西门子电气传动设备有限公司大型传动-西门子高压变频器培训.ppt

西门子电气传动设备有限公司大型传动-西门子高压变频培训服务热线大柏电子科技（上海）有限公司,培训时：对不清楚的地方，可随时提出，对讲课中出现的错误，可及时纠正。培训目的：1.了解电机调速原理和西门子完美无谐波变频器原理和特点2.能够处理西门子完美无谐波变频器一些简单故障。3.熟悉西门子完美无谐波变频器操作和日常维护。,什么是变频器,是一种控制交流电机的装置.它将固定电压，固定频率的电源转换为电压可变，频率可变的电源。VFD控制对象为通用交流电机。使电机在不同速度运行时也能保持工频运行时的效果。VFD可以替代其它更贵或效率低下的调速设备(如直流传动，机械离合器，液力偶合器等）以减低设备维护成本。VFD效率更高，降低用户运行成本。,交流电机,等效,电机调速的方法,N=60f1(1-s)/pf1=电机供电频率，S=(n1-n)/n1转差率，P=电机极对数,电机调速分类,改变电机的极对数。改变电机的转差率。转子串电阻调速定子调压调速电磁转差离合器调速转子串级调速改变电机的供电频率，即变频调速,变频器的基本原理,E=4.44f1KNf1-电机频率。N-每相绕组匝数-电机气隙磁通K-与绕组有关的常数=E/(4.44*K*N*f1)=K*(E/f1)VVVF-变压变频同时进行是电机正常运行的需要,调压调频曲线,保持磁通恒定的必要性,电机在任何速度下都应保持磁通恒定。磁通太强-电机励磁电流过大磁通太弱-电机铁芯利用不充分，输出力矩下降。,通用变频器的基本结构,整流器中间直流环节逆变器控制电路,整流器,三相全波半控整流：效率略低，可省去充电限幅电路。斩控式整流器（PWM整流器）：效率高，功率因素可调，能量可回馈电网三相全波桥式二极管整流：效率高，成本低，控制简单,六脉波整流电路,直流环节,也称滤波或储能环节由电感或电容组成用于负载与整流器之间的无功功率的缓冲抑制直流侧电压或电流的脉动,电容,电感,逆变器,将直流电压或电流转换成频率、电压可变的交流电器件工作于开关状态每个器件并联续流二极管器件为全控型（GTR，GTO，IGBT，IGCT等）,通用变频器的分类,按主回路结构形式：电流源型2.电压源型按控制方式分：1.U/f控制根据电压、频率对应关系对变频器的频率和电压进行控制，称为U/f控制，又称VVVF控制方式。2.转差频率控制利用速度传感器检测出转差频率，实现转差补偿的的闭环控制方式称为转差频率控制方式，是为了提高U/f控制的静态调速精度的一种控制方法。3.矢量控制为了提高变频调速的动态性能，根据交流电机的数学模型、利用坐标变换的手段，将交流电动机的定子电流分解成磁场分量和转矩分量电流，并分别加以控制的一种方式。4.直接转矩控制按输出电压调节方式分类PAM(脉冲幅值调制方式)2.PWM(脉冲宽度调制方式)按采用的功率器件分类BJT(双极晶体管)GTO(门极可关断晶闸管)IGBT(绝缘栅双极晶体管)其他,变频器结构图,3,1,2,T1,T2,+,+,Q4,Q1,Q2,PowerOutput,ofCell,IGBTQ1-Q4,Q3,整流部分,直流环节,逆变部分,A,B,C1,变频器基本原理,当K1、K2同时闭合时，电机上的电压为A点高，B点低；K3、K4同时闭合时，则电机上的电压为A点低B点高。这样和连续不断地交替开合，在电机两端就形成了一交变电压，也就是交流电。,PWM技术,PWM-PulseWidthModulatedTechnology脉冲宽度调制-通过控制电力电子器件的通、断时间及通断次序将直流电压转换为系列宽度不一的矩形脉冲电压。PWM的类型SPWM-正弦波PWM准优化PWM-SVPWM，SAPWM优化PWM-指定谐波消除PWM，转矩脉动PWM,常见高压变频器的分类,按输出形式分：高-高型高-低-高型按电路结构分：三电平（中点钳位式）两电平单元串联多电平按缓冲电路分：电压源型电流源型,高压变频器的性能指标之一,输入谐波,谐波就是无用和有害的电压和电流，一般频率变化并且和基波叠加在一起谐波产生于非线性负载，使得电流和电压不成比例,高压变频器的性能指标之一输入谐波,谐波使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率，大量的3次谐波流过中性线时会使线路过热甚至发生火灾。谐波影响各种电器设备的正常工作。谐波对电机的影响除引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热。谐波使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以至损坏。谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，使危害加剧，甚至引起严重事故。谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电器测量仪表计量不准确。谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量；重者导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。,谐波有哪些危害,6脉冲、12脉冲、无谐波电压电流波形,高压变频器的性能指标之二,输入功率因素,AC-DCConversion,DC-ACConversion,DCLink,ACInput;fixedFrequency,fixedVoltage,ACOutput;variableFrequency,variableVoltage,Motor,CapacitororInductor,变频器输入功率因素主要与变频器中间直流环节(电压源型或电流源型)有关。电压源型直流环节为电容，电机需要的无功电流由电容提供，而不需要和电网交换，变频器输入功率因素高，在整个速度范围段内基本保持不变。电流源型直流环节为大电感，电机需要的无功电流还需与电网交换，功率因素较低，且随着电机负载的降低而降低,PowerFactor(%)功率因数,PercentLoad负载百分比,Totalpowerfactorincludesdistortionanddisplacementpowerfactor.,输入功率因数曲线,RobiconPerfectHarmonySeriesvs.ConventialCSI,PerfectHarmony西门子完美无谐波变频器,CSI普通电流源变频,西门子完美无谐波变频器,输入功率因素大于0.95,高压变频器的性能指标之三,输出电压dv/dt和共模电压,输出dv/dt和共模电压,输出dv/dt是指变频器输出电压变化率，高的相当于在电动机线圈上反复施加陡度很大的冲击电压，使电动机承受严酷的电应力，严重时会引起电动机绝缘损坏。的大小主要取决于两个方面：一是电压跳变台阶的幅值，它与变频器的电压等级和主电路结构有关；二是逆变器功率器件的开关速度，开关速度越高，越大。三电平电压源型变频器由于输出电压跳变台阶大，相电压的跳变分别达到直流母线电压的一半，同时由于逆变器器件开关速度较快，会产生较大的。所以这种变频器一般需要特殊设计的电动机，而且对输出电缆长度有一定的限制。单元串联多电平变频器最大的相电压跳变等于一个单元的直流母线电压，这类变频器输出远远低于其他类型的变频器，其开通时的约为900V/us，使得电动机绝缘不会受到影响，可以使用普通的异步电动机，对输出电缆也没有特殊要求，目前使用的最长记录为20km。共模电压（也叫零序电压），是指电动机定子绕组的中心点和地之间的电压。如果电源的中心点接地，电动机的外壳也接地，在没有输入变压器的情况下，共模电压应会施加到电动机定子绕组和外壳之间，最大可接近相电压的峰值，会严重影响电动机绝缘。若变频器的输入部分接有输入变压器，则由于分布电容的影响，约90%的共模电压由输入变压器承担，只需加强输入变压器的绝缘强度即可，相对于电动机，加强变压器的绝缘强度要比电动机容易得多。,完美无谐波变频器硬件组成,西门子变频器结构,完美无谐波6KV系列高压变频器结构(36脉冲整流),一体式整流干式隔离变压器,六脉冲二极管整流电路输入电流波形,12脉冲二极管整流电路输入电流,18脉冲二极管整流电路输入电流,24脉冲二极管整流电路输入电流,A相波形图（三个单元叠加）,线电压波形图,减少输入谐波的有效措施是将输入变压器进行多重化设计形成多脉冲整流从理论上可以推导出下列结论：12脉冲整流：11次以下谐波自动抵销18脉冲整流：17次以下谐波自动抵销24脉冲整流：23次以下谐波自动抵销30脉冲整流：29次以下谐波自动抵销36脉冲整流：35次以下谐波自动抵销而谐波的幅值与次数是成反比的。完美无谐波高压变频器采取多重化有效消除输入谐波。以6KV变频器为例，变压器的18个二次绕组，采用延变三角形联结，分成6个不同的相位组，互差10度电角度，形成36脉波的二极管整流电路结构。,消除输入谐波的有效方法,K=N*P1N为整数，P为脉冲数。,完美无谐波变频器系列,电压等级功率单元数/相输入脉冲数23003cells18Pulse3300V3cells18Pulse4160V4cells24Pulse5500V5cells30Pulse6000V6cells36Pulse6600V6cells36Pulse,输入谐波结论,按照输入谐波标准并对照各种整流电路可以得出下列结论：整流电路脉冲数至少多于18脉冲(包括18脉冲)才能满足输入谐波的标准(GB/T14549-93)。,西门子完美无谐波变频器,6KV系列整流电路脉冲数为36脉冲输入谐波远远小于规定的标准，在不用滤波器情况下一般在以内，不会对电网产生影响。,2%,完美无谐波变频器结构(抽屉式功率单元),功率单元旁路电路,变频器的键盘与显示,故障复位键FAULTRESET,功能：用来清除变频器可能产生的故障状态。用来确认变频器可能产生的报警状态。故障指硬件和软件监测到致命错误，此时变频器禁止运行。报警指硬件和软件监测到非致命错误，所以并不禁止变频器运行。,自动键AUTOMATIC,功能：用来将完美无谐波变频器设定到自动模式。,手动停止键MANUALSTOP,功能：用来将变频器切换到停止模式。,手动起动键MANUALSTART,功能：用来将变频器切换到手动控制模式。,数字键,功能：输入安全操作密码快速菜单操作（根据指定的菜单名每个数字键上方的绿色文字直接进入10个基本菜单）根据标识号码直接进入所有菜单、子菜单、参数和选择列表（具有相应的权限）改变参数值,确认/取消键ENTER/CANCEL,确认键功能：选择子菜单进入参数值编辑模式编辑完成后接受输入的新参数值取消键功能：退出菜单系统编辑模式下放弃对参数值所作的任何修改,换档功能键SHIFT,功能：用来实现键盘按键的第二功能。进入“快速菜单”（按SHIFT+主菜单号码0-9）取消操作（SHIFT+ENTER）输入十六进制数字A-F（编辑参数或输入密码时，按SHIFT+1到SHIFT+6）根据ID号码进入菜单、参数或选择列表（SHIFT+）返回当前菜单/子菜单的顶部（SHIFT+）到当前菜单/子菜单的底部（SHIFT+）将当前安全级别复位到0（按SHIFT+SHIFT+SHIFT+）将参数值恢复到出厂值（SHIFT+）,箭头键,功能：浏览菜单结构卷动参数列表增大/减小参数值（编辑模式下）手动移动到下一位（编辑模式下）增大（）或减小（）变频器速度设定值（本地手动模式下）清除密码（按Shift+三次）进入菜单操作模式（Shift+）,主回路结构简单明了，没有附加的输入滤波器、输出滤波器、功率因素补偿器、缓冲电路、升压变压器等附加电路；采用广泛使用、驱动简单可靠的IGBT功率器件；内部采用绝缘等级极高的干式变压器，绝缘等级为H级最大可承受45%的电压下降有功率单元旁路手段（选件），在功率单元出现故障时系统能继续工作，不用停机，这是独一无二的,西门子完美无谐波变频器可靠性,完美无谐波变频器输入变压器部分,完美无谐波变频器输出相电压波形,西门子完美无谐波变频器输出波形质量,完美无谐波变频器输出的波形与正弦波非常相近，而且dv/dt幅值小，不必设置输出滤波器，就可以使用原有的普通旧国产异步电机。在国内大部分应用中都是6KV旧国产电机，其中很多绝缘等级都是B级，从应用的情况看，没有对电机产生危害。,二控制部分介绍,所有电路板插入一个ISA总线底板上:CPU板I/O板（可替换原NXG控制系统中的SIB板和A/D板）通讯板调制板（可替换原NXG控制系统中的调制板和一个光纤接口板）光纤接口板插件箱外部:信号调理板,用户输入/输出模块（WAGO）电源(DCR控制,WAGO电源,HallEffect电源等),电子插件箱DCR,CPU板前视图,IntelPentiumMMXCPU266MHz,以太网口,VGA,键盘,UserI/O,芯片组:Intel430TX,CPU板后视图,CompactFlash模块,SDRAM模块64MB,CPU板,CPU:IntelPentiumMMXCPU266MHz系统内存:两个144-pinSODIMMRAM插槽支持8M-256MSDRAM内存CompactFlashIDE接口盘用于存储:变频器控制软件系统程序配置文件,内置以太网控制器:IntelSB82558/SB82559,RTL-8139;10/100Mbps,信号接口板SIB集成I/O板和A/D板,与信号调理板接口InterfacetoSignalConditioningBoard,与数字调制板接口InterfacetoDigitalModulatorBoard,新型系统接口板反面,I/O板,为所有模拟量提供信号调理。检测电机实际电压检测电机实际电流检测变频器输入电压(线电压)检测变频器输入电流(线电流)变频器硬件过流设定电源故障监视提供所有电压/电流的测试点,MB调制板（集成MB和一个FOLB）,单元光纤接口,至光纤接口板,中压旁路板接口(光纤),ISA总线,系统接口板插口,调制板,基于EPLD芯片结构灵活与功率单元的通讯速率达到10us故障处理及单元通讯管理旁路控制接受并处理来自CPU板的电压指令，使输出波形平滑。可为多达24个单元提供移相式PWM控制，并且PWM频率可调(IGBT开关)频率范围:200-1200Hz采样频率:3.0-6.0kHz(根据开关频率及单元数目自动调节)在板电池后备RAM(60KB).用于存储故障记录，累计耗电量，及其他需要在电源丢失后保持的变量。处理电源故障及硬件过流故障。,光纤板,每块板能提供多达12个单元的接口通过一个60芯扁平电缆与数字调制板连接输入/输出信号经过缓冲处理ISA总线金手指仅提供+-5V电源光纤收/发器最高工作频率高达20MHz上电时防止误发光信号，直到系统就绪。光纤输出使能信号由数字调制板发出,信号调理板（SCB）,系统I/O板插头,电压/电流检测信号接线端子,输入电流隔离CT,输出电流检测电阻,信号调理板,标准DIN卡轨安装24VDC使能继电器输入输入/输出电流备有二次隔离CT备有接线端子用于检测信号及负载电阻接线,NXG控制硬件用户输入/输出模块,Modbus总线藕合器,开关量输入,模拟量输入,开关量输出,终端模块,NXG控制硬件用户输入/输出模块,所有的用户输入/输出由WAGOI/O系统支持Wago系统与CPU之间通过速度高达115KBAUD的高速MODBUS总线交换信息系统支持:模拟量I/O开关量I/O继电器I/O输入/输出模块通过简单的插到DIN卡轨上即可添加到系统中,NXG控制硬件用户输入/输出模块,模块色标：WAGOI/O系统中，不同功能的模块用不同颜色表示。红色-开关量输出模块黄色-开关量输入模块蓝色-模拟量输出模块绿色-模拟量输入模块无色-特殊功能模块,变频器的维护与维修,安全注意事项,在做任何维护和检修工作之前，严格按照操作规程。确认无发热元件和不带电之前，千万不要触摸柜内任何部位。不要以为关断输入开关后柜内就不存在电压了，电压仍然存在于输入开关的端子上。同样，其它地方也可能有电压存在。操作时保持单手操作，穿戴安全防护鞋，带防护眼镜，并有其他人在场。不要将接地（即非绝缘）的万用表或示波器接到完美无谐波系统。不要带电连接或断开任何表计、电缆和印刷线路板。不要移去保护罩（标有高压符号）或试图测量保护罩下的电路。在检修功率单元时，一定要将高压切断并将其下端可靠接地，然后方可打开高压柜门，并检查所有单元的“charge”灯完全熄灭才能接触功率单元。不要使中压误送到变频器的输出端，这样会使变频器严重损坏。不要用高压摇表测量变频器的输出绝缘，这可能会使功率单元中的开关器件受损。在柜内靠近或接触元器件时要消除静电（ESD）。印刷线路板上有许多元件对静电很敏感。接触或维护对静电敏感元件的工作只能由阅读并理解专门静电技术的专业人员完成。静电可通过戴静电手镯或触摸接地的金属片来消除。在变频器工作时千万不要断开风机电源，这将引起变频器过热和或单元损坏。不要将易燃材料存放在变频器柜里面、上面或附近，包括设备图纸和用户手册。请仔细阅读用户手册有关安全的章节，以保证维修人员及设备的安全。,日常维护,经常检查室内温度，通风情况，注意室内温度不要超过40度。室内保持清洁卫生。经常检查变频器是否有异常声响、异味，柜体是否发热。经常用一张A4纸检查变压器柜、功率柜进风口风量（A4纸应能被过滤网牢牢吸住），如有问题及时排除（更换或清洗过滤网或检查风扇是否有问题）。特别注意进风口不要有蒸气、雨雪吸进，否则会严重损坏变频器。建议变频器投入运行头一个月内，将所有进出线电缆及功率单元之间连接电缆紧固一遍，以后每六个月定期紧固一遍（包括控制线），并用吸尘器将柜内灰尘清除干净。经常记录变频器运行情况（运行模式、电压、电流、速度、功率等），发生跳闸时，要记录下故