高压变频器理论培训讲课内容

(a) 矢量控制法
(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。
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。
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
同步电机的结构示意
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)
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
(b) 磁链矢量轨迹
(a) 电压空间矢量
磁链和转 矩控制
(c) 最佳开关查表 控制法
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
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）
一个周期的波形
谐波消除PWM方法（双极性）
Voltage wave in harmonic elimination method
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
u A U sin(t ) uB U sin(t 1200 )
uC U sin(t 1200 )
异步电机的结构示意
u A U sin(t ) uB U sin(t 1200 )
uC U sin(t 1200 )
异步电机一相的等值电路
异步电机调速方法分类
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

T
4.9KV
三电平的相电压，dv/dt大
T
1) R ef A :
2 0 0 V o lt 5 m s
T
单元串联多电平的相电压， dv/dt小
4.9KV

dv/dt影响电机绕组的绝缘
1 ) R ef A :
独立控制磁通和转矩
近似的补偿了磁通和转矩在动态过程中的变化，但不是数学中的完全解耦控制。
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)
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。
KQ1
KQ2
KQ3
M
自动旁路电路
KM1
KM2
KM3
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。
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。 磁通密度，受材料限制
u k * f *
电机常数
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
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

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； 不能回馈能量到电网。
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


Байду номын сангаас
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
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



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。
n2 0
Q2 Q1 Q
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
构成高压变频器的功率器件的类型
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。

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）。
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Rf 的调速原理图
调速为什么节能？
H
H2’ H1 H2 C
η2
R2
B A
R1
n1
η1
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＝（ H2’－H2）× Q2