变频调速技术理论培训

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1、内容提示n功率电路器件介绍功率电路器件介绍n交流电机的基本原理和调速的类型交流电机的基本原理和调速的类型n串级调速和内反馈调速的基本原理串级调速和内反馈调速的基本原理n定子变频调速的基本电路形式定子变频调速的基本电路形式n交直交变频器的交直交变频器的PWM控制控制n交流电机变频调速的控制方法交流电机变频调速的控制方法n高压电机调速器的几种类型高压电机调速器的几种类型n现在常见的高压调速类型现在常见的高压调速类型n用户关心的几个问题用户关心的几个问题n利德华福公司高压变频调速的简单介绍利德华福公司高压变频调速的简单介绍n风机和水泵的调速运行实现方法和节能测算风机和水泵的调速运行实现方法和节能测算

2、构成高压变频器的功率器件的类型n二极管n晶闸管（可控硅）nGTOnIGCTnGTRnIGBTnIEGT（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

3、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异步电机的结构示意异步电机一相的等值电路同步电机的结构示意1不改变同步转速的调速法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定子极对数改变定子电压频率。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)

4、(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Rf 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n交交变频调速n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

5、电网扰动能力弱小结变频调速直接控制电机的输入电压和电流，传动系统效率高，是最直接和彻底的调速解决方案交直交变频器的PWM方法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）一个周期的波形谐波消除PWM方法（双极性）Voltagewaveinharmoniceliminationmethod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

6、，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。独立控制磁通和转矩滑差频率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(b)直接转矩控制

7、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n液力耦合器，电磁调速器n串级调速，内反馈调速n高低方式n高低高方式nIGBT直接串联方式n三电平方式n电流源方式n功率模块串联多电平方式液力耦合器和电磁调速器液力耦合器的特点n调速范围小（60-95%）n速度越低，效率越低n初期投资比变频小，维护费用大n调节精度低，响应慢；

8、n故障时电机不能旁路运行；n电机不能软启动串级调速内反馈调速内反馈设备斩波内馈内反馈调速的特点n调速范围低（60-95%）n电机功率因数低（与速度成正比）n需要内馈绕线式电机和软启动电路；n不能用于两极电机；n调速装置故障时可以直接旁路运行；n调速精度低，响应慢；n滑环需维护。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n受器件限制，电压无法达到6kv；n电压电平数少，dv/dt大，需要输出滤

9、波器，或特殊电机；n输出侧没有变压器时，无法旁路运行；n变压器可以异地安装；n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n输入功率因数低（与速度成正比）n对电网电压波动敏感；n可以实现能量回馈；n器件故障不能带故障运行；n变压器可以异地安装；n有6kv产品，无10kv产品；n器件串联的可靠性问题功率单元串联型变频器 电平叠加的原理功率单元串联型设备单元串联多电平变频器的特点n输入谐波少，功率因数高；n电机侧谐波和dv/dt少，适用普通电机；n功率电路模块化，维护方便；n部分电路故障可继续运行；n系统故障可旁路到电网运行；n可一带多运行；n不能将能量回馈到电

10、网；n功率器件备品备件属于通用产品；n可做成10KV产品。现在常见的高压调速类型现在常见的高压调速类型n内反馈调速（保定北方、哈九州）n三电平高中型（ABB）n三电平高中高型（西门子）n电流源型（AB）n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）n整流脉冲数n电平数和dv/dtn功率单元旁路时的电压输出能力n关心电压谐波还是电流谐波n如何消除谐波n功率因数的定义n效率的测量方法和误差；损耗的构成n变频器对电机的保护n手动旁路和自动旁路用户关心的几个问题（2）n关于电压型变频器的寿命n异步电动机低速运行发热问题nVVVF变频器的调速范围n变频器容量的选

11、择n关于器件的数目n什么是四象限运行n变频器自身的保护功能整流的脉冲数：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，dv/dt小dv/dt影响电机绕组的绝缘4.9KV4.9KV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。关心电压谐波还是电

12、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。效率应在电网和电机

13、轴两点测量；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

14、，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变频调速的调速范围异步电机的电压、频率比的关系变频器容量的选择高压变频器无固定规律，定制模式与输出电流、电机实际功率有关电压源型：变压器=电机功率；变频器=电机电流电流源型：变压器+变频器均与电机电流有关关于器件的数目n应关注总器件数目，功率器件的故障较少。n器件电压越高，损耗越大，系统损耗并不与器件数目成正比。关注器件数目：IGCT及其驱动电路关注器件数目：IGBT及其驱动电路共模电压和轴电流共模电压：电机中点对地的电压（简单理解）输入变压器对共模电压有较好的隔离作用。输出电平数多时，共模电压的交变分量较少。共模

15、电压和谐波引起轴电流四象限运行转矩转向正常运行反转制动XX变频器自身的保护功能n输出过载n输出过流n电网过电压n电网欠电压n电网失电n直流母线过电压n直流母线欠电压n变压器过热n缺相n控制电源掉电n驱动故障n功率器件过热n散热风机故障nDCS给定掉线n接地故障n光纤故障n整流失败n逆变失败变压器的绝缘等级B级绝缘：1300CF级绝缘：1550C （环氧浇注式）H级绝缘：1800C利德华福公司高压变频调速的简单介绍风机和水泵的调速运行实现方法和节能测算n风机和水泵的基本类型n叶片式风机和水泵的基本调速性能n节能测算的基本曲线n风机和水泵变频调速需要注意的问题n电厂应用风机水泵变频调速的系统构建变

16、频调速节能的一般原理变频调速节能的一般原理Q流量：单位时间内进入风机的气体体积；H压力：单位气体通过风机后所获得的能量；P流体功率，PQH；=流体功率/轴功率管网阻力HKQ2其中K为管网总阻力系数风机在运行时，其工作点是风机H-Q曲线与管网H-Q曲线的交点风机性能曲线管网特性曲线 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n2,其工作点调至C点，使其参数满足工艺要求，其功率为OQ2

17、BH2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/n2H1/H2=（n1/n2）2P1/P2=（n1/n2）3HH2H1H2R2BAR1Cn121n20Q2Q1Q 水泵的节能：离心水泵装置中存在一个由吸入侧和排出侧之间液位差所造成的固定管路阻抗分量，即实际扬程，管路阻抗不再通过原点。全扬程H表示为：H=Ha+Hl（为损失扬程，包括吸入管路损失水位差、排出管路损失水位差、剩余速度损失水位差三部分）。以50%流量

18、情况的运行特性分析，排出管路阀门控制的工作点为A，转速控制的工作点为B（采用管端压一定的控制方式），与全流量工作点C相比较，工作点A及B所需轴功率都减小了，但B所需轴功率更小，可见采用调速的方式节能效果大。轴功率的实际值由公式给出：P=QH/c/ d10-3。 如图为采用不同的调节方法时电动机的输入功率、轴输出功率（即风机轴功率）与风量的关系曲线，采用不同的调节方法，电动机的输入功率也不同，如图比较了输出端风门控制、输入端风门控制、液力耦合调速电动机调速控制和采用变频调速控制的电动机的输入功率与风量之间的互相关系，最下面一条曲线为调速控制时风机所需的轴输入功率，即电动机的轴输出功率。其中输出端风门控制耗能最大，很少采用，风门控制一般均在输入端进行。如图将风量调至0.5（pu）时节电情况，变频调速所需电源功率仅为全风量的12.5%。