变频器p输出波形tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uAOuAOuABiAiduBOuCOuOOUdUd2Ud3Ud62 U
64、d3电压型逆变电路的波形高压大功率变频器高压大功率变频器（2）120导通型控制方式120导通型逆变器的换流是在不同桥臂中同一排左、右两管之间进行的。例如，VT1关断后使VT3导通，VT3关断后使VT5导通，VT4关断后使VT6导通等等。这时，每个开关器件一次连续导通120，在同一时刻只有两个器件导通，如果负载电机绕组是Y联结，则只有两相导电，另一相悬空。高压大功率变频器高压大功率变频器p电流型三相桥式逆变电路的输出波形tOtOtOtOIdiViWuUViU返回目录返回目录高压大功率变频器高压大功率变频器六拍逆变器的谐波高压大功率变频器高压大功率变频器为了改善交流电动机变压变频调速系统的性能，在
65、出现了全控式电力电子开关器件之后，科技工作者在20世纪80年代开发了应用PWM技术的逆变器。由于它的优良技术性能，当今国内外各厂商生产的变压变频器都已采用这种技术，只有在全控器件尚未能及的特大容量时才属例外。高压大功率变频器高压大功率变频器2.3.1正弦波脉宽调制正弦波脉宽调制(SPWM)技术技术1.PWM调制原理调制原理以正弦波作为逆变器输出的期望波形，以频率比期望波高得多的等腰三角波作为载波（Carrierwave），并用频率和期望波相同的正弦波作为调制波（Modulationwave），当调制波与载波相交时，由它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而获得在正弦调制波的半个周期内呈两边
66、窄中间宽的一系列等幅不等宽的矩形波,如图2-9所示。高压大功率变频器高压大功率变频器图2-9PWM调制原理高压大功率变频器高压大功率变频器按照波形面积相等的原则，每一个矩形波的面积与相应位置的正弦波面积相等，因而这个序列的矩形波与期望的正弦波等效。这种调制方法称作正弦波脉宽调制（Sinusoidalpulsewidthmodulation，简称SPWM），这种序列的矩形波称作SPWM波。高压大功率变频器高压大功率变频器2.SPWM控制方式如果在正弦调制波的半个周期内，三角载波只在正或负的一种极性范围内变化，所得到的SPWM波也只处于一个极性的范围内，叫做单极性控制方式。如果在正弦调制波半个周期
67、内，三角载波在正负极性之间连续变化，则SPWM波也是在正负之间变化，叫做双极性控制方式。高压大功率变频器高压大功率变频器单相桥式PWM逆变电路单相桥式PWM逆变电路VT1VT2VT3VT4高压大功率变频器高压大功率变频器（1）单极性PWM控制方式高压大功率变频器高压大功率变频器（2）双极性PWM控制方式高压大功率变频器高压大功率变频器3.PWM控制电路模拟电子电路采用正弦波发生器、三角波发生器和比较器来实现上述的SPWM控制；数字控制电路硬件电路；软件实现。高压大功率变频器高压大功率变频器模拟电子电路高压大功率变频器高压大功率变频器数字控制电路自然采样法只是把同样的方法数字化，自然采样法的运算
68、比较复杂；规则采样法在工程上更实用的简化方法，由于简化方法的不同，衍生出多种规则采样法。高压大功率变频器高压大功率变频器（1）自然采样法原理高压大功率变频器高压大功率变频器（2）规则采样法高压大功率变频器高压大功率变频器规则采样法原理三角波两个正峰值之间为一个采样周期Tc自然采样法中，脉冲中点不和三角波一周期的中点（即负峰点）重合规则采样法使两者重合，每个脉冲的中点都以相应的三角波中点为对称，使计算大为简化高压大功率变频器高压大功率变频器在三角波的负峰时刻tD对正弦信号波采样得D点，过D作水平直线和三角波分别交于A、B点，在A点时刻tA和B点时刻tB控制开关器件的通断脉冲宽度d和用自然采样法得
69、到的脉冲宽度非常接近高压大功率变频器高压大功率变频器规则采样法原理正弦调制信号波式中，M 称为调制度调制度，0a 1；r为信号波角频率。从图中可得高压大功率变频器高压大功率变频器因此可得三角波一周期内，脉冲两边间隙宽度高压大功率变频器高压大功率变频器根据上述采样原理和计算公式，可以用计算机实时控制产生SPWM波形，具体实现方法有：查表法可以先离线计算出相应的脉宽d 等数据存放在内存中，然后在调速系统实时控制过程中通过查表和加、减运算求出各相脉宽时间和间隙时间。高压大功率变频器高压大功率变频器实时计算法事先在内存中存放正弦函数和Tc/2值，控制时先查出正弦值，与调速系统所需的调制度M作乘法运算，
70、再根据给定的载波频率查出相应的Tc/2值，由计算公式计算脉宽时间和间隙时间。高压大功率变频器高压大功率变频器由于PWM变压变频器的应用非常广泛，已制成多种专用集成电路芯片作为SPWM信号的发生器，后来更进一步把它做在微机芯片里面，生产出多种带PWM信号输出口的电机控制用的8位、11位微机芯片和DSP。高压大功率变频器高压大功率变频器4.PWM逆变器主电路及输出波形图2-10三相桥式PWM逆变器主电路原理图调制电路V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4ucV1VD1V5VD5VUWNNC+C+urUurVurW2Ud2UdVT1VT4VT3VT1VT5VT2高压大功率变频器高压大功率变频器图2
71、-11三相桥式PWM逆变器的双极性SPWM波形 uuUNO tOOOOUd2-Ud2uVNuWNuUVuUN t t t tO turUurVurWucUd23Ud2高压大功率变频器高压大功率变频器图2-11为三相PWM波形，其中urU、urV 、urW为U，V，W三相的正弦调制波，uc为双极性三角载波；uUN 、uVN 、uWN 为U，V，W三相输出与电源中性点N之间的相电压矩形波形；uUV为输出线电压矩形波形，其脉冲幅值为+Ud和-Ud；uUN为三相输出与电机中点N之间的相电压。高压大功率变频器高压大功率变频器电流滞环跟踪电流滞环跟踪PWM(CHBPWM)控制控制技术技术应用PWM控制技术
72、的变压变频器一般都是电压源型的，它可以按需要方便地控制其输出电压，为此前面两小节所述的PWM控制技术都是以输出电压近似正弦波为目标的。高压大功率变频器高压大功率变频器但是，在电流电机中，实际需要保证的应该是正弦波电流，因为在交流电机绕组中只有通入三相平衡的正弦电流才能使合成的电磁转矩为恒定值，不含脉动分量。因此，若能对电流实行闭环控制，以保证其正弦波形，显然将比电压开环控制能够获得更好的性能。高压大功率变频器高压大功率变频器常用的一种电流闭环控制方法是电流滞环跟踪PWM（CurrentHysteresisBandPWMCHBPWM）控制，具有电流滞环跟踪PWM控制的PWM变压变频器的A相控制原
73、理图示于图6-22。高压大功率变频器高压大功率变频器1.滞环比较方式电流跟踪控制原理图6-22 电流滞环跟踪控制的A相原理图负载L+-iiaia*V1V42Ud2UdVD4VD1HBCVT1VT4高压大功率变频器高压大功率变频器图中，电流控制器是带滞环的比较器，环宽为2h。将给定电流i*a与输出电流ia 进行比较，电流偏差ia 超过时h，经滞环控制器HBC控制逆变器A相上（或下）桥臂的功率器件动作。B、C二相的原理图均与此相同。高压大功率变频器高压大功率变频器采用电流滞环跟踪控制时，变压变频器的电流波形与PWM电压波形示于图6-23。如果，iai*a，且i*a-iah，滞环控制器HBC输出正电
74、平，驱动上桥臂功率开关器件V1导通，变压变频器输出正电压，使增大。当增长到与相等时，虽然，但HBC仍保持正电平输出，保持导通，使继续增大直到达到ia =i*a +h，ia =h，使滞环翻转，HBC输出负电平，关断V1，并经延时后驱动V4高压大功率变频器高压大功率变频器但此时未必能够导通，由於电机绕组的电感作用，电流不会反向，而是通过二极管续流，使受到反向钳位而不能导通。此后，逐渐减小，直到时，到达滞环偏差的下限值，使HBC再翻转，又重复使导通。这样，与交替工作，使输出电流给定值之间的偏差保持在范围内，在正弦波上下作锯齿状变化。从图6-23中可以看到，输出电流是十分接近正弦波的。高压大功率变频器
75、高压大功率变频器滞环比较方式的指令电流和输出电流图6-23 电流滞环跟踪控制时的电流波形高压大功率变频器高压大功率变频器图6-23给出了在给定正弦波电流半个周期内的输出电流波形和相应的相电压波形。可以看出，在半个周期内围绕正弦波作脉动变化，不论在的上升段还是下降段，它都是指数曲线中的一小部分，其变化率与电路参数和电机的反电动势有关。高压大功率变频器高压大功率变频器三相电流跟踪型PWM逆变电路图6-24三相电流跟踪型PWM逆变电路+-iUi*UV4+-iVi*V+-iWi*WV1V6V3V2V5UdUVWVT1VT4VT6VT2VT3VT5高压大功率变频器高压大功率变频器三相电流跟踪型PWM逆变
76、电路输出波形高压大功率变频器高压大功率变频器因此，输出相电压波形呈PWM状，但与两侧窄中间宽的SPWM波相反，两侧增宽而中间变窄，这说明为了使电流波形跟踪正弦波，应该调整一下电压波形。高压大功率变频器高压大功率变频器电流跟踪控制的精度与滞环的环宽有关，同时还受到功率开关器件允许开关频率的制约。当环宽选得较大时，可降低开关频率，但电流波形失真较多，谐波分量高；如果环宽太小，电流波形虽然较好，却使开关频率增大了。这是一对矛盾的因素，实用中，应在充分利用器件开关频率的前提下，正确地选择尽可能小的环宽。高压大功率变频器高压大功率变频器小小结结电流滞环跟踪控制方法的精度高，响应快，且易于实现。但受功率开
77、关器件允许开关频率的限制，仅在电机堵转且在给定电流峰值处才发挥出最高开关频率，在其他情况下，器件的允许开关频率都未得到充分利用。为了克服这个缺点，可以采用具有恒定开关频率的电流控制器，或者在局部范围内限制开关频率，但这样对电流波形都会产生影响。高压大功率变频器高压大功率变频器2.4基于异步电动机稳态模型的变压基于异步电动机稳态模型的变压变频调速变频调速本节提要本节提要转速开环恒压频比控制调速系统转速开环恒压频比控制调速系统通通用变频器用变频器-异步电动机调速系统异步电动机调速系统转速闭环转差频率控制的变压变频调速转速闭环转差频率控制的变压变频调速系统系统高压大功率变频器高压大功率变频器引言直流
78、电机的主磁通和电枢电流分布的空间位置是确定的，而且可以独立进行控制，交流异步电机的磁通则由定子与转子电流合成产生，它的空间位置相对于定子和转子都是运动的，除此以外，在笼型转子异步电机中，转子电流还是不可测和不可控的。因此，异步电机的动态数学模型要比直流电机模型复杂得多，在相当长的时间里，人们对它的精确表述不得要领。高压大功率变频器高压大功率变频器好在不少机械负载，例如风机和水泵，并不需要很高的动态性能，只要在一定范围内能实现高效率的调速就行，因此可以只用电机的稳态模型来设计其控制系统。异步电机的稳态数学模型如本章第2.2节所述，为了实现电压-频率协调控制，可以采用转速开环恒压频比带低频电压补偿
79、的控制方案，这就是常用的通用变频器控制系统。高压大功率变频器高压大功率变频器如果要求更高一些的调速范围和起制动性能，可以采用转速闭环转差频率控制的方案。本节中将分别介绍这两类基于稳态数学模型的变压变频调速系统。高压大功率变频器高压大功率变频器2.4.1转速开环恒压频比控制调速系统转速开环恒压频比控制调速系统通用变频器通用变频器-异步电动机调速系统异步电动机调速系统概述概述现代通用变频器大都是采用二极管整流和由快速全控开关器件IGBT或功率模块IPM组成的PWM逆变器，构成交-直-交电压源型变压变频器，已经占领了全世界0.5500KVA中、小容量变频调速装置的绝大部分市场。高压大功率变频器高压大
80、功率变频器所谓“通用”，包含着两方面的含义：（1）可以和通用的笼型异步电机配套使用；（2）具有多种可供选择的功能，适用于各种不同性质的负载。系统介绍系统介绍下图绘出了一种典型的数字控制通用变数字控制通用变频器频器-异步电动机调速系统异步电动机调速系统原理图。高压大功率变频器高压大功率变频器1.系统组成M3电压检测泵升限制电流检测温度检测电流检测单片机显示设定接口PWM发生器驱动电路URUIR0R1R2RbVTbKR0R1RbR2高压大功率变频器高压大功率变频器2.电路分析l主主电电路路由二极管整流器UR、PWM逆变器UI和中间直流电路三部分组成，一般都是电压源型的，采用大电容C滤波，同时兼有无
81、功功率交换的作用。高压大功率变频器高压大功率变频器主电路（续）u限流电阻限流电阻：为了避免大电容C在通电瞬间产生过大的充电电流，在整流器和滤波电容间的直流回路上串入限流电阻（或电抗），通上电源时，先限制充电电流，再延时用开关K将短路，以免长期接入时影响变频器的正常工作，并产生附加损耗。高压大功率变频器高压大功率变频器主电路（续）u泵泵升升限限制制电电路路由于二极管整流器不能为异步电机的再生制动提供反向电流的通路，所以除特殊情况外，通用变频器一般都用电阻吸收制动能量。减速制动时，异步电机进入发电状态，首先通过逆变器的续流二极管向电容C充电，当中间直流回路的电压（通称泵升电压）升高到一定的限制值时
82、，通过泵升限制电路使开关器件导通，将电机释放的动能消耗在制动电阻上。为了便于散热，制动电阻器常作为附件单独装在变频器机箱外边。高压大功率变频器高压大功率变频器图2-12三相二极管整流电路的输入电流波形主电路（续）u进进线线电电抗抗器器二极管整流器虽然是全波整流装置，但由于其输出端有滤波电容存在，因此输入电流呈脉冲波形，如图2-12所示。高压大功率变频器高压大功率变频器这样的电流波形具有较大的谐波分量，使电源受到污染。为了抑制谐波电流，对于容量较大的PWM变频器，都应在输入端设有进线电抗器，有时也可以在整流器和电容器之间串接直流电抗器。还可用来抑制电源电压不平衡对变频器的影响。高压大功率变频器高
83、压大功率变频器电路分析（续）l控控制制电电路路现代PWM变频器的控制电路大都是以微处理器为核心的数字电路，其功能主要是接受各种设定信息和指令，再根据它们的要求形成驱动逆变器工作的PWM信号，再根据它们的要求形成驱动逆变器工作的PWM信号。微机芯片主要采用8位或11位的单片机，或用32位的DSP，现在已有应用RISC的产品出现。高压大功率变频器高压大功率变频器控制电路（续）uPWM信号产生信号产生可以由微机本身的软件产生，由PWM端口输出，也可采用专用的PWM生成电路芯片。u检测与保护电路检测与保护电路各种故障的保护由电压、电流、温度等检测信号经信号处理电路进行分压、光电隔离、滤波、放大等综合处
84、理，再进入A/D转换器，输入给CPU作为控制算法的依据，或者作为开关电平产生保护信号和显示信号。高压大功率变频器高压大功率变频器控制电路（续）u信号设定信号设定需要设定的控制信息主要有：U/f 特性、工作频率、频率升高时间、频率下降时间等，还可以有一系列特殊功能的设定。由于通用变频器-异步电动机系统是转速或频率开环、恒压频比控制系统，低频时，或负载的性质和大小不同时，都得靠改变U /f 函数发生器的特性来补偿，使系统达到恒定，甚至恒定的功能（见第2.2.2节），在通用产品中称作“电压补偿”或“转矩补偿”。高压大功率变频器高压大功率变频器补偿方法实现补偿的方法有两种：一种是在微机中存储多条不同斜
85、率和折线段的U / f 函数，由用户根据需要选择最佳特性；另一种办法是采用霍耳电流传感器检测定子电流或直流回路电流，按电流大小自动补偿定子电压。但无论如何都存在过补偿或欠补偿的可能，这是开环控制系统的不足之处。高压大功率变频器高压大功率变频器控制电路（续）u给给定定积积分分由于系统本身没有自动限制起制动电流的作用，因此，频定设定信号必须通过给定积分算法产生平缓升速或降速信号，升速和降速的积分时间可以根据负载需要由操作人员分别选择。综上所述，PWM变压变频器的基本控制作用如图2-13所示。近年来，许多企业不断推出具有更多自动控制功能的变频器，使产品性能更加完善，质量不断提高。高压大功率变频器高压
86、大功率变频器控制电路（续）tff *ufu斜坡函数U / f 曲线脉冲发生器驱动电路工作频率设定升降速时间设定电压补偿设定PWM产生图2-13PWM变压变频器的基本控制作用 高压大功率变频器高压大功率变频器2.4.2转速闭环转差频率控制的变压变频转速闭环转差频率控制的变压变频调速系统调速系统0.问题的提出问题的提出前节所述的转速开环变频调速系统可以满足平滑调速的要求，但静、动态性能都有限，要提高静、动态性能，首先要用转速反馈闭环控制。转速闭环系统的静特性比开环系统强，这是很明显的，但是，是否能够提高系统的动态性能呢？还得进一步探讨一下。高压大功率变频器高压大功率变频器电力传动的基本控制规律我们
87、知道，任何电力拖动自动控制系统都服从于基本运动方程式提高调速系统动态性能主要依靠控制转速的变化率d /dt，根据基本运动方程式，控制电磁转矩就能控制d /dt，因此，归根结底，调速系统的动态性能就是控制转调速系统的动态性能就是控制转矩的能力矩的能力。高压大功率变频器高压大功率变频器在异步电机变压变频调速系统中，需要控制的是电压（或电流）和频率，怎样能够通过控制电压（电流）和频率来控制电磁转矩，这是寻求提高动态性能时需要解决的问题。高压大功率变频器高压大功率变频器1.转差频率控制的基本概念直流电机的转矩与电枢电流成正比，控制电流就能控制转矩，因此，把直流双闭环调速系统转速调节器的输出信号当作电流
88、给定信号，也就是转矩给定信号。在交流异步电机中，影响转矩的因素较多，控制异步电机转矩的问题也比较复杂。高压大功率变频器高压大功率变频器将按照第2.2.2节恒Eg/1控制（即恒m控制）时的电磁转矩公式（2-12）重写为 高压大功率变频器高压大功率变频器代入上式，得 （2-21） 令s=s1，并定义为转差角频率； ，是电机的结构常数； 高压大功率变频器高压大功率变频器则当电机稳态运行时，s 值很小，因而s也很小，只有1的百分之几，可以认为sLlr0）的情况为例l当实际转矩低于T*e的允许偏差下限时，按磁链控制得到相应的电压空间矢量，使定子磁链向前旋转，转矩上升；高压大功率变频器高压大功率变频器l当
89、实际转矩达到T*e允许偏差上限时，不论磁链如何，立即切换到零电压矢量，使定子磁链静止不动，转矩下降。l稳态时，上述情况不断重复，使转矩波动被控制在允许范围之内。高压大功率变频器高压大功率变频器5.DTC系统存在的问题1）由于采用砰-砰控制，实际转矩必然在上下限内脉动，而不是完全恒定的。2）由于磁链计算采用了带积分环节的电压模型，积分初值、累积误差和定子电阻的变化都会影响磁链计算的准确度。高压大功率变频器高压大功率变频器这两个问题的影响在低速时都比较显著，因而使DTC系统的调速范围受到限制。为了解决这些问题，许多学者做过不少的研究工作，使它们得到一定程度的改善，但并不能完全消除。高压大功率变频器
90、高压大功率变频器2.7.3直接转矩控制系统与矢量控制系统的直接转矩控制系统与矢量控制系统的比较比较DTC系统和VC系统都是已获实际应用的高性能交流调速系统。两者都采用转矩（转速）和磁链分别控制，这是符合异步电动机动态数学模型的需要的。但两者在控制性能上却各有千秋。高压大功率变频器高压大功率变频器矢量控制系统特点VC系统强调Te与r的解耦，有利于分别设计转速与磁链调节器；实行连续控制，可获得较宽的调速范围；但按r定向受电动机转子参数变化的影响，降低了系统的鲁棒性。高压大功率变频器高压大功率变频器DTC系统特点DTC系统则实行Te与s砰-砰控制，避开了旋转坐标变换，简化了控制结构；控制定子磁链而不
91、是转子磁链，不受转子参数变化的影响；但不可避免地产生转矩脉动，低速性能较差，调速范围受到限制。表2-1列出了两种系统的特点与性能的比较。高压大功率变频器高压大功率变频器表表2-1直接转矩控制系统和矢量控制系统特点与性能比直接转矩控制系统和矢量控制系统特点与性能比较较性能与特点直接转矩控制系统矢量控制系统磁链控制定子磁链转子磁链转矩控制砰-砰控制，有转矩脉动连续控制，比较平滑坐标变换静止坐标变换，较简单旋转坐标变换，较复杂转子参数变化影响无注有调速范围不够宽比较宽高压大功率变频器高压大功率变频器注有时为了提高调速范围，在低速时改用电流模型计算磁链，则转子参数变化对DTC系统也有影响。从表2-1可
92、以看出，如果在现有的DTC系统和VC系统之间取长补短，构成新的控制系统，应该能够获得更为优越的控制性能，这是一个很有意义的研究方向。高压大功率变频器高压大功率变频器单元串联高压变频器单元串联高压变频器第第 3 章章高压大功率变频器高压大功率变频器单元串联高压变频器串联高压变频器采用交-直-交方式，主电路开关元件为IGBT。高压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。高压大功率变频器高压大功率变频器1主电路拓扑结构图主电路拓扑结构图6kV系列：由15个或是18个功率单元构成，每5个或是6个功率单元串联成一相，三相Y接。10kV系列：由27个功率模块组
93、成，每9个功率模块串联成一相，三相Y接。高压大功率变频器高压大功率变频器高压大功率变频器高压大功率变频器高压大功率变频器高压大功率变频器2电压叠加图电压叠加图高压变频器每相由多个功率单元串联而成，各个功率单元由隔离变压器提供独立移相电源，通过改变串联单元数量，可以很方便地得到不同电压等级的输出，而不受功率器件耐压的限制。高压大功率变频器高压大功率变频器如额定电压6kV变频器的每相由5个或是6个功率单元组成，功率单元额定电压为690V或是640V，串联后相电压为3450V(对应线电压为6kV)；额定电压10kV变频器的每项由9个功率单元组成，功率单元额定电压为690V，工作电压为640V。高压大
94、功率变频器高压大功率变频器3功率单元结构图功率单元结构图高压变频器由多个功率单元串联而成，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。功率单元为交-直-交结构，相当于一个三相输入、单相输出的低压电压源型变频器，所有功率单元在结构以及电气性能上完全一致，维护简单，置换方便。高压大功率变频器高压大功率变频器高压大功率变频器高压大功率变频器高压大功率变频器高压大功率变频器功率单元利用IGBT进行同步整流，同步整流控制器实时检测单元电网输入电压，利用锁相控制技术得到电网输入电压相位，控制整流逆变开关管所构成的相位与电网电压的相位差，便可控制电功率在电网与功率单元之间的流向。高压大功率变频器高压
95、大功率变频器逆变相位超前，功率单元将电能回馈给电网，反之则电功率由电网注入功率单元。电功率大小与相位差成正比。电功率的大小及流向由单元电压决定，就同步整流而言，整流侧相当于一个稳压电源，与电功率大小及方向相对应的电网与逆变相位差由单元电压与单元整定值之间的偏差通过PID调节生成。高压大功率变频器高压大功率变频器高压大功率变频器高压大功率变频器系统组成1、变压器柜2、单元柜3、控制柜1）光纤板2）信号板3）主控板4、控制电源5、人机界面6、通讯接口高压大功率变频器高压大功率变频器变压器柜变压器柜内装有为功率单元提供三相电源的移相变压器。柜门上有干式变压器温度控制仪，为变压器提供温度告警和过热保护
96、。柜前门内侧装有安全开关保护，当柜门打开时告警。变压器前面右侧和后面左侧是副边绕组接线区域，与相应的三相电抗器输入电缆连接。高压输入电源接线在后面上部，直接进入变压器，输入电压检测接在380V辅助绕组上，输入电流互感器安装在变压器的Y接星点电缆上。高压大功率变频器高压大功率变频器单元柜单元柜内安装的功率单元和三相输入电抗器分成三组，每组串联成一相，每相串联6个功率单元和6个电抗器，分前后排列。串联后A1、B1、C1三个功率单元星接，最后3个单元A6、B6、C6输出接高压输出室的接线铜排上，星接电缆上穿有霍尔电流传感器，检测输出电流。高压大功率变频器高压大功率变频器控制柜变频器控制系统安装在单元
97、柜的前右面的控制室内，从上到下依次为控制器、I/O接口板、控制电源系统和柜门上的人机界面系统。控制器由三块光纤板，一块信号板，一块主控板和一块电源板组成，各板之间通过母线底板连接。高压大功率变频器高压大功率变频器光纤板光纤板通过光纤与功率单元传递数字信号，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出电压、电流信号和轴编码器信号，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，以及提供给主控板数据采集。高压大功率变频器高压大功率变频器主控板
98、主控板采用高速单片机，完成对电机控制的所有功能，运用矢量控制方式产生脉宽调制的三相电压指令。通过RS232通讯口与人机界面主控板进行交换数据，提供变频器的状态参数，并接受来人机界面主控板的参数设置。高压大功率变频器高压大功率变频器I/O接口板I/O接口板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。高压大功率变频器高压大功率变频器I/O接口板有处理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模拟设置时的设置信号和来自现场的速度、流量、压力等模拟信号，这两路信号通过处理后送到人机界面进行模数转化；模拟输出量是运行频率和输出电流。接口板还对单
99、元柜温度、输入电流和输入电压进行采样，并计算出输入功率。高压大功率变频器高压大功率变频器控制电源控制电源系统包括220V隔离变压器、380V隔离变压器、整流电路，其电源分别来自220V及主电源，整流后为控制系统提供直流电源。高压大功率变频器高压大功率变频器人机界面人机界面为用户提供友好的全中文操作界面，负责信息处理和外部的通讯联系，可选上位监控实现变频器的网络化控制。人机界面由主控板、液晶显示屏和触摸键盘组成，显示变频器运行参数。高压大功率变频器高压大功率变频器通讯接口通过RS232通讯口与控制器连接，通过RS485通讯口与I/O接口板连接，实时监控变频器系统的状态，计算出电流、电压、功率、频
100、率等运行参数和实现故障记录。人机界面下方是“故障复位”按钮及“高压分断”自锁按钮。触摸屏上方有“高压指示”、“运行指示”和“故障指示”。高压大功率变频器高压大功率变频器2、矢量控制原理高压大功率变频器高压大功率变频器电流矢量控制方式变频器采用转子带速度反馈的矢量控制技术。在转子磁场定位坐标下，电机定子电流分解成励磁电流与转矩电流。维持励磁电流不变，控制转矩电流也就控制了电机转矩。电机转速采用闭环控制。实际运行中给定转速与实际转速的差值通过PID调节生成转矩电流IT。经过矢量变换将IT、IM变换为电机三相给定电流Ia*、Ib*、Ic*，它们与电机运行电流相比较生成三相驱动信号。高压大功率变频器高
101、压大功率变频器高压大功率变频器高压大功率变频器电压矢量控制方式变频器通过矢量控制系统的解耦,速度给定（频率给定）与速度反馈相减得出速度误差，速度误差经PI调节后输出转矩电流给定iqref，idref励磁电流给定是根据系统的动态需要进行调整其值根据不同的电机和负载得出的经验值，电机三相电流反馈ia、ic、ib（为ia与ic之和求反）经传感器采样，然后再根据转子位置电气角度进行Clarke变换，变换后输出ialpha、ibeta,ialpha、ibeta经Park变换输出id、iq，id、iq值与给定值iqref、idref求误差,进行PI调节后输出Vsqref、Vsdref,Vsqref、Vsd
102、ref和转子位置电气角度经过Park逆变换输出Valpha、Vbeta，Valpha、Vbeta经过Clarke逆变换输出电机定子三相电压Va、Vb、Vc值，三相电压Va、Vb、Vc值作为PWM（脉宽调制）的比较值比较输出PWM波形到逆变器然后驱动电机旋转。高压大功率变频器高压大功率变频器高压大功率变频器高压大功率变频器应用情况返回目录返回目录高压大功率变频器高压大功率变频器高压变频器的运行象限和能量回馈控制第第 4 章章高压大功率变频器高压大功率变频器4.1高压变频器的运行象限高压变频器的运行象限沿用的是电机运行象限的定义，即:在直角坐标系上，纵轴为电机的转速，横轴为电机的转矩，与转速方向相
103、同为正。电机的运行象限如图4-1所示。图4-1电机的运行象限高压大功率变频器高压大功率变频器对于变频器来说,定义被驱动的电机的运行象限为变频器的运行象限。在各象限中，电机的运行方式和变频器的运行方式如表4-1所示。表4-1变频器的运行象限高压大功率变频器高压大功率变频器当电机输出的轴转矩与电机转向相同时，如电机拖动风机、水泵、压缩机、带轮等轴负载稳态运行或者加速运行，或者电机拖动绞车提升重物运行时，电机运行在电动机方式下，变频器从电网获取有功功率并输出给电机，变频器运行在能量输出方式下;当电机输出的轴转矩与电机转向相反时，如电机拖动风机等轴负载减速制动运行，或者电机拖动绞车下放重物时，电机运行
104、在发电机方式下，变频器从电机获取有功功率并回馈给电网，变频器运行在能量回馈方式下。高压大功率变频器高压大功率变频器电网侧采用二极管不可控整流或者半控整流的变频器，仅能够工作在第一象限和第三象限，称为两象限变频器:电网侧采用可控整流，能够工作在四个象限的变频器称为四象限变频器，也称为能量回馈型变频器。两象限变频器仅能够将从电网吸收的有功功率输出给电机，而无法将负载发出的能量，或电机制动时产生的能量回馈给电网;四象限变频器可以实现有功功率的双向流动。当电机需要减速(制动)时，两象限变频器仅能依靠电机和负载的阻力提供制动力矩，减速过程较慢:四象限变频器可以驱动电机输出制动力矩.并将电机与负载的动能变
105、成电能回馈给电网。高压大功率变频器高压大功率变频器4.2能量回馈产生的原理4.2.1能量回馈的基本原理电压源型能量回馈变频器的基本拓扑结构如图3-2所示。图4-2电压源型能量回馈变频器基本拓扑结构图高压大功率变频器高压大功率变频器其中，网侧逆变器又称为有源前端，负责控制变频器与电网之间的能量交换;电抗器为电网与变频器之间的能量流动提供条件，并限制网侧逆变器的电流;网侧滤波器用于吸收网侧逆变器发出的开关频率谐波电流，阻止其注入电网.为了分析能量回馈产生的原理，我们对上述结构进行简化，将网侧逆变器等效为一可控电压源，将电网与滤波器等效于一个理想电压源，如图4-3所示。图4-3双电压源简化系统示意图
106、高压大功率变频器高压大功率变频器设电网电压角频率为w,有效值为E，相位为0;网侧逆变器输出电压有效值为U（图中V），相位为，电感的大小为L,则流过电感的电流为:从电源E流出的感性有功功率为:高压大功率变频器高压大功率变频器由此可知，可以通过调整网侧逆变器的输出电压U的幅值和相位来调节变频器与电网之间的有功和无功交换:当U滞后E时，0，P0，变频器从电网吸收有功功率;当U超前E时，0，PE时，变频器从电网吸收感性无功功率;当UcosE时，变频器向电网发出感性无功功率;当Ucos=E时,变频器网侧功率因数为1。只需精确地控制变频器网侧逆变器的输出电压，即可控制其有功功率和无功功率的大小和流向，实现
107、能量回馈。在实际应用系统中,为控制方便起见，往往通过控制电感上的电流来控制变频器与电网间的功率交换。高压大功率变频器高压大功率变频器4.2.2能量回馈变频器的圆图在能量回馈变频器中，圆图表示了网侧逆变器输出电压与输出电流的关系,通过圆图可以直观地分析网侧逆变器的直流母线电压、电压输出范围、电流输出范围和功率因数之间的关系。设网侧逆变器的最大输出电流为I，则网侧逆变器的输出电压向量终点应落在以E为圆心、wLI为半径的圆盘内，如图4-4所示。图4-4能量回馈变频器工作区域圆图高压大功率变频器高压大功率变频器一般我们希望变频器的网侧功率因数为l，则E、I同向，U的终点应落在过E终点的E的垂线上，如图
108、4-5所示。该垂线左侧的区域，变频器从电网吸收感性无功功率:右侧的区域，变频器向电网发出感性无功功率。图4-5能量回馈变频器单位功率因数工作因数示意图高压大功率变频器高压大功率变频器为了输出功率因数为1的电流I，网侧逆变器的电压输出能力至少应为:直流母线电压至少应为E线电压峰值的U/E倍。当直流母线电压不足时,变频器仍然能够向电网回馈有功功率，只是与此同时需要从电网吸收一部分感性无功功率，变频器的网侧功率因数小于1,网侧逆变器的电流利用率较单位功率因数时有所下降。直流母线电压等于E线电压峰值时U的轨迹，如图4-6所示。图4-6直流母线电压等于电网线电压峰值时变频器工作区域的示意图高压大功率变频
109、器高压大功率变频器4.3两电平变频器的能量回馈方式4.3.1拓扑结构两电平能量回馈变频器的主电路结构如图4-7所示,主要包括网侧滤波器、联结电抗器、网侧逆变器、直流滤波电容器和电机侧逆变器几部分。高压大功率变频器高压大功率变频器图4-7两电平能量回馈变频器的主电路结构图高压大功率变频器高压大功率变频器4.3.2控制算法能量回馈变频器对于电机侧逆变器的控制与两象限变频器是相同的，不同的是增加了对网侧逆变器的控制。网侧逆变器的控制通常采用如图4-8所示的矢量控制算法。高压大功率变频器高压大功率变频器图4-8两电平能量变频器网侧逆变器矢量控制算法框图高压大功率变频器高压大功率变频器矢量控制算法将实测
110、的直流母线电压与给定值之差,通过PI调节器，得到d轴电流的给定值;然后根据测量到的电网电压的相位，对实测的网侧逆变器输出电流进行同步坐标变换，得到d轴电流和q轴电流的实测值。对其进行PI调节后将d轴量与电网电压幅值相加，得到d轴电压和叮轴电压的给定值，经过同步坐标反变换后输出。这种算法的优点是控制精度高。动态响应好，缺点是控制算法中坐标变换较多，算法较复杂，对控制处理器计算能力要求较高。高压大功率变频器高压大功率变频器控制系统处理器计算能力较低的设备也可以采用简化的电流控制算法，如图4-9所示。这种简化的算法直接将d轴电流给定值与用测量到的电网电压相位查表得到的二相正弦基准值相乘，得到三相输出
111、电流的给定值，然后进行简单的PI调节得到三相输出电压的给定值并输出。图4-9两点平能量回馈变频器网侧逆变器的电流控制算法框图高压大功率变频器高压大功率变频器由于该算法略去了坐标变换的计算，因而对控制处理器的计算能力要求较低。另一方面,由于PI调节器本身的特性决定了其对交流量的控制存在一定的稳态误差，因此这种算法的功率因数低于标准矢量控制算法。在动态过程中，直流母线电压的波动相对较大，快速动态过程中发生直流母线过压等故障的概率相对较高。高压大功率变频器高压大功率变频器4.4三电平变频器的能量回馈方式4.4.1拓扑结构三电平能量回馈变频器的主电路拓扑结构示意图如图4-10所示。为了直观起见，图中略
112、去了电机侧滤波器。图4-10三电平能量回馈变频器的主电路拓扑结构图高压大功率变频器高压大功率变频器4.4.2控制算法三电平型能量回馈变频器的控制算法与两电平的基本相同，唯一的不同是PWM发生器采用三电平SVPWM。由于电机侧逆变器的控制算法中已加入了对直流电容的均压控制，网侧逆变器无须对直流电容的均压进行额外的控制。高压大功率变频器高压大功率变频器4.5单元串联多电平变频器的能量回馈方式4.5.1拓扑结构单元串联多电平型能量回馈变频器的拓扑结构如图4-11所示,其系统拓扑结构与非能最回馈的系统类似，区别在于每个功率单元内，将原有的二极管不可控整流桥改为IGBT逆变桥,如图4-12所示。此外,为
113、了滤除网侧逆变器产生的开关频率高次谐波电流，阻止其注入电网，在输入侧增加了一组网侧滤波器。高压大功率变频器高压大功率变频器图4-11单元串联多电平型能量回馈变频器的拓扑结构图高压大功率变频器高压大功率变频器图4-12单元串联多电平型能量回馈变频器功率单元拓扑结构图高压大功率变频器高压大功率变频器与两电平变频器不同，单元串联多电平型变频器可以将移相变压器的绕组漏感作为联结电抗器使用。高压大功率变频器高压大功率变频器4.5.2控制算法为了更有效地控制各功率单元的直流母线电压，需要在每个功率单元内设置单独的控制器，执行网侧逆变器的矢量控制算法，该控制算法与两电平能量回馈变频器基本相同，唯一的区别在于
114、使用移相变压器，需要特殊的算法得到每个功率单元的电网电压的幅值和相位。当变频器由能量输出状态转入能量回馈状态时，有功功率从电机流入变频器，造成每个功率单元的直流母线电压VDC上升。各功率单元内的控制器检测到这一上升电压后，将从电网流向功率单元的有功电流的给定值减小至一负数，使功率单元的网侧逆变器向电网回馈有功功率。高压大功率变频器高压大功率变频器每个功率单元的网侧逆变器矢量控制算法框图如图4-13所示。图4-13单元串联多电平能量回馈变频器网侧逆变器矢量控制算法框图高压大功率变频器高压大功率变频器与两电平能量回馈变频器类似,对于控制处理器计算能力较弱的系统，也可以采用如图4-14所示的简化的电
115、流控制算法。图4-14单元串联多电平能量回馈变频器网侧逆变器电流控制算法框图高压大功率变频器高压大功率变频器第五章串联高压变频器应用中常见的问题高压大功率变频器高压大功率变频器5.1PWM技术PWM是英文“PulseWidthModulation”的缩写，即脉冲宽度调制。PWM技术是通过对电力电子器件的导通和关断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替需要的波形。PWM技术已被广泛应用于各类电子产品上，尤其在变频器上的应用最为突出。利用PWM技术，按一定的规则对高压变频器逆变电路中电力电子器件导通、关断的脉冲宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变
116、其输出频率。高压大功率变频器高压大功率变频器下面以单元串联多电平高压变频器为例，简述PWM技术的实现方法。一般情况下，单元串联多电平高压变频器由移相变压器、功率.单元和控制器三部分组成。输入侧的高压通过移相变压器变为多组二次侧的低压:多组二次侧的低压输出作为每个功率单元的输入，通过功率单元内部的整流、滤波、逆变，输出一个单相的PWM波形;将同一相上每个单元的U、V输出端子相互串接，亦即将同一相上每个单元的PWM波形进行叠加，可得到一个平滑度比较好的正弦波形，具有这样波形的电压即可供给电动机使用。高压大功率变频器高压大功率变频器由此可以看出，单元串联多电平高压变频器实现变频、变压的关键部分是功率
117、单元中的逆变电路。由它输出的PWM波形将直接决定电动机的运行频率。功率单元中逆变电路的构成及工作过程如图5-1所示。令V1、V4导通，V2、V3截止，则负载ZL上所得电压为a“+”、b“-”，设这时的电压为“+”;令V1、V4,截止，V2、V3导通，则负载ZL上所得电压为a“-”、b“+”，设这时的电压为“-”令Vl、V3截止，V2、V4导通，则负载ZL上所得电压为零。高压大功率变频器高压大功率变频器图5-1功率单元中的逆变电路及其工作过程高压大功率变频器高压大功率变频器上述电压不断地反复交替变化，则负载ZL上所得到的便是交变电压了。按照正弦规律，通过调节脉冲宽度和各脉冲的“占空比”来调节频率
118、和电压，所得到的波形即被称为PWM波形。如图5-2所示。高压大功率变频器高压大功率变频器图5-2PWM波形高压大功率变频器高压大功率变频器级联型变频器A相单元示意图高压大功率变频器高压大功率变频器载波移相式PWM技术的基本原理图中3对共6个载波调制同一信号波，调制方法相同，都是：当信号波大于三角载波时，给出导通控制信号；相反则给出关断控制信号。驱动H桥上V11、V21、V31三个IGBT的3个载波为主载波，分别相位相差一定的电角度(水平载波移相)，同一个单元上、下桥臂PWM控制信号相反，V11和V14，V21和V24，V31和V34的三角载波相位相反。这样，就可以在功率单元输出三电平的SPWM
119、波A1、A2、A3，三个单元输出A1、A2、A3相互叠加的结果如图的七电平的PWM波。高压大功率变频器高压大功率变频器高压大功率变频器高压大功率变频器随着级联单元数的增加，输出的电平数和等效开关频率也将相应增加，输出波形也会越接近正弦波。以上讨论的是相电压的情况，高压变频器输出通常是三相线电压，线电压输出的电平数比相电压电平数更高，输出波形更好。实际上，为了提高直流电压利用率，信号波可以采用其他非严格的正弦波，比如叠加了3次谐波的马鞍形波，虽然经过调制后的输出相电压PWM波中含有3次谐波，但三相的3次谐波相位相同，合成线电压时，各相电压的3次谐波相互抵消，线电压也更接近正弦波。高压大功率变频器
120、高压大功率变频器载波水平移相式PWM调制的本质对每个功率单元进行SPWM调制，通过载波的移相，使得每个功率单元输出的SPWM脉冲相位互相错开(其基波相位相同)，这样在叠加后，可以得到多电平输出，并使得等效开关频率大大提高，改善了输出波形。采用移相式PWM调制之所以能够得到这样好的效果，是因为在结构上多重化的效果。高压大功率变频器高压大功率变频器PWM技术应用于高压变频器上，具有下列优点;不必控制直流侧，仅控制逆变侧，因而大大简化了电路；由于电力电子器件仅仅工作在开关状态，主电路损耗较小，系统的效率较高；由于开关频率高，系统的调速范围宽.因此快速响应性能好，抗扰能力强；由于PWM波形的谐波含量少
121、.所以电动机产生的损耗和发热都较小。高压大功率变频器高压大功率变频器5.2电网侧的谐波污染及其处理方式高压变频器一般采用二极管或者晶闸管进行整流，这样的整流电路对主电网会产生谐波污染。由于主电网的容量较大，当变频器的容量较小时，谐波对电网电压的影响可以忽略:由于高压变频器一般容量较大，所以，必须考虑谐波对电网的影响。高压大功率变频器高压大功率变频器对主电网而言，高压变频器整流电路的开关特性将形成一个非线性负载。这种非线性负载改变了交流电路中电流的正弦波特性，从而会在交流电路中产生有害的高次谐波。这种谐波影响的机理如图5-3所示。高压大功率变频器高压大功率变频器图中，PCC为配电线路的公共供电点
122、高压变频器为连接于该点的谐波源，其谐波电流经过电源内阻的祸合作用，会造成PCC点交流电压的畸变而形成谐波电压。显然，此谐波电压将使连接在PCC点上的通信设备、计算机及其他用电设备受到干扰，严重时甚至不能正常工作。图5-3高压变频器谐波电流对电源的影响高压大功率变频器高压大功率变频器又由于电源内阻抗Zs的电阻分量极小。可以忽略不计，基本上是一个电抗单元。当电网上接有电容负载，如功率因数补偿器时，电源电抗有可能和负载电容形成谐振，这个谐振频率接近于商压变频器(谐波源)的某个谐波频率时，会在PCC点上产生很高的谐波电压。高压大功率变频器高压大功率变频器当主电网容量较大时，电源内阻抗ZS很小，因此谐波
123、电流流过ZS产生的电压畸变也很小，测量PCC点的电压谐波，还能满足相关标准的要求:但是，如果在此PCC点继续增加谐波设备，谐波电流继续增大，ZS上的谐波电压大，PCC点的谐波电压就可能超标。因此，考察单台设备对电网侧的谐波污染应关注电流谐波，而不是电压谐波。而且，国际上的相关标准对电网侧规定的大多是电流谐波限制。高压大功率变频器高压大功率变频器消除或减小高压变频器对电网的谐波污染，可以采用以下几种有效的办法:1.采用谐波滤波器2.采用整流变压器的移相绕法3.通过双PWM的方法消除谐波高压大功率变频器高压大功率变频器5.3高压变频器对电机的要求现在的高压变频器，一般都采用PWM控制技术，输出电流
124、的正弦度都能够达到可以接受的水平，谐波的问题不是很突出。因此，高压变频器对电动机的要求首要的是看其输出电压的dv/dt(电压变化率)对电动机的影响。带来电动机输入端的电压尖峰，对电动机的绝缘影响很大，会引起电晕放电、轴电流增大等严重后果。对于相同电压等级的高压变频器，电平数越多，一般的，dv/dt会越小(这里假定功率器件的开关速度相差不大)。降低功率器件的开关速度也可以降低dv/dt，但是会带来器件损耗的增加。对于电平数比较少的高压变频器，其dv/dt可以用专门设计的滤波器来减小。高压大功率变频器高压大功率变频器轴电流一般由电动机结构的不对称或电动机的共模电压产生，高压电动机由于体积较大。结构
125、的对称性很难保证，因此多采用绝缘轴承来避免轴电流对轴承的损坏。采用高压变频器后，如果轴电流较大，可采用对轴承绝缘加强或者转子采用接地电刷来消除轴电流的影响。高压大功率变频器高压大功率变频器电动机使用变频调速以后，要根据负载的情况考虑电动机的散热问题。当负载是风机、水泵类时，随着转速的下降，电动机的电流也随之下降，因此电动机的发热也下降.不用考虑特殊的散热措施。当负载是恒转矩类型时，如提升机，电动机的转矩与其转速关系不大，则电动机电流与转速关系不大，当降低转速时。电动机的发热并不降低。而电动机转子自带的风扇随着转速的降低，散热能力下降，所以必须采用强迫风冷的方式.即电动机采用另外单独供电的风机冷
126、却，其转速不随电动机转速下降。高压大功率变频器高压大功率变频器电动机轴承的润滑方式，有强迫油循环和自然油循环两种。当采用强迫油循环时，电动机转速降低对润滑没有影响；当采用自然油循环时，滑动轴承的油膜必须等电动机速度达到一定值才可建立，因此，在实际应用中必须限制电动机的最低转速不能低于这个速度。高压大功率变频器高压大功率变频器5.4输出滤波器的设计高压变频器的输出滤波器一般有两种类型：正弦波滤波器和dv/dt滤波器。滤波器一般采用电感和电容组成的二阶滤波电路。高压大功率变频器高压大功率变频器1.正弦波滤波器是将高压变频器的输出电压或电流滤除谐波成分，使其接近于正弦波形。正弦波滤波器的效果非常好，
127、但是增加了损耗，成本较高，另外，滤波器有一定的电压降，要求高压变频器的输出电压能力要提高一些.这有可能增加高压变频器的成本。使用了正弦波滤波器以后，由滤波器和电动机构成了一个更加复杂的高压变频器的控制对象，电动机的动态控制性能会有所下降，这在一些考虑高性能控制的场合必须引起注意。高压大功率变频器高压大功率变频器2.dv/dt滤波器只关注于减小高压变频器输出电压波形的dv/dt，相对于正弦波滤波器，这种滤波器的体积和成本都要小得多。当高压变频器的输出电平数较少、电压又比较高时，dv/dt较大。dv/dt主要影响电动机的绝缘。高压大功率变频器高压大功率变频器5.5旁路设计高压变频器的负载相对来说，
128、一般都是生产过程中非常重要的设备，不允许停机，若停机对生产的影响非常大。因此，高压变频器有一半以上都需要配备旁路设备，即当高压变频器出现故障时，电动机可以越过高压变频器，直接投入电网运行，负载不用停机，或者只有短暂的停机。旁路电路的设计如图5-4所示。高压大功率变频器高压大功率变频器图5-4变频器的旁路电路高压大功率变频器高压大功率变频器图5-4(a)为手动操作的旁路电路，一般采用电力系统中常用的隔离刀闸作为开关。当高压变频器运行时，KQ1和KQ3合闸，K2断开；当高压变频器出现故障时，三个开关的状态正好反过来，电动机直接接入电网运行。高压大功率变频器高压大功率变频器也可以选择电动开关作为高压
129、变频器旁路的开关，如图5-4(b)所示。电动开关作为旁路的开关，考虑到成本和体积的限制，一般采用真空接触器来实现，只适合于功率比较小的系统中。如果需要在电动机工频运行的时候同时检修高环变频器，则需要另外增加两个隔离刀闸，创造明显的断电点，保证维修人员的安全，如图中的KQ1和KQ2。高压大功率变频器高压大功率变频器当使用手动操作的隔离刀闸时，由于隔离刀闸不能带电流操作，所以必须先切断用户侧的断路器，再切换KQ1,KQ2、KQ3；切换完成后，再闭合用户侧的断路器。这个过程比较复杂，对负载的运行有影响。如果使用电动开关，当高压变频器出现故障时，电动开关可以带负荷操作，直接将电动机投向电网运行，对负载
130、的影响比较小，但电动开关的成本比较高。高压大功率变频器高压大功率变频器某些时候，由于电动机或电缆的故障，也可能导致高压变频器跳闸，这时如果自动将电动机投入到电网，将会导致第二次冲击，引起故障扩大化。当采用手动操作时，可以根据高压变频器的故障显示判断故障点，然后决定是否可以切入工频运行。但是采用自动旁路时.要求高压变频器能够判断是否是电动机故障引起的系统跳闸，如果是，则不允许自动切入工频，这在技术上难度较大。当使用高压变频器时，电动机一般在相对工频较小的频率下运行.电动机切入工频后，转速升高，对于风机、水泵类负载，会带来流量的加大。此时，应在工厂的控制系统中立即投入阀门或挡板的调节。避免控制对象
131、的波动。高压大功率变频器高压大功率变频器5.6一拖二设计一台高压变频器拖动两台电动机，一般有两种情况。1.高压变频器的容量与功率较大的一台电动机的容量相当。由于生产的需要，高压变频器在一段时间带l号电动机运行，在另外一段时间带2号电动机运行。这种运行方式可以参考图5-5所示的电路。如果两台电动机的功率不相等，则需要在高压变频器内部存储两套参数，在电动机切换的过程中控制参数也进行切换。高压大功率变频器高压大功率变频器图5-5一台电动机功率较大时的一拖二电路高压大功率变频器高压大功率变频器2.两台电动机需要在转速相同的模式下运行在这种情况下，选择一台变频器，其容量相当于两台电动机的容量之和，输出带
132、两台电动机，电路如图5-6所示。由于高压变频器的容量相对较大，为了卖现对电动机的保护。应在两台电动机的进线处分别设置过流和过载保护装置。高压大功率变频器高压大功率变频器图5-6两台电动机运行模式相同时的一拖二电路高压大功率变频器高压大功率变频器5.7共模电压的产生与防治1.电动机共模电压的产生途径一般有两个。一是电网本身的共模电压通过高压变频器施加于电动机。由于高压变频器一般都有电网侧的整流变压器，这样电网产生的共模电压加到电动机绕组上，一般是整流变压器的一、二次绕组之间的电容与电动机定子绕组和电动机机壳之问的电容分压的结果。由于高压电网一般都具有防雷击和浪涌的措施，这种共模电压一般幅值都不大
133、。高压大功率变频器高压大功率变频器二是由高压变频器产生的共模电压。高压变频器输出的波形是PWM波形，用此波形来替代正弦波。当电动机端子上施加理想的正弦波形时，其中性点电压为零，没有共模电压;而PWM波形是用电平的变化来近似正弦波，在大多数情况下，其瞬时值都不等于其参考的正弦波形，这就导致电动机中性点上产生电压的变化，即共模电压。高压变频器的电平数越多，PWM波形与参考的正弦波形误差越小，电动机得到的共模电压也越小。高压大功率变频器高压大功率变频器2.共模电压的防治措施对于电网本身的共模电压，可采用电网侧的抗浪涌措施从源头上减小；或者采用带接地屏的整流变压器，即在变压器的一次侧和二次侧之间有一层
134、接地的导体，这样可以减小一次侧和二次侧之间的耦合。对于由高压变频器产生的共模电压，应在设计高压变频器时，通过增加电平数或采用特殊的PWM算法予以减小。高压大功率变频器高压大功率变频器采用在高压变频器输出端装设共模电压滤波器的做法，对各种共模电压都可以起到良好的作用。这种滤波器与正弦波和dv/dt滤波器类似，由电感和电容构成。该共模电压滤波器一般和其他滤波器共同考虑滤波作用，一同设计。高压大功率变频器高压大功率变频器5.8轴电流的产生和防治流过电动机轴承的电流会降低润滑油的质量，或者由于电火花烧蚀轴承表面，造成电动机轴承的损坏，因此必须避免。在工频电源供电的情况下，由于电动机磁路的不对称，将引起
135、电动机转子两端产生感应电压引起轴承电压，如果此电压击穿轴承的绝缘，则引起轴电流。高压大功率变频器高压大功率变频器当电动机采用高压变频器供电时，由于PWM波形的特点，在定子绕组上产生了共模电压。当高压变频器的电平数较少时，由于共模电压有较高的dv/dt,即有丰富的高频分量，电动机内部耦合电容可以为此高频电压提供通路。如图5-7所示，电动机内部的耦合电路主要包括两部分:电动机绕组对定子的耦合和电动机绕组对转子的耦合。高压大功率变频器高压大功率变频器图5-7电动机内部的耦合电路高压大功率变频器高压大功率变频器图中，Cws代表绕组与定子之间的耦合电容，Cwr析代表绕组与转子之间的耦合电容，Cg是轴承的
136、气隙电容。当高压变频器运行时，电动机转子通过电容耦合产生电压，此电压作用在轴承上产生轴承电压;轴承电压对轴承电容充电，充电到一定电压时，可击穿轴承润滑油产生的绝缘层，产生放电，形成轴电流，如图5-8所示。降低高压变频器输出的共模电压可减小轴电流的影响，如图5-9所示。高压大功率变频器高压大功率变频器图5-8感应循环电流图5-9容性耦合电流高压大功率变频器高压大功率变频器另外，在轴承处使用绝缘衬垫加强绝缘也是一个比较好的办法:还可以在电动机轴上增加接地的电刷，将转子耦合电压直接泄放，也能有效保护轴承。在有些情况下，轴电流可通过联轴器经过负载的轴承形成泄放回路，破坏负载的轴承，因此必须引起注意。高
137、压大功率变频器高压大功率变频器5.9应用于高压变频器的特殊变频电动机高压变频器专用的电动机，在设计时一般采用增强型冷却风机，即冷却风机不是固定在电动机的转子上随转子一同旋转，而是单独的一个风机，由低压电源单独供电。这样，当电动机转速下降时，电动机的散热能力不变。高压大功率变频器高压大功率变频器专用变频电动机在设计时，不用考虑启动性能，如笼型异步电动机转子可以不用深槽笼型结构，电动机用料可能更省，效率可略高于普通电动机。变频电动机是针对变频的工况设计的，因此需要和高压变频器结合设计。确定调速范围，在整个调速范围内综合设计电动机的效率，而一般的普通电动机，只考虑在工频运行时效率最高就可以了;考虑高
138、压变频器的谐波对电动机温升的影响，需要高压变频器厂家提供其谐波情况;考虑dv/dt对绝缘的影响.需要高压变频器厂家提供其指标;高压大功率变频器高压大功率变频器考虑高压变频器对轴电流的影响，确定轴承形式，应加强轴承绝缘或采用接地电刷。由于高压变频器和电动机结合设计需要系统集成的工作。比较繁琐，所以在实际操作中，目前真正的结合设计还比较少见。通常,一般的变频电动机，只是做到了与普通电动机不同的几点设计，但仍是标准化设计，并没有严格的根据具体高压变频器进行设计。高压大功率变频器高压大功率变频器采用较好的绝缘材料，在一定程度上可以耐受dv/dt的影晌；采用独立的散热风机。保持低速时的散热效果与高速时相
139、当；采用绝缘的轴承或接地的电刷消除轴电流的影响；设计温升略低一些，这样，即使有谐波电流存在，电动机的温度也不至于太高。高压大功率变频器高压大功率变频器当高压变频器的输出波形较好，或者高压变频器的输出侧增加了特殊设计的滤波器时，电动机受到的影响较小，可以使用普通的电动机。当电动机拖动的负载为风机、水泵类，转矩与转速成平方关系时，随着转速的下降，电动机电流下降得更多，因此电动机的发热也下降.不用采用特殊设计的独立的散热风机，电动机的温升也不会有问题。高压大功率变频器高压大功率变频器5.10高压变频器容量的选择方法高压变频器都采用定制的模式，即一般不会有厂家把产品做好了等待用户来购买，而是根据用户的
140、需要进行设计和生产。高压大功率变频器高压大功率变频器高压变频器一般包括输入侧的整流变压器和半导体变流单元两大部分。一般高压变频器厂家需要用户提供电动机电压、电流和功率这三个重要的参数。半导体变流单元一般只与电动机的电压和电流有关系，电压决定功率电路的串联个数和耐压水平，电流决定功率电路的输出电流能力。对于标准的电动机.变流单元的设计除了整流桥外与电动机的功率没有关系，这也是变频器有时标明视在功率的原因。高压大功率变频器高压大功率变频器整流变压器和整流桥与电动机的功率和电流，电压的关系比较复杂。对于电压源型高压变频器，电网侧的功率因数较高，整流部分只流过有功电流，因此只与电动机的功率有关(如果高
141、压变频器的整流部分为有源前端，需要对电网进行无功补偿，则另当别论);对于电流源型高压变频器，整流部分流过视在功率，因此与电动机的功率和电流都有关系。一般来讲.对于相同功率的异步电动机，电流源型高压变频器的整流变压器要大于电压源型高压变频器。高压大功率变频器高压大功率变频器5.11旋转再启动功能的介绍异步电动机在启动时，如果电动机处于静止状态，则高压变频器的频率从零开始上升，电动机可以实现软启动，一般情况下，启动电流可以限制在额定电流以下。但是，如果在启动时，电动机还在旋转，则要求高压变频器的输出频率与电动机的转速所对应的同步频率基本相等，否则电动机的滑差变大，会导致高压变频器过流故障。当电动机
142、由电网直接启动时，冲击电流也很大，由于电网的容量较大，这种冲击不会导致故障:但是高压变频器一般按照电动机的额定电流进行设计,所以当电流较大时、高压变频器必须有保护措施,以防止引起事故。高压大功率变频器高压大功率变频器针对上述的原因，要求高压变频器在启动正在旋转的电动机时,能够辨识电动机的转速，根据电动机的转速输出适当的频率，防止启动时电流过大。这种功能一般称为旋转再启动，或者飞车启动功能。高压大功率变频器高压大功率变频器高压变频器辨识电动机的转速有各种各样的方法。1.在电动机轴上安装测量速度的传感器。2.利用频率扫描,查找电动机的转速。3.利用电动机的模型计算电动机的转速。如果具有旋转再启动功
143、能，则启动电动机时，无须等待电动机停稳再启动，减小了对生产的影响。高压大功率变频器高压大功率变频器旋转再启动功能典型应用于下列场合。1.用户的风机或水泵，由于阀门关不严而无法停下来。2.高压变频器在运行中，遇到电网的闪变。3.高压变频器在运行中出现了故障，用户将电动机切入工频电网运行;当高压变频器修好以后，又需要将电动机倒入变频运行。高压大功率变频器高压大功率变频器5.12高压变频器与现场控制系统的连接方式高压变频器与现场控制系统的连接方式有两种常见类型:一种是通过继电器触点和420mA的模拟量进行连接。一种称为硬连接;另一种是通过数据通信进行连接，有各种各样的通信协议。采用硬连接方式时，通过
144、继电器触点的开关来表示一种状态的变化，通过模拟量来表示连续的物理量。硬连接的优点是:简单方便，没有复杂的通信协议和编程需要,查找故障很方便,也比较可靠;缺点是:布线太多，容易受到于扰，硬件故障率较高。高压大功率变频器高压大功率变频器当采用数据通信方式时，可采用各种通信协议，如MODBUS、PROFIBUS、DEVICENET。随着Internet的普及，现在又比较盛行TCP/IP工业以太网协议。采用协议通信，只需要一组数据通信线，布线较为简单。也比较可靠，但是编程复杂，出现问题调试困难。高压大功率变频器高压大功率变频器5.13实现快速启动和减速制动的方法有些负载在启动时,要求快速的启动，由于电
145、动机的转矩直接与电流有关。而高压变频器的容量又直接与输出电流有关，所以只能用增大高压变频器的容量来解决这个问题。不过由于启动的时间较短.在高压变频器设计时，只增大逆变部分的电流容量，一般就能够解决这个问题，因为变压器、整流器等短时的过载不会有问题。这样可以降低高压变频器的成本,给用户带来实惠。高压大功率变频器高压大功率变频器有些风机的惯性很大，但是由于生产过程的需要，在降速的时候希望快一些，这时候一般有三种办法可以达到目的。1.在电压源型高压变频器的内部直流母线电容上增加电阻2.在电动机的端子处增加高压电阻，在降速时，把这个电阻切入3.采用能量回馈型的高压变频器，将电动机反馈回来的能量反送回电
146、网，这样还能节约能源，而且相比前面两种方式，可以吸收更多的负载功率。对于电压源型高压变频器，必须采用有源前端;而对于电流源型高压变频器，由于其自身就具有能量回馈的功能，所以，不用做任何改变，这也是这种高压变频器的一个优点。高压大功率变频器高压大功率变频器5.14功率单元故障的处理方法在单元串联多电平高压变频器中，每一相都是由数个功率单元串联而成的。将故障功率单元旁路不影响输出电流的额定值，但是输出电压将有所下降，亦即当高压变频器的某个或数个功率单元因故障而被旁路时，输出相电压将变得不平衡。高压变频器实现旁路的技术有两种，一种是同级旁路技术，另一种是中性点漂移技术，应用这两种技术可解决单元旁路时
147、电动机电压的平衡问题。高压大功率变频器高压大功率变频器5.14.1同级旁路技术同级旁路技术是指高压变频器一相中的某个功率单元因故障而被旁路时，在其他两相中也旁路掉相应的功率单元，即使这些单元并未发生故障,如图5-10所示。同级旁路的方法虽然可以解决输出电压的平衡问题，但是却降低了输出电压的最大值。高压大功率变频器高压大功率变频器图5-10同级单元旁路技术示意图高压大功率变频器高压大功率变频器5.14.2中性点漂移技术中性点漂移技术,亦被称为“单模块旁路”技术，就是基于这种理念解决功率单元故障问题的一种新方法。这种方法的理论根据是多电平高压变频器功率单元的“Y”形中性点是浮动的，不与电动机的中性
148、点相连接，如果对各相功率单元电压的相位角进行适当调整，高压变频器输出电压的中点允许偏离中性点，此时，尽管有故障功率单元被旁路时三相串联后的相电压存在不平衡，但是高压变频器输出到电动机的三相线电压仍然维持平衡。高压大功率变频器高压大功率变频器图5-11一个功率单元故障后变频器的输出高压大功率变频器高压大功率变频器如图5-11所示.一个采用l个功率单元的高压变频器，当A相第三级功率单元发生故障时。系统将拍功率单元自动旁路，根据三相电压矢量叠加为零的原理，运用高速数字处理器增加AC相位角值，减小BC相位角，在很短的时间内完成相位角调整。虽然，A、B、C,三相电压的大小比值为4:5:5，但是，通过这样
149、几何调整.二相线电压仍旧可以构成等边三角形.电动机得到平衡的线电压，此时，有效输出载荷为额定负荷的9O%，较同级旁路技术高出10%，大大提高了系统的安全性和可靠性。高压大功率变频器高压大功率变频器5.15高压变频器损耗的构成及散热方式5.15.1高压变频器损耗的构成高压变频器的损耗主要有两大部分，一是变压器的损耗。二是整流逆变电路中功率器件的损耗。高压大功率变频器高压大功率变频器1.变压器的损耗变压器的损耗主要包括变压器的空载损耗(铁损)和变压器的负载损耗铜损)。空载损耗是不变损耗,与铁芯所使用的材质有关，变压器一旦制造完成，其空载损耗也就确定了，不随变压器负载的变化而变化。变压器负载工作时，
150、因电流流过绕组的铜阻发热而产生的损耗为变压器的负载损耗。使用在多级串联高压变频器前端的移相变压器的负载损耗还应考虑其他因素，如二极管换流时产生的直流分量磁化和谐波的附加杂散损耗等。变压器的负载损耗是可变损耗，与变压器的负载率有关.负载率越大，损耗也越大。高压大功率变频器高压大功率变频器2.整流逆变电路中功率器件的损耗在整流逆变电路中，损耗主要由二极管和IGBT产生。在电力电子应用领域，二极管和IGBT主要工作在开关状态，并且周期性的经历各种动态和静态的状态。在这每一种状态中，都会产生一部分功率损耗或能量损耗，如通态损耗、截止损耗、导通损耗、关断损耗、驱动损耗等，所有这些损耗的总和即为开关器件的
151、总功耗。一般来说，截止损耗和驱动损耗在总损耗中所占的比重较小，可以忽略不计，通态损耗和开关损耗所占的比重较大。高压大功率变频器高压大功率变频器5.15.2高压变频器的散热方式5.15.2.1解决器件散热问题常见的方法解决器件散热问题常见的方法有以下几种:自然空冷、强迫风冷、液体冷却。1.自然空冷自然空冷是指电子设备内部热源产生的热量通过传导、对流、辐射的方式传到散热器或机壳，然后由散热器或机壳通过对流和辐射传至周围介质，从而使设备达到冷却的目的。其优点是可靠性高，适用于功率密度小或者某些有特殊要求的设备:缺点是散热效率低，体积大，热源与周围介质的温差大。高压大功率变频器高压大功率变频器2.强迫
152、风冷与自然空冷相比,强迫风冷是通过外加风扇或者风机，驱使空气流经发热表面把热量带走的一种冷却方法。空气流动速度越高，发热面与空气形成的边界层的热阻就越小，冷却的效果也就越好。在电子设备中，通过合理的设计，可使强迫风冷的散热能力比自然空冷大10倍左右。在高压变频器产品中，强迫风冷是最常见的散热方式。高压大功率变频器高压大功率变频器3.液体冷却根据冷却介质是否与发热元器件直接接触，液体冷却一般分为直接液体冷却与间接液体冷却。由于高压变频器中需要冷却的元器件均为带电体，因此高压变频器均采用间接液体冷却。高压大功率变频器高压大功率变频器5.15.2.2高压变频器产品的散热方法1.变压器高压变频器产品中
153、使用的变压器一般采用自然空冷或者强迫风冷的办法进行散热2.功率单元高压变频器中的功率单元一般采用强迫风冷的方式进行散热.通过在系统机柜中设计并联风道，使每个功率单元的散热基本均衡。高压大功率变频器高压大功率变频器功率单元内部安装着高压变颁器几乎所有的整流逆变电路中的功率器件，因此功率单元的发热量很大。在高压变频器的散热设计中.功率单元的散热是其中的重点和难点，要解决功率单元的散热问题，需要重点注意其中风道的设计、散热器的选择、风机的选择等问题，尤其是散热器的选择。目前市场常见的散热器有挤压铝型材散热器、钎焊散热器、热管散热器等，应当根据功率单元发热量的大小以及功率密度的要求，选择与其适用的种类
154、。高压大功率变频器高压大功率变频器3.高压变频器的安装使用环境1)安装风罩风罩的作用是收集高压变频器排出的热风，并通过风道将热风直接排放到高压变频器安装的环境以外。2)安装空调在安装高压变频器的房间内安装空调，利用璧调将坏境温度降下来。其优点是安装方便，并且可以有效保障高压变频器的运行环境，如降低温度、减少灰尘等;缺点是造价高。运行维护费用高。3)安装空水冷却器。安装空水冷却器，其作用与空调类似。优点是可以利用现场己有的资源电动机的冷却水)，运行维护费用低，使高压变频器的运行环境良好;缺点是造价较高，安装调试较为复杂。高压大功率变频器高压大功率变频器综合比较以上三种方案，应该说各有其优缺点，用
155、户一般应根据自身应用场所的特点和要求选择最适合的某种方案实施高压变频器的散热。高压大功率变频器高压大功率变频器第六章常见故障发生的原因和常见故障发生的原因和处理方法处理方法高压大功率变频器高压大功率变频器在变频器实际运行中常见的故障可以分为：光纤故障过电压故障欠电压故障缺相故障过热故障驱动故障变压器故障控制器故障风机故障等高压大功率变频器高压大功率变频器6.1光纤故障高压变频器出现光纤故障一般有以下几种情况:功率单元与控制器之间的光纤连接头脱落或者接触不良;光纤信号发送/接收器内部堆积灰尘;光纤折断;高压大功率变频器高压大功率变频器光纤通信电路控制板上部分器件损坏或者受温度影响工作不稳定，如器
156、件老化。芯片插座松动，晶振起振频率不稳定、振幅降低等:光纤电路控制电源输出不正常。高压大功率变频器高压大功率变频器在出现光纤故障的情况下，首先需要判断是功率单元侧出现故障还是控制器侧出现故障。在不能明确故障出现在哪一侧的情况下，应在高压变频器断电后，根据监控界面的故障记录用备用.功率单元替换下被怀疑有故障的功率单元，然后重新给变频器通电，此时如果故障消失则可以判定属于功率单元故障，如果故障仍然存在则应是控制器有故障，此时可以考虑更换控制器中的光纤通信板。高压大功率变频器高压大功率变频器6.2过电压故障正常情况下直流母线电压为三相交流输入线电压的峰值。以AC700V输入电压等级的功率单元为例计算
157、，直流母线电Ud=989V。在过电压发生时。直流母线的储能电容电压将上升，当电压上升至一定的值时(通常为正常值的10%20%).高压变频器过电压保护动作。因此，对于变频器来说，有一个正常的工作电压范围，当电压超过这个范围时很可能损坏功率单元。高压大功率变频器高压大功率变频器6.2.1过电压故障的危害过电压故障的危害高压变频器过电压主要是指其中间直流回路过电压，中间直流回路过电压的主要危害表现在以下几方面：对功率单元直流回路电解电容器的寿命有直接影响，严重时会引起电容器爆裂。因而高压变频器厂家一般将中间直流回路过电压值限定在一定范围内，一旦其电压超过限定值，变频器将按限定要求跳闸保护。高压大功率
158、变频器高压大功率变频器对功率器件如整流桥、IGBT、SCR的寿命有直接影响，直流母线电压过高，功率器件的安全裕量减少。对功率单元的控制板造成损坏。一般功率单元中控制板上的DC/DC变换需从直流母线取电，DC/DC变换器的输入电压也有一定的范围，直流母线电压过高，则DC/DC变换器中开关管如MOSFET也会击穿。高压大功率变频器高压大功率变频器6.2.2引起过电压故障的原因引起过电压故障的原因一般能引起中间直流回路真正过电压的原因主要来自以下两个方面。1.来自电网输入侧的过电压：例如如雷电引起的过电压、补偿电容在合闸或断开时形成的过电压等。2.来自负载侧的过电压：一般在变频器负载侧可能引起过电压
159、的情况及主要原因如下：高压大功率变频器高压大功率变频器变频器减速时间参数设定相对较小及未使用变频器减速过电压自处理功能。工艺要求在限定时间内减速至规定频率或停止运行。工艺流程限定了负载的减速间，合理设定相关参数也不能消除这一故障。此时，变频系统必须有措施来消耗多余的能量，如采取电阻消耗的办法。电动机所传动的位能负载下放时，电动机将处于再生发电制动状态。回馈能量超过中间直流回路及其能量处理单元的承受能力，过电压故障也会发生。对于这种负载，应该选用带能量回馈功能的变频器，将能量回馈至电网。高压大功率变频器高压大功率变频器多个电动机拖动同一个负载时，也可能出现这一故障，这主要是由于没有均衡负荷分配引
160、起的。以两台电动机拖动一个负载为例。当一台电动机的实际转速大于另一台电动机的同步转速时，则转速高的电动机相当于原动机，转速低的处于发电状态，引起了过电压故障。处理时需加负荷分配控制装置。可以把变频器输出特性曲线调节得缓和一些。变频器中间直流回路电容容量下降二变频器在运行多年后，中间直流回路电容容量下降将不可避免，中间直流回路对直流电压的调节程度减弱，在工艺状况和设定参数未曾改变的情况下，发生变频器过电压跳闸的概率会增大，这时需要对中间直流回路电容器容量下降情况进行检查。高压大功率变频器高压大功率变频器不管是来自电源输入侧的过电压，还是来自负载侧的过电压，它们带来的结果都是变频器的各个功率单元直
161、流母线电压超过了保护值从而产生过电压故障。但高压变频器在现场运行中报过电压故障也有相当一部分并不是因为母线电压升高引起的，而是由检测回路工作异常造成的。高压大功率变频器高压大功率变频器6.2.3避免过电压故障的方法避免过电压故障的方法根据以上针对高压变频器过电压带来的危害及几种可能的产生原因的分析、可以从以下四个方面来尽最大可能避免过电压故障的产生:一是避免电网过电压进入到变频器输入侧;二是避免或减少多余能量向中间直流回路馈送，使其过电压的程度限定在允许的限值之内；三是提高过电压检测回路的抗干扰性；四是中间直流回路多余能量应及时处理。下面介绍主要的处理方式。高压大功率变频器高压大功率变频器1.
162、在电源输入侧增加吸收装置，减少变频器输入侧过电压因素2.从变频器已设定的参数中寻找解决办法3.采用在中间直流回路上增加适当电容的方法4.在条件允许的情况下适当降低功率单元输入电压5.增强过电压检测电路的可靠性和抗干扰性6.在输入侧增加逆变电路的方法高压大功率变频器高压大功率变频器7.采用增加泄放电阻的方法。除了以上列举的处理措施以外，高压变频器过电压故障的发生还与功率单元中间直流母排结构的设计形式、功率等级大小有关。总之，高压变频器功率单元中间直流过电压故障是变频器的一个非常重要的故障点，关键是要分清原因，结合变频器本身参数、控制系统状况和工艺流程等情况，才能制定相应的对策。只要认真对待。过电
163、压故障是不难解决的。高压大功率变频器高压大功率变频器6.3欠电压故障和过电压故障定义类似，高压变频器欠电压故障保护是各功率单元中间直流母线电压持续低到一定程度且维持一段时间后采取的保护措施，欠电压也是用户在使用高压变频器中经常碰到的问题。电网电压降低后，功率单元中间直流电压若降到欠电压保护值以下，保护电路将动作。高压大功率变频器高压大功率变频器6.3.1欠电压故障的危害欠电压故障的危害高压变频器功率单元中间直流回路欠电压的主要危害表现在以下几方面。导致变频器过载或者过流保护。高压变频器带重载运行过程中若突然出现长时间欠电压，此时因为输出功率很大而变频器输出电压的脉冲幅度过低，根据公式输出电压下
164、降.为维持输出功率不变势必输出电流相应增加;而当输出电流超过一定值时，变频器输出过载或者过流保护电路动作。高压大功率变频器高压大功率变频器功率单元控制板不能正常工作。功率单元控制板上的DC/DC变换器输入电压有一定范围.对直流母线电压值有一个下限值要求。当电压低到一定程度时，单元控制板将不能正常工作，所以在此之前，欠电压保护就必须起作用了。高压大功率变频器高压大功率变频器6.3.2引起欠电压故阵的原因引起欠电压故阵的原因一般能引起中间直流回路欠电压故障的原因主要有以下几个方面。来自电网的负向波动。功率单元输入电源缺相。移相整流变压器二次侧短路。功率单元三相整流桥某相断路。欠电压检测电路出现异常
165、。高压大功率变频器高压大功率变频器6.3.3欠电压故降的处理方法欠电压故降的处理方法根据以上针对高压变频答欠电压带来的危害及产生的原因，可以从以下几个方面来处理欠电压故障。1.增大供电变压器容童，改善电网质量。2.检测变压器至功率单元的连接以及功率单元的整流桥。高压大功率变频器高压大功率变频器当用万用表确认变压器二次侧至功率单元输入侧的电缆连接可靠、变压器外观未出现异常时，应对功率单元的整流桥进行检侧。具体的检侧方法，以HARSVERT-A系列功率单元为例说明。图6-1为功率单元的电路原理图。高压大功率变频器高压大功率变频器图6-1功率单元的电路原理图高压大功率变频器高压大功率变频器首先找到变
166、频器内部直流电源的正极V+及负极V-，将模拟万用表调到R10挡，数字万用表调到二极管挡，红表笔接到V+上，黑表笔分别接到R、S、T上，用模拟万用表时应该有十几欧的阻值，用数字万用表时应该显示0.30.5的数值。相反，将黑表笔接到V+上，红表笔依次接到R、S、T上应该有一接近于无穷大的阻值。将红表笔接到v-上，重复以上步骤，都应得到相同的结果，用以上的方法基本能判定整流桥的好坏。3.增强欠电压检测电路的可靠性。高压大功率变频器高压大功率变频器6.4缺相故障高压变频器缺相故障保护是各功率单元交流输入侧电压三相中至少有一相缺少而采取的保护措施。对于大功率的高压变频器来说需要缺相保护电路，因为采用二极
167、管整流供电的功率单元在高压变频器负荷过大时缺相，会引起整流模块发热、过流，直流母线电压低，在一定情况下，虽然在缺相状态设备也能继续工作，但整流桥中个别器件电流过大及电解电容器的脉冲电流过大，若长期运行将对变频器的寿命及可靠性造成不良影响.因此应及早检查处理。高压大功率变频器高压大功率变频器一般能引起变频器出现缺相故障的原因主要有以下几个方面:高压输入开关掉闸，或者电网发生故障:功率单元三相进线熔断器熔断:移相整流变压器二次侧短路;整流变压器三相进线螺栓松动，或者整流变压器与功率单元的连接线路出现故障:缺相检测保护电路异常。这种情况下，更换相应的检测电路即可。高压大功率变频器高压大功率变频器6.
168、5过热故障高压变频调速系统额定负载运行时效率一般都在96%左右，其余的4%的功耗主要是以热能的形式散失在变频器中了:如果变频器内部的热量不及时散出，必然导致移相变压器在高温下运行;功率单元的IGBT整流桥等功率器件和电解电容等也会在超出安全工作温度下运行，长此以往变频器的寿命会大大降低，严重时会直接导致元器件的损坏，因此需要设置过热保护。在高压变频器中主要有变压器过热保护、功率单元过热保护电路。高压大功率变频器高压大功率变频器移相整流变压器一般分轻度过热(作用于报警)和严重过热(作用于跳闸)保护。过热保护一般会有以下几方面原因:变压器几次侧接线绝缘破损、短路;变压器长时间过载运行;现场环境温度
169、过高:变压器的冷却风机不正常.风路不通畅;温度控制器功能不完善，过热保护参数设定不合理，或参数被非法复位或修改等。高压大功率变频器高压大功率变频器6.6IGBT驱动故障功率器件的保护和故障分析IGBT是高压变频器中最关键的功率器件，它是MOSFET与双极晶体管的复合器件。它既有MOSFET易驱动的特点.又具有功率晶体管电压、电流容量大等优点。其频率特性介于MOSFET与劝率晶体管之间，可正常工作于几十千赫频率范围内，故在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。IGBT作为一种大功率的复合器件，存在着过流时可能发生锁定现象而造成损坏的问题。为了提高系统的可靠性，采取了一些措施来防止IGBT因过
170、流而损害。高压大功率变频器高压大功率变频器IGBT的过流保护电路可分为两类:一类是低倍数的(I.21.5倍)的过载保护，一类是高倍数(可达810倍)的短路保护。对于过载保护不必快速响应，可采用集中式保护，即检测输出端或直流环节的总电流，当此电流超过设定值后比较器翻转，封锁所有IGBT驱动器的输入脉冲，使输出电流降为零。这种过载电流保护电路，一旦动作后.要通过复位才能恢复正常工作。高压大功率变频器高压大功率变频器IGBT能承受很短时间的短路电流，一般在10us左右。短路时IGBT的导通压降价VCE上升，通常IGBT过流保护装置是通过检测IBT导通时的管压降动作的。如图6-2所示。高压大功率变频器
171、高压大功率变频器图6-2IGBT过流保护示意图高压大功率变频器高压大功率变频器当IGBT正常导通时其饱和压降很低，当IGBT过流时管压降VCE会随着短路电流的增加而增大，增大到一定值时，IGBT驱动保护电路的比较器翻转，封锁IGBT的驱动信号，同时送给CPU处理器故障信号，以达到保护作用。通常引起变频器驱动故障的原因有以下几种:变频器输出短路;功率单元内IGBT被击穿;驱动检测电路损坏;检测电路被干扰。高压大功率变频器高压大功率变频器一般，变频器出现驱动故障以后，在高压未掉电的情况下。切不可轻易复位变频器后重新启动，这样容易造成变频器的二次损坏。正确的处理办法是根据监控界面的故障定位找到对应的
172、模块，拆开检查IGBT是否损坏。判断的方法是:找到功率单元内部直流母线的正极V+及负极V-，将数字万用表的黑表笔接到V+上，红表笔分别接到U,V上。用二极管挡，应该显示0.4左右的数值，反向则应该显示无穷人:将红表笔接到V-上，重复以上步骤，应得到相同的结果，否则可判断IGBT己损坏需要更换。高压大功率变频器高压大功率变频器在IGBT逆变模块损坏的情况下，驱动电路大都不可能完好无损，切不可换上好的快熔或者IGBT逆变模块，这样很容易造成刚换上的好器件再次损坏。这个时候应该着重检查一下驱动电路上是否有打火的印记.如果有则驱动板已经损坏，如果目测没有问题，则应该送回厂家检测，确认正常后可以使用。在
173、现场，一般情况下，更换新的驱动板是比较稳妥的办法。高压大功率变频器高压大功率变频器6.7变压器故障多绕组干式移相整流变压器是多级串联式高压变频器中重要的配套器件之一。它采用H级非包封干式变压器技术，其主体绝缘采用Nomex绝缘系统，在高温下，它的电气和机械性能都十分稳定，而且阻燃和防潮性能很好。变频器的每个功率单元各自通过多绕组移相整流变压器的一个二次绕组供电，这种多绕组隔离变压器的二次绕组互相存在一个相位差，实现了多重化，由此消除了各单元产生的谐波对电网的污染。高压大功率变频器高压大功率变频器在实际运行中，一般能引起变压器故障的原因主要有以下几个方面:雷电引起的过电压、补偿电容或者前级高压开
174、关在合闸或断开时形成的操作过电压引起变压器一次高压绕组对铁芯放电等;变压器二次侧接线绝缘不好甚至短路;变压器二次绕组引出线与接线螺栓之间松动;变压器运行时温度过高。根据上述变压器发生故障的原因分析，可用下面的方式处理变压器故障。在变压器输入侧增加吸收装!抑制过电压合理分布二次绕组接线柱的位盖及增加接线螺栓之间的距离加强二次绕组接线的强度降低变压器运行过程中的温升高压大功率变频器高压大功率变频器6.8控制器故障高压变频器主控制器的核心是由高速单片机或数字信号处理器(DSP)和人机界面、光纤通信接口组成的。人机界面使操作方便、可靠，工业标准接口可以实现远程监控和网络化控制。控制器一般还包括一台内置
175、的PLC，用于柜体内开关信号的逻辑处理，以及与现场各种操作信号和状态信号的协调，增强系统的灵活性。变频器控制器故障主要是各种硬件与软件方面的故障。一般产生控制器故障的原因比较复杂且多样化，根据现场运行反馈主要表现在以下一些方面。高压大功率变频器高压大功率变频器光纤通信电路异常,不能对功率单元进行有效监控，变频器可以自动检测此类异常;主控板、人机界面、PLC通信出现异常:现场给定信号或者变频器到用户操作台的指示信号丢失;现场信号夹杂干扰，影响变频器的正常工作;各种硬件的故障;软件的一些缺陷，厂家应能根据用户现场的变化、出现的一些特殊工况和问题，随时升级软件，保证变频器正常运行。高压大功率变频器高
176、压大功率变频器6.9风机故障高压变频器正常工作时，热源主要来自于隔离变压器、功率单元，因此散热风机应安装在变压器柜和功率柜,有时变压器底部还有变压器自带的小型散热风机。一般来说，变频器所配置的风机比较可靠，出现的故障比较少。以下列举一些常见的风机故障:高压大功率变频器高压大功率变频器三相风机电源缺相，导致长时间过流运行;风机输入电源相序颠倒，风机反转;风机因灰尘过多卡住;风机开关损坏，启动电容、风量继电器及风管等附件损坏;风机机械故障。高压大功率变频器高压大功率变频器在日常的维护和检修过程中经常检测风机的电源、风机的转向，清理风机内沉积的灰尘，特别是在环境比较恶劣(高温、高湿、煤矿、油田、水泥
177、、煤炭等多粉尘行业，海上平台)的地方.采取相应的防尘、防潮、防盐雾措施，都会大大减少风机的故障率。高压大功率变频器高压大功率变频器6.10其他故障在高压变频器中还有一些其他常见的故障，如过电流故障、过载故障、参数设置故障。高压大功率变频器高压大功率变频器6.10.1过电流故障过电流故障变频器中的过电流保护是指带有突变性质的、电流的瞬时值超过了过电流保护值(约额定电流峰值的200%)，变频器显示过电流故障。由于逆变器件的过载能力较差，所以变频器的过电流保护是至关重要的一环。变频器的过电流跳闸又分正常运行过程中的过电流跳闸和加、减速过程中的跳闸等情况。高压大功率变频器高压大功率变频器1.正常运行过
178、程中的过电流跳闸正常运行过程中过电流跳闸可能的原因如下:变频器短路造成轻载过电流重载过电流高压大功率变频器高压大功率变频器变频器短路造成针对因短路而造成的过电流其具体处理方式如下:要仔细检查变频器内部和输出电缆、电动机的状态，看有无异常，最好能发现故障点。如果目测无法发现故障点。则应将变频器与电动机的连接线断开，用绝缘表检查电动机和电缆的绝缘是否正常，检查电动机是否正常，如果电动机和电缆都正常。这时可以启动变频器空转，看看变频器的输出波形是否正常，根据变频器的状态更换相应的故障电路。高压大功率变频器高压大功率变频器轻载过电流负载很轻，却又过电流跳闸.这是变频调速所特有的现象。在V/F控制模式下
179、，存在着一个十分突出的问题，就是在运行过程中，电动机磁路系统的不稳定。其基本原因是低频运行时;为了能带动较重的负载，常常需要进行转矩补偿(即提高U/F比，也叫转矩提升)，导致电动机磁路的饱和程度随负载的轻重而变化。这种由电动机磁路饱和引起的过电流跳闸，主要发生在低频、轻载的情况下。解决方法是反复调整工U/F比。高压大功率变频器高压大功率变频器重载过电流故障现象。有些生产机械在运行过程中负载发生突变，如负荷突然加重，甚至“卡住”，电动机的转速因带不动负载而大幅下降，电流急剧增加。过载保护电路来不及动作，导致过电流跳闸。高压大功率变频器高压大功率变频器解决方法。首先，了解机械本身是否有故障，如果有
180、故障，则修理机器。其次,如果这种过载属于生产过程中经常可能出现的现象.则可以考虑增大变频器的容量，或者选用带有矢量控制性能的变频器。这种变频器用快速的运算限制电动机的转矩输出，从而限制了输出电流。通俗的理解，就是变频器的输出频率永远跟随电动机的转速，让电动机不过电流。高压大功率变频器高压大功率变频器2.加减速中的过电流当负载的惯性较大，而加速时间或减速时间又设定得太短时，也会引起过电流。在升速过程中，变频器工作频率上升太快，电动机的同步转速迅速上升，而电动机转子的转速因负载惯性较大而跟不上去，结果是升速电流太大;在降速过程中，降速时间太短，同步转速迅速下降，而电动机转子因负载的惯性大，仍维持较
181、高的转速，这时同样可以使转子绕组切割磁力线的速度太快而产生过电流。这种原因引起的过电流故障.可采取的防治措施如下:延长加(减)速时间;准确预置加(减)速自处理(防失速)功能。高压大功率变频器高压大功率变频器6.10.2过载故障过载故障电动机能够旋转，但运行电流超过了额定值，称为过载。过载的基本特征是电流虽然超过了额定值，但超过的幅度不大，一般也不会形成较大的冲击电流。输出电流超过反时限特性过载电流保护值，保护电路即动作。高压大功率变频器高压大功率变频器过载的原因机械负荷过重。三相电压不乎衡，引起某相的运行电流过大，导致过载跳闸。其特点是电动机发热，从显示屏上读取运行电流值时不一定能发现(因显示
182、屏只显示一相电流，或输出三相电流的平均值)。误动作。过载后的检查方法:检查电动机是否发热。检查电动机侧三相电压是否平衡。检查是否误动作。高压大功率变频器高压大功率变频器6.10.3参数设置不正确的故障参数设置不正确的故障高压变频器在使用中，是否能满足传动系统的要求，其参数的设置也非常重要,如果参数设置不正确,会导致高压变频器不能正常工作。高压大功率变频器高压大功率变频器1.参数设置确认电动机参数。高压变频器采取的控制方式，即速度控制、转矩控制、PID控制或其他方式。设定控制方式后，一般要根据控制精度，进行静态或动态辨识。设定变频器的运行控制方式。给定信号的选择。2.参数设置类故障的处理一旦发生了参数设置的错误，变频器可能不能正常运行。发生故障时，应该根据产品说明书详细检查参数的设置情况。如果还是发现不了问题，最好是能够把所有参数恢复出厂值，然后重新设置。
