ACS1000的实例应用.doc

一、简述变频器的发展和应用1、概述 鉴于直流传动具有优越的调速性能，在上世纪大部分年代里，高性能可调速传动都采用直流电动机，而约占电气传动总容量80%的不变速传动则采用交流电动机。70年代变频器的问世彻底打破了交直流传动按调速分工的格局，经历近半个世纪的研究，变频技术从晶闸管(SCR)时期发展到今天的大功率晶体管(IGBT，IGCT)和耐高压大功率晶体管(HVIGBT)时期，控制技术也发展到今天的矢量控制和直接转矩控制且已全数字化，其机械特性硬度能满足具有一定硬性负载的调速要求。 现今交流变频调速传动装置已有很好的运行特性，并可作为现场级与自动化级连接在一起，应用更灵活，通信更自由，对供电系统也可实现无干扰，应用范围几乎涉及到整个工业领域。 1、变频技术的发展 1） 功率开关器件的发展 当今交流变频传动装置大多采用SPWM(Sin Pulse Width Module，正弦脉冲宽度调制)方法，即三相交流经整流和电容滤波后，形成恒定幅值的直流电压，加在逆变器UI上，逆变器的功率开关器件，按一定规律控制其导通和断开，使输出端获得一系列宽度不等的矩形脉冲电压波形。如改变脉冲宽度即可控制逆变器输出交流基波电压的幅值；改变调制周期即可控制其输出频率，这样就同时实现了调压和调频。随着变频器快速性、精确度及可靠性的不断提高，对功率开关器件要求越来越高，即开关频率要求在几十千赫兹，导电损耗低，在各种应用领域的可靠性高，目前除GTO外，现较成熟的IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极晶体管)和IGCT(Integrated Gate Commutated Thyristor，集成栅整流晶体管)，IGBT还有高低压之分。西门子公司在发展IGBT技术方面，不仅开发了耐高压HV-IGBT，在提高关断和载流能力方面有了新的进展；且每次通电或断电时的瞬变电流和瞬变电压可通过门电路进行控制。ABB公司在发展IGCT技术方面，主要是在快速、均衡换流和内在低损耗等取得很大进展。2)控制理论和控制技术的发展 由于交流电动机原理上的原因，其数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，要像直流电动机那样直接通过电流对电磁转矩进行灵活和即时的控制有一定难度。如果将交流异步电动机经过坐标变换可以生成等效的直流电动机模型，模拟直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应坐标变换反变换，就能控制交流异步电动机。由于进行坐标变换的是电流(代表磁动势)的空间矢量，由此实现的控制系统即称为矢量控制系统。当今矢量控制的交流变频器组成的传动系统已完全实现数字化、智能化、模块化控制，即有一个集成高动态性能、优良控制特性、极高灵活性的模板，来实现与电动机有关的控制任务，而且带有大量自由功能模块，用这些模块也可处理与传动有关的控制，如西门子公司CUVC控制模块等；同时在软件配置上也已实现了标准化和模块化，还提供了许多非标准功能，如手动自动设定、输入设定值的通用性、自动重启动功能等，可以说矢量控制的交流变频调速系统的静、动态性能已完全能够与直流调速系统相媲美，是目前最成熟、完善的技术。 继矢量控制系统以后，直接转矩控制系统(DTC)是近十几年发展起来的、又一种高动态性能交流变频调速系统。在DTC中，定子磁通和转矩作为主要控制变量，在等效电动机自适应模型软件中，通过高速度数字信号处理器，电动机状态每秒更新达几万次。由于电动机状态连续不断地更新，实际值与参考值不断进行比较，实现对逆变器中每个开关状态单独确定，从而对负载突变或电源干扰所引起的动态变化作出迅速反应，故其动态特性好。DTC强调转矩的控制，在控制理论上属于Pang-Pang控制。在高速状态下，其控制水平与矢量控制没有差别；但在低速状态下，其转矩控制不稳定，易发生震荡，引起传动轴系震荡。 3)高压变频器 所谓高压等级为2300V、3300V、4160V、6000V(也有称之为中压)，在高压变频器推出前，大功率高压交流异步电动机如需采用变频调速传动，有两种方法，一是靠低压器件功率单元串联组成高压，如罗宾康公司高压变频器，由于控制复杂，功率器件太多而使得其可靠性下降，同时每个功率单元均为双电平结构，必须至少采用多重化技术才能满足谐波标准要求。另一种是所谓“高低高”，通过变压器将高压变低压(一般690V)，在低压侧变压变频，再由升压变压器升至和高压电动机相匹配的电压，组成高压交流调速传动装置。随之耐高压大功率晶体管(HVIGBT)(IGCT)的推出，近几年来A-B、Siemens、ABB纷纷推出高压变频器，其特点是变频器输出可直接接入高压电动机，无需专用变频电动机，也称高高变频器，现最大可用于7500kW异步电动机的速度和转矩控制。为满足脉冲整流器的需要，变频器配套有专用变压器(三圈)，脉冲整流器根据电网对谐波分量的要求，一般可选用6、12、18、24脉冲。西门子公司新开发的SIMOVERT MV装置在输入端采用了有源前端和三电平HVIGBT的逆变器，具有自动限流功能，门极控制简单，器件少，效率高，功率因数可高于0.96。通过一个标准程序，可对09000r/min范围内的传动进行精确控制，其输出电压有极低的谐波分量，并具有极佳的转矩特性，尤其是具有良好的低速性能，能持续输出稳定的大转矩。当前高压变频器的发展主流是主回路采用三电平结构、高压器件、电压源型以及矢量控制方式。 4)电压源型的普遍应用 从变频电源的性质上看，可分为电压源型变频器和电流源型变频器，主要区别在于中间直流环节采用哪种滤波器，电压源型变频器采用大容量电容滤波，直流电压波形比较平直；电流源型变频器采用大电感滤波，直流电流波形比较平直。前述电压源型变频器是当前的主流，指电压源型变频器比电流源型变频器性能优越，采用电压源型变频器使变频器的性能，包括输出波形、功率因数、效率、可靠性及动态性能可进一步提高。 5）通信、诊断和操作 工业控制网络作为工业企业综合自动化系统的基础，从结构上看可分为3个层次：即管理层、监控层和现场设备层。交流变频传动装置和现场仪表一样，属于现场设备层，现今推出的变频器具有极其灵活的通信功能，通过总线不仅在变频器之间，而且还可与PLC或上一级自动化系统进行通信。上一级再通过工业以太网很容易组成全集成自动化系统。用一个高水平用户友好界面，变频器的所有参数可形象化显示、设定、处理，也可进行诊断操作以及实现在线或离线操作等。二、ACS 1000 中压变频器这里主要介绍中压 315-5000kW/400-6700HP电机的精确速度控制和转矩控制的ABB中压变频器-ACS 1000。1、ACS 1000的应用范围ACS 1000是一种标准的中压交流传动系统， 是针对鼠笼式感应电机设计的变频器。可应用于石油化工、矿山、水资源、造纸和发电等工业中的风机、水泵、传送带和压缩机等。它减少了用户的工作量。由于ACS 1000 卓越的性能，ACS 1000是更新改造项目的理想选择。ACS 1000是应用于鼠笼式感应电机的三相变频器。采用成熟的微处理器控制技术来监控电机的电磁状态。这些数据配合直接转矩控制技术(DTC)可以达到近乎完美的无传感器电机控制。 外加脉冲编码器反馈后，可以应用于精确的速度控制，或长期运行于接近零速区域的应用场合。ACS 1000变频器的输出电压接近正弦，它可以方便的用于现在所使用的标准感应电机而不需要降容，因此是改造项目的理想选择。2、无熔断器设计ACS 1000 是一种无熔断器保护的中压变频器。这种专利设计采用新型的功率半导体开关元件IGCT作为回路的保护。置于直流回路和整流桥之间的IGCT不同于传统的熔断器，它可以在25微秒内直接将逆变部分和整流部分快速隔离，其快速性是熔断器的1000倍。ACS 1000变频器所具备的硬件和软件保护特性可以有效的保护变频器免受非正常的操作和设备误动作所造成的故障和损坏。3、控制设备ACS 1000 变频器具有先进的本地控制和远程控制特性，控制设备集成在变频器柜体内部，提供基于过程控制、保护和监控功能的全数字和微处理器技术，提供了硬件保护电路的备份。CDP 312 控制盘是基本的用户接口，用户可以通过它监控，修改参数和控制ACS 1000变频器的运行。4、设计和功能描述三相交流电源通过三绕组变压器对整流桥供电(见 图4-1)。为了获得12脉波整流，变压器两个副边绕组之间必须存在30 的相位差。副边一个绕组为星形接法，另一个绕组为角形接法。两个无熔断器的整流桥串联连接，因此直流电压为两整流桥的叠加。两个整流桥均流过全部直流电流。图4-1 电气拓扑图 采用IGCT/IGBT的中点钳位NPC三电平电压型逆变器ABB的ACS1000和西门子公司的SIMOVERT MV系列变频器都采用了这种电路结构。其优点：电路结构简单、功率器件数目较少、效率高、整体可靠性高。但是缺点也很明显，在现有的电力电子器件技术水平下，实现6kV及以上电压输出时需要采用功率开关器件串联运行，而且dv/dt仍然较大，需输出滤波器。为进行三电平切换运行,三相逆变器的每个桥臂由2个IGCT组成: 降低了管子耐压，IGCT的输出电压在正直流电压、中性点(NP)和负直流电压之间切换。因此，采用DTC技术，就可以对输出的电压和频率在零与最大值之间进行连续的控制。在变频器的输出需要加LC滤波器，用于减小输出电压中的谐波含量。采用该滤波器之后，输送给电机的电压波形接近于正弦波(见图4-2 )。因此，标准电机可以直接按额定容量使用。该滤波器还消除了dv/dt 的影响，因而电机电缆中电压的反射和电机绝缘的损害影响都完全被消除了。图4-2 变频器输出电压电流波形充电电阻在变频器上电时限制直流回路的电流。当直流电压达到79%额定值时，IGCT导通，充电电阻被旁路掉。保护IGCT的主要作用就是在出现故障时迅速关断，以保护整流桥。逆变器的共模电流由共模电抗器进行限制，并通过共模抑制电阻进行衰减。由于结构的特殊性，共模电抗器可以对通过变压器副边电缆、直流回路、输出滤波器和变频器内部接地母排流动的共模电流提供全面的抑制。另一方面,对于主回路直流电流几乎没有任何限制，主电流可以自由通过。di/dt-电抗器(在 图4-1 中未标出)用在逆变器中保护续流二极管在换向期间免受过度的电流变化率的影响。5、功率回路接口输入回路标准的ACS 1000配置12-脉波整流桥(见 图4-1 )。这种配置适用于大多数电网，也符合一般的谐波要求，如IEEE519的标准。对于对谐波特别敏感的电网，ACS 1000可以选配24- 脉波整流器。输出回路标准的ACS 1000输出侧配置有一个低通LC正弦波滤波器。采用电流反馈来控制滤波器的运行。 根据设计，允许通过的低频频率恰好低于逆变器输出侧所采用最低的开关频率。提高输送给电机的电压和电流的纯度。由此可以带来许多很重要的优点： 消除谐波造成的发热。变频器可以直接拖动标准中压电机(旧的或新)，而不需要考虑发热降容因素。 原来发生在电机输入端子的电压反射和相关联的电压加倍现象不再出现(由于高频分量已经不再存在)。 因此可以适用于所有标准中压绕组绝缘系统(旧的或新的)。 对电机电缆的长度没有限制(与其它电气设备一样，正常的电压降依然存在)。 导致电机轴承损坏的容性耦合高频电流不再存在(导致该电流的高频共模电压得到充分抑制)。 由于消除了共模电压的影响，因此与其它传动设备不同，不需对电机的绝缘加以特别的考虑。6、控制系统直接转矩控制(DTC)是交流传动的一种独特的电机控制方式。逆变器的开关状态由电机的核心变量磁通和转矩直接控制。测量的电机电流和直流电压作为自适应电机模型的输入，该模型每25微秒产生一组精确的转矩和磁通的实际值。电机转矩比较器将转矩实际值与转矩给定调节器的给定值作比较，磁通比较器将磁通实际值与磁通给定调节器的给定值作比较。依靠来自这两个比较器的输出，优化脉冲选择器决定逆变器的最佳开关状态。 DTC 功能块图如下：DTC 与PWM 磁通矢量控制的区别：直接转矩控制中，每只IGCT的开关状态都是单独地由磁通和转矩的值决定的，而不是象传统PWM磁通矢量传动中预先确定的矩阵来控制开关状态。7、布局介绍：ACS 1000采用铆接的柜体结构，这种结构相对于普通柜体能够提供更为有效的对电磁辐射的防护作用。另外，这种结构工艺可以提供坚固而又灵活的独立支撑框架，不需要外加支撑骨架。柜体布局：ACS 1000 的逆变单元被设计成一个完整的单元，包括输出滤波电容和直流电容。这部分在整个柜体的右侧，是冷却风量最大的部分，有利于对温度十分敏感的电容散热。柜体结构允许方便的使用特殊工具更换IGCT元件。柜体的中间部分安装冷却风扇，整流器组，保护IGCT和滤波电抗器。柜体结构允许方便的更换冷却风扇。第三部分位于整个柜体的左侧，包括控制设备并提供用于电缆连接端子的安装空间。 所有的控制设备除了一块I/O板安装在旋转支架的前部，其它的I/O板和所有的可选I/O板都安装在旋转支架的右侧，用户信号端子也安装在该区域。 I/O板上配备螺丝型的端子，最大可以接2.5 mm2 (AWG12) 的电缆。门锁 所有的门都是用铰链连接的，并配备带滑动架的钥匙锁。传动的功率部分(多个门) 具有与接地开关相连的机械电气联锁系统与主回路断路器具有电气联锁(外部)。该联锁系统可以确保只有在主回路输入电源切断，接地开关闭合，直流回路电容放电完毕后，功率部分的柜门才能被打开。 另外，该系统同样可以确保只有在柜门关好，接地开关断开的情况下，传动才可以上电。控制部分柜门可以随时打开。冷却通道ACS1014-A2 型变频器配有上面所提到的强制风冷设备。进风口位于逆变部分的前门上。标准的隔栅可以选配空气过滤系统以减少变频器内部的空气污染。空气过滤器可以在变频器运行时在柜体外面进行更换。 8、技术数据ACS 1000数据:ACS1013-A2-P0-00-F210-10N0-3C30-0400-000D0-EN最大持续功率: 1700 kVA电机功率: 1400 kW (1750 HP)额定输出电流: 297 A直流回路电压: 4875 VDC 额定数据尺寸和重量长度: 3000 mm (9 ft. 10 in)宽度: 900 mm (3 ft.)高度: 2005 mm (6 ft. 7 in)2070 mm (6 ft. 10 in) ( 包括吊环)2285 mm (7 ft. 6 in) ( 包括风机外罩)重量: 1750 kg (3860 lbs)主变压器的连接一次侧电压:变频器输入变压器的一次侧能够应用不同的中压等级。二次侧整流器输入电压 :1903 VAC, 六相 10%安全运行：降低输出功率最多-25%两变压器二次侧绕组的相位差: 30 度电网频率: 50 / 60 Hz电网不平衡度: 最大为电网额定电压的 2%基波功率因数 (cos j1): 0.97总功率因数 (cos jT): 0.95变压器电缆的推荐最大长度: 300 m (1000 ft.)逆变器的输出电机的连接电网额定输出电压 (UNom): 3300 VAC电压 (UOut): 0.UNom, 三相, 正弦, 对称频率: 0.66 Hz ( 可选 82.5 Hz)频率分辨率: 0.01 Hz短时过载能力 (10 分钟可以过载1 分钟): 额定电流的 110%弱磁点: =45 Hz弱磁范围: fmax/fn=1.1(可选fmax/fn=1.3)开关频率: 1 kHz ( 三电平逆变器运行在 2 x 500 Hz)电机电缆的推荐最大长度: 无限制 ( 唯一的限制是电缆引起的电压降)加速时间: 0.1800 s减速时间: 0.1800 s效率： 额定功率条件下效率大于98%辅助电源辅助电压等级:400 VAC, 50 或 60 Hz, 三相 10% 或480 VAC, 60 Hz, 三相 10% 或575 VAC, 60 Hz, 三相 10%.辅助功率消耗: 大约为 5.4kWACS 1000不需要外部的不间断电源，在ACS 1000内部配有控制电源的UPS。接地母线接地母线排贯穿所有的柜体材料: 铜 可选择: 镀镍铜截面面积: 50 x 6 mm冷却冷却方式：内部风扇冷却热消耗: 最大 14.5 kW冷却气流: 2.5 m3/s (5500 cu.ft./min)保护功能下面列出了关于传动设备的保护和故障、报警保护： 电机温度监测 电机堵转 欠载 超速 欠压 电池监测 电机缺相 过压 整流桥短路 充电故障 电源缺相 过电流 逆变器短路 测量信号丢失 通讯故障模拟输入浮地式，电隔离输入：信号等级： 0.20 mA / 4.20 mA or 0.10 V / 2.10 V, 单独配置输入电阻：Rin = 1 0 0 对于电流输入Rin = 210 k 对于电压输入共模电压: 最大 48 V共模抑制比: 80 dB 在 50 Hz分辨率: 0.1% (10 bit)精度: 0.25% (满偏刻度)， 25 ( 30 mV 偏差)保护: 在输入电压为 250 VAC/DC 没有内部损坏( 对于电压输入)输入刷新时间: 100 ms ( 使用标准的应用软件)接线端子的规格: 电缆 0.5 到2.5 mm2 ( 最大为AWG12)模拟输出浮地式，电隔离的电流输出:信号等级: 0.20 mA / 4.20 mA绝缘电压: 350 V AC分辨率: 0.03% (12 bit)精度: 0.25% ( 满偏刻度) ， 25 ( 50 微安偏差)最大负载电阻: 250 W保护: 允许最大输入电压为250 VAC/DC 短路保护输出刷新时间: 250 ms ( 使用标准的应用软件)接线端子的规格: 电缆 0.5 到2.5 mm2 ( 最大为 AWG12)数字输入浮地式，电隔离的输入:信号等级: 22.250 VAC / 22.150 VDC逻辑阈值: 小于12 VAC/DC 为“0”；大于 20 VAC/DC “1”输入电流: 在 24 V： 13 mA ； 在 250 V： 10 mA滤波时间常数: 20 ms隔离 : 单独隔离绝缘测试电压: (1 分钟) 2300 VAC 输入/输入1350 VAC 输入/逻辑1350 VAC 输入/ 地输入刷新时间: 250 ms ( 使用标准的应用软件)接线端子规格: 电缆 0.5 到2.5 mm2 ( 最大为AWG12)继电器输出开关容量:AC: 6 A 开关, 4 A 稳态直到 250 VDC: 在 24 V： 8 A ； 在 48 V： 1A ； 在 120 V： 0.4 A触点：封闭式触点绝缘测试电压: 4 kV AC, 1 分钟输出刷新时间: 250 ms ( 使用标准的应用软件)接线端子规格: 电缆 0.5 到2.5 mm2 ( 最大为 AWG12)辅助电源输出电压: 24 VDC +15%/ -10%最大电流: 2x180 mA保护: 短路保护接线端子规格: 电缆 0.5 到2.5 mm2 ( 最大为 AWG12)辅助电压可以作为ACS 1000的数子输入或/和作为模拟输入的外部测量变送器的电源。DDCS 光纤连接高速, DDCS 协议光纤串行数据总线。连接器: 一对光纤连接器 ( 发送端和接收端)光纤电缆: 塑料芯光纤，直径 1 mm (0.04 in.) 最大长度 10 m(33 ft.), 最小弯曲半径 25 mm (1 in.) ( 短时) or 35 mm (1.4 in.) (长期)。防护防护等级:空冷变频器：IP21可选件:IP42( 空冷变频器)应用宏工厂宏适用于基本的工业应用手动自动适用于本地和远程控制PID 控制适用于闭环过程控制转矩控制适用于需要转矩控制的过程顺序控制适用于预设恒速的运行主从控制适用于多传动应用用户宏 & 2 适用于用户自己定制的参数设置。9、ACS 1000线路图及逆变原理：二极管钳位型三电平逆变器的拓扑结构如下图，采用12个可关断功率器件和6个钳位二极管，在直流侧含有两个相同的分压电容，每个电容的电压为Vcd/2。由于钳位二极管的存在，每个开关器件上承受的电压被限制在一个电容电压Vcd/2上。相对两电平而言，三电平逆变器的主开关管的数量多了一倍，使得控制系统的复杂性增加，但开关器件的最大承受电压只有两电平时的一半，大大降低了对开关器件耐压等级的要求。三电平逆变器主要发展有二极管钳位式、电容钳位式、单元电路级联式。与二电平逆变器相比，三电平逆变器的主要优点是： （1）器件相对于中间回路直流电压具有2倍的正向阻断能力； （2）同样功率等级的半导体开关器件，输出功率可以提高一倍，开关频率降低50； （3）三电平把输出第一组谐波移频带移至二倍开关频率的频带区，提高了谐波频率，减小了滤波器的体积，同样控制方式下，三电平逆变器的输出谐波小。因此，三电平逆变器在高压、大功率领域得到了广泛的应用。三电平逆变器的输出状态或工作原理简述：假设逆变器三相自左至右为U、V、W，四个开关管自上而下分别为S1、S2、S3、S4。左侧每个电容的电压为Vcd/2。这样各相分别有三种输出状态，以直流电源中点为参考点，当S1u、S2u开通，S3u、S4u关断时，输出直流电源的最高电平Vcd/2，定义为状态P； 当S2u、S3u开通，S1u、S4u关断时输出中点电位，定义为状态C； 当S3u、S4u开通，S1u、S2u关断时，输出最低电位-Vcd/2，定义为状态N。开关管S1u与S3u互补，S2u与S4u互补。将三相三种输出状态组合，则三电平逆变器能输出333=27种不同的输出状态。 A相线电压 A相线电流 A相相电压10、端子图11、操作GDP 312控制盘：使用键盘可以完成以下功能： 将启动数据输入到传动 给出给定信号和起动、停止、方向指令来控制传动 显示实际值(可以同时显示三个值) 显示和修改参数 显示最近发生的40个故障记录 从一个传动到另一个传动上传和下装完整的参数组(这样可以简化几台相同传动的启动过程)。CDP 312 控制盘上进行的任何一步必需的操作或CDP 312 控制盘上能够监视的操作都配有图解，指示需要激活的控制盘按键和显示屏上显示的相关信息。 如果按键区有多个按键， 你应该选择其中的一。根据不同的选择可能会产生不同的响应。 如果是 UP /DOWN 键，你可以利用它进行滚动选择。 为避免发生误操作，每一次按键都应该保持一段时间(0.51 秒) 。12、参数表13、故障处理报警和故障处理如果在变频器或与相关的设备产生故障时，将在CDP 312 控制盘上显示一个错误信息或在选件 DriveWindow 中显示一个出错信息。ACS 1000的两级出错信息： 故障： 在变频器和与其相连的设备(变压器，电机等) 发生严重故障时，形成一个Fault 出错信息，这时变频器将跳闸并将保持跳闸状态( 除了一些在变频器故障消除后变频器能自动重新启