高压变频器基本知识培训课件

高压变频器基本知识全有文档 一电机调速的原理 根据电机的转速特性n=60f（1-s）/p可 以得出，改变电机的转速，基本上有三个 方法：改变频率，改变转差率或改变磁极 对数。转差率是电动机的定子磁场转速与 转子转速的差与定子磁场的转速的比值 对于通用的调速方式，可以分为以下几种 ： 从节能角度通常分为高效调速和低效调速 。高效调速是指基本上不增加转差率损耗 的调速方式，在调节电机转速时，转差率 基本不变，不增加转差损失，或将转差功 率以电能的形式回馈到电网或以机械能形 式回馈机轴；低效调速则存在附加的转差 损失，在相同调速工况下，低效调速的节 能效果不如高效调速。 常用的有以下几种调速方式： 1变极调速：通过改变定子绕组的极对数来改变旋转 磁场同步转速进行调速的，是无附加转差损耗的高效调 速方式。极对数P为1，2，3.等。如f=50HZ时，P=1则 n=3000转/分.改变极对数用改变定子绕组的接线方式来 完成。这种改变极对数来调速的鼠笼型电动机常称为多 速感应电动机或变极感应电动机。 优点：运行可靠，效率高，控制线路简单，容易维护， 对电网无干扰，初始投资低。 缺点：因为P为整数，调速不连续，抑制了它的适用范 围。适用于固定调速变化的场合。一般情况下，为了弥 补有极调速的缺陷，与定子调压调速或电磁耦合器调速 配合适用。 2串级调速:在绕线型感应电动机的转子电路中 串入一个与转子电动势相反的附加电动势，用以 减小转子电流，降低转子的转矩，从而达到调速 的目的。这时，转子电路内不再串入外接附加电 阻，产生转差损耗，而是将转子的转差功率回馈 到电网上或机轴上，是一种高效调速方式。（将 转子上移出的电转差功率通过整流，逆变送回到 电网，这样相当于改变了转子内阻，从而改变了 电动机的滑差。 因为转子的电压和电网的电压不 同，所以向电网逆变需要一个附加的变压器，如 果变压器在电机的外部，属于传统的串级调速， 一般采用内馈电机的方式，即在定子上另做一个 三相辅助绕组，辅助绕组也参与做功，这样，主 绕组从电网上吸收的能量将会降低，从而达到调 速节能的目的,这种调速称为内馈调速。） 一般内馈调速是通过移相触发控制（移相内馈）， 有源逆变器通过改变逆变角控制电转差功率 ，并人为产 生无功功率，抗干扰性差，逆变器电流等于转子电流， 换向重叠角大。增加换向难度。逆变器易发生颠覆故障 。 另外一种为斩波内馈方式，可以改变 移相内馈的缺点 ，因为斩波控制时，逆变角固定在最小值不变。提高了 系统功率因数，减小逆变的电压波形畸变和逆变电流的 谐波幅值，使系统的谐波电流小于5%。 内馈调速和串级调速都属于转子电磁功率控制的调速 ，就是通过改变转子电磁功率来实现的。 优点：调速效率高，可实现无级调速，初始投资不 大。 缺点：对电网干扰大，调速范围窄，功率因数比较低， 必须是绕线转子等，与转子串电阻相比，主要是其效率 优势，串级调速系统的总效率一般在80%左右。 3电磁离合器调速：电磁转差离合器由主动部 分电枢和从动部分感应子组成，其调速功能是 通过调节感应子励磁电流的大小改变气隙磁感 应强度，从而改变感应子从动轴的电磁转矩来 实现调速。因此，在某一恒定转矩下，励磁电 流发生变化时，转速发生变化，调速范围小， 非线性严重，励磁电流的损失都转化为热能耗 ，属于低效调速方式，一般用于低压电机，功 率不大的场合。 电磁滑差离合器：除了内部作用机理与液力 耦合器有所区别以外，调速的原理完全相同， 同样是损耗功率控制调速。调速所产生的损耗 功率以热能形式消耗在滑差离合器内部，效率 特性与液力耦合器一致 4液力耦合器调速：液力耦合器是一种利用液体介质传 递转速的机械设备，通过连续改变液体的压力来进行调速 。压力越大，输出转速越高。这是高压电机领域中最传统 的调速方式，但这种方式能耗大，效率低。原因是存在严 重的耦合损失和转差损失。耦合损失是由于液压油内摩擦 造成的，转差损失是由于调速时输出轴和输入轴存在转差 造成的。这种损失随转差的增加而上升，即效率=1-S， 其中S为转差率，这两部分都转为热量消失。另外，受执 行机构和液压机构限制，调速精度差，同时还存在严重的 非线性，只在15%-85%之间调节线性区，但仍存在增速 与减速间逆差间隙，造成自动系统很难投入运行。并且需 要一整套油系统，维护工作量大。对于风机泵类负载，由 于负载转矩按转速平方率变化，原传动输入功率则按转速 的平方率降低，损耗功率相对小一些，但输出功率是按转 速的立方率减小，调速效率仍然很低。液力耦合器的调速 效平均效率在50%左右。 5变频调速：通过改变电动机的定子供 电频率来改变旋转磁场同步转速进行调速 的。是无附加转差损耗的高效调速方式。 通常我们所说的60f/p,变频调速系统的关 键装置是频率变换器即变频器。 优点：调速效率高，启动能耗低，调速范 围宽，可实现无级调速，动态响应速度快 ，调速精度高，操作简便，易于实现生产 工艺控制自动化 。 由于对异步电动机进行调速控制时希 望电动机的主磁通保持额定值不变。磁通 太弱，铁心利用不充分，同样的转速电流 下，电磁转矩小，电机负载能力下降；磁 通太强，则处于过励磁状态，励磁电流过 大，使电动机过热，负载能力下降。为了 保持电动机的负载能力，应保持气隙主磁 通不变，就要求降低供电频率的同时降低 感应电动势，保持电动势与频率之比为常 数进行控制，我们所用的即为V/F控制方 式。 二.高压变频器概述 常见的高压变频类型根据结构可分为高 -高型和高-低-高型，根据功率单元结构分 可分为单元串联多电平型和三电平型，根 据滤波方式，可以分为电流型和电压型， 。按照电压等级可以分为6KV和10KV系 列。 2.1 高-低-高型变频器： 就是通过输入降压变压器将输入电压 降低，然后通过变频器实现调速功能，再 通过升压变压器使输出提高到较高的电压 等级，以满足电动机的电压要求。实质为 低压变频，从电网和电机两侧来看为高压 。因为存在低压环节，电流大，结构复杂 ，效率低，可靠性差，其谐波较大，随着 真正的高压变频器的技术发展，这种方式 逐渐被淘汰。2.2三电平型 三电平型是一种直接采用高压IGBT或IGCT功率器件的高 压变频器，它采用传统的交-直-交变频器结构，整流部分 采用12脉冲或24脉冲三相整流器，逆变部分采用三电平 PWM逆变器， 三电平方式运行功率因数高，响应速度快 ，由于采用了耐压较高的开关器件，数量少，使造价成本 降低，柜体尺寸小，可靠性好。与普通的二电平PWM变频 器相比，由于输出线路电平数由2个增加到3个，每个电平 幅值相对较低，由整个直流母线电压降低为一半的直流母 线电压，输出的dv/dt也相应的下降；在同等开关频率的前 提下，采用三电平结构还可使输出波形质量有较大的改善 。但是，从元件不串联原则出发，目前三电平方式不能直 接输出6000V电压，以高压IGBT或IGCT为例，目前使用 的电压等级最高的为6500V，输出交流电压为4.16KV。初 期使用时，由于输出电压与电机工作电压不直接匹配，对 6KV来讲，须将高压电机星形接法该为三角形接法，当变 频出故障时，得改回去工频运行。目前方法是在输出端加 一个自耦升压变压器，才可直接用于6KV，10KV系列。 2.3高-高型变频器 我们所用的变频器结构即为高-高型变频 器，下面介绍一下基本原理 三风光高压变频器的原理及结构 我们公司高压变频器分为6KV系列和 10KV系列，3KV系列的也有。高压变频 器的拖动对象鼠笼式三相异步电机，负载 多为风机，水泵类，节能效果比较明显。 我们高压变频器采用高-高型模式，每相 采用低压功率单元串接组成,由一个多绕组 的移相隔离变压器供电，通过高速微处理 器来实现对变频器控制。 从结构来看，变频器的柜体可以分为控制 柜，功率单元柜，变压器柜和旁路柜。 1.控制柜 控制柜作用主要是实现变频器的各种控制 功能，提供给功率单元柜的电源及控制信 号，在变频器发生故障时，停机保护。 控制柜的主要器件为主控板，PLC，UPS 纯在线式电源及人机界面。 1.1主控板采用高速单片机，完成对电机 控制的所有功能，采用正弦波载波移相方 式产生脉宽调制的三相电压指令。通过 RS485通讯口与人机界面进行交换数据， 提供变频器的状态参数，并接受人机界面 的参数设置。 1.2UPS（不间断电源）:主要是在当外部 控制电掉电时，UPS给控制电路提供电源 ，使变压器的自带的一组220V控制电源 能够在允许的时间内切换过来，使变频器 正常运行。相当于一个后备电源。 如果没有UPS，控制电掉电后，功率单 元中IGBT模块开关状态紊乱，瞬时电压 过大，使变频器损坏。如IGBT模块上下 桥臂直通，击穿模块。 1.3PLC（可编程逻辑控制器）：PLC体积 小，功能强大，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。PLC 有处理4路模拟量输入和1路模拟量输出的 能力，模拟量输入用于处理来自现场的流 量、压力等模拟信号或模拟设置时的设置 信号；模拟输出量是频率给定信号。对开 关量不能满足要求时，可以用开关量扩展 模块来实现。 1.4人机界面：为用户提供友好的全中文操作界 面，负责信息处理和与外部的通讯联系，可选 上位监控而实现变频器的网络化控制。通过工 控机接口板和PLC采集的数据，计算出电流、 电压、功率、运行频率等运行参数，提供记录 功能，并实现对电机的过载、过流进行报警和 保护。通过RS485通讯口与主控板和PLC连接 ，实时监控变频器系统的状态. 具有故障显示及记录功能，使操作人员随时 可以观察到变频器的运行情况。操作简单，灵 活。 控制方式：远程控制，本地控制 操作方式；远程操作，就地操作，人机界 面操作 2.功率单元柜 变频器实现变频的关键的部分。分为三相， 每相功率单元的输出相串联。功率单元数根据 电压等级和功率大小来决定。6KV系列的高压变 频器，对于小功率的（小于800KW），每相6个 单元，共18个单元；对于800KW以上的变频器 ，为了避免功率单元的重量过重，我们采用每 相8个单元，共24个单元的结构（用户现场不要 求变频器的大小的情况下，对于大功率的变频 器，推荐使用24个单元的结构），10KV系列的 高压变频器，一般采用每相10个单元，共30个 功率单元的结构；对于大功率（超过2000KW) ，则采用每相13个单元，共39个单元的结构。 说明：10KV系列结构改进后，备用功率 单元为1个。 每个功率单元承受全部的电机电流、 1/N的相电压、1/3N的输出功率。N代表 每相功率单元的个数。 功率单元的主电路结构如下： 1、典型的三相输入单相输出电路； 2、具有单元旁路功能。单元发生故障时通过旁 路闭合来自动旁路输出； 3、在电解电容上当进行处理，提高电解电容寿 命； 电解电容的容量比低压变频器要大，因为单元 为单相输出，全靠电解电容来进行无功电流的 交换，而低压变频则是三相输出，无功可以相 互抵消。设计时一般按1A=90UF计算。 3 变压器柜 主要为移相干式变压器。给功率单元的工作 提供独立的三相输入电压，功率单元之间及变 压器二次绕组之间相互绝缘。二次绕组为多个 相互绝缘的绕组，全采用星形绕法，绕组分成 三个相位组相位差为10°，形成了36脉冲整流电 路结构。可以不加任何谐波滤波器就能满足总 输入电流谐波小于5%的要求。输出采用载波移 相脉宽调制技术，总输出电压谐波小于5%。输 入输出谐波均能满足国家标准GB/T1454993 的要求，噪音低，温升低，不会引起电机的转 矩脉动，对电机