单元串联多电平中压高压变频器原理教学课件PPT.ppt

单元串联多电平高压变频器原理 2013年03月15日 1 变频器spwm控制 2 3 变频器v f控制及矢量控制原理 目录 变频器系统 4 变频器特殊功能 1 变频器系统 单元串联多电平高压变频器原理 主回路结构 1 1 串联多电平高压变频器采用直接 高 高 的变换形式 主回路主要由移相变压器 功率单元 主控系统构成 基本拓扑结构如图所示 根据电压等级等条件 串联多电平变频器的级数可为4级 5级 6级 8级 9级 10级或12级 20级 移相变压器 1 2 移相变压器的三个功能 降压 绝缘隔离 通过移相减小输入电流谐波 移相变压器二次侧相邻两绕组的相位差为 60o n n为串联级数 变压器一次侧电流最低谐波电流次数为 n为串联级数 功率单元串联级数n越多 即移相变压器二次侧绕组越多 对电网的谐波干扰越小 功率单元的串联 1 3 1 h桥结构中 功率单元主要由整流模块 电容滤波模块 逆变模块构成 滤波电容器能够稳定直流电压 吸收变压器原边高压开关产生的脉动电流 功率单元开关动作 1 3 2 以6kv8级系统为例 h桥结构中 用开关代替变频器功率单元逆变部分igbt 逆变器输出 0 共3种电压电平 功率单元电压输出 1 3 3 以6kv8级系统为例 变频器功率单元的输出为 620v 620v 8级串联时相电压瞬时值为4960v 线电压 有效值 为4960 3 2 6075v 控制部分 1 4 控制部分主要由主控系统及光纤通讯系统组成 主要负责整机的快速保护 故障的快速诊断 变频器运行控制数据运算和输出 外部接口与变频器主控系统进行数字及模拟量信号的传递 2 变频器spwm控制 单元串联多电平高压变频器基本原理 两电平载波型spwm控制 2 1 pwm pulsewidthmodulation 控制 脉冲宽度调制 基本依据为面积等效原理 载波型pwm控制方法 是把期望输出的波形作为调制波 把接受调制的波形作为载波 通过调制得到所期望的pwm波形 当调制波为正弦波时 就得到spwm波形 根据载波的不同 可分为单极性调制和双极性调制 在一个周期内得到除0电平外 两种电平 所以称为两电平载波型spwm控制 水平移相spwm技术 2 2 多电平载波型pwm控制是两电平载波pwm控制技术的扩展 目前大多采用水平移相spwm技术和spwm堆波技术 水平移相spwm技术 两个功率单元载波互差180 相位角 n个功率单元串联时 载波互差 360 n度相位角 同相中每个功率单元的采样频率一致 每个单元均在进行spwm控制 每个单元igbt开关损耗较大 但易实现 spwm堆波技术 2 3 变频器在任意时刻同相的每个单元输出电压并不相等 而是有满载输出 0输出 0 满载输出电压三种情况 即同相的每个单元并不都进行spwm计算 有且仅有一个单元进行spwm计算 实际输出电压由串联多电平高压变频器功率单元的pwm波形决定 公式为 以6kv8级系统为例 若功率单元最大输出电压为620v 目标电压为3000v时 由上述公式中得到即有4级功率单元输出620v 其余3级输出为0v 剩余1级输出3000 620 4 520v 即1级在进行pwm调制 spwm堆波技术 2 3 为了平衡开关损耗和导通损耗 在相同间隔时间内 每个单元循环进行spwm调制 但任何时刻 每相只有一个单元在进行spwm调制 其它单元输出620v或者0v 该种堆波技术单元igbt开关损耗较小 但控制较为复杂 3 变频器v f控制及矢量控制原理 单元串联多电平高压变频器基本原理 3 1 电机等效电路 电机等效电路图 对于交流异步电机 定子每相电动势有效值 eg 气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值 v f1 定子频率 hz ns 定子每相绕组串联匝数kns 基波绕组系数 m 每极气隙磁通量 由定子和转子磁动势共同决定 控制出发点 调速过程中保持每极磁通等于额定值 3 2 v f控制及矢量控制原理 感应电动势不好检测 在忽略定子绕组漏磁阻抗压降的情况下 在额定频率以下调速时 恒压频比控制方式 在低频时u1和eg都较小 定子阻抗压降所占的份量就比较显著 不再能忽略 这时 需要人为地提高电压u1 加入一定补偿提升转矩 变频器控制的目的是控制电机输出转矩和转速 对电流i1进行矢量分解 分别控制电流及电压的转矩和励磁分量 保证每级磁通恒定的情况输出转矩恒定 转差小 矢量控制方式 矢量控制 v f控制框图 3 3 限幅模块 对输入的频率进行阈值限幅s型升降速 在设定加减速时间范围内 平滑升降速v f曲线生成 对于给定的f进行对应的电压v计算pwm调制 根据计算电压v及输出pwm脉宽值电流检测模块 根据电流实时值计算 过载时封锁pwm波形 开环前馈型矢量控制框图 3 4 该算法主要包括五个模块 坐标变换模块 主要完成定子电流从三相到两相旋转坐标系的变换 pi调节器和同步转速的获得模块 主要通过速度pi调节器的控制来获得同步转速 转子磁链矢量位置模块 可得到转子磁链的矢量位置 转矩电压 励磁电压计算模块 其目的为得到两相旋转坐标系下的控制电压 电压变换模块 输出控制电机运行的三相电压 3 5 1 无速度传感器矢量控制框图 无速度传感器矢量控制的功能 3 5 2 为了提升变频器输出电压 变频器根据igbt死区时间 在程序中增加死区补偿 当运行中 电流出现较大波动时 适当补偿转速给定 使输出电流平稳 这种功能也叫乱调抑制功能 运行中 若变频器输出电流过大 则适当降低频率 使输出电流减小 不致于变频器跳闸 实现挖土机特性 这种功能也叫过负荷抑制功能 无速度传感器矢量控制的功能 3 5 2 滑差补偿功能异步电机要产生电磁转矩 需一定的转差s 在额定转速下 s大约在3 左右 那么它的影响可以忽略 随着同步频率的下降 s将越来越大 并且当同步频率低到一定程度时电机可能会带不动负载而停止转动 因而有必要进行转差补偿 提高电机的机械特性的硬度 4 变频器特殊功能 单元串联多电平高压变频器基本原理 功率单元智能旁路功能 4 1 单元旁路功能是一种快速地 自动地切除出现故障单元而保证系统继续正常运行 或减额运行 的方法当功率单元出现故障时 主控系统对各种信号协调 用最短时间将出现故障的功率单元进行旁路切除主控系统通过改变算法 重新计算输出波形 保持输出电压波形的完整由于变频器具有最大1 154倍的电压提升 单元旁路后 变频器仍能最大限度的保证输出电压不下降 瞬时停电再起动功能 4 2 瞬停功能是指在主电源发生短时失电或欠压后 变频器能够不停机 当电源恢复时重新投入工作的功能根据主控系统不同 实现瞬停功能有两种方式 检测残压方式 该种方式需要增加瞬停检测板 pt 能准确搜索电机频率 再起动时冲击电流小 实现简单 发送特殊电压检测频率相位方式 该种方式能准确搜索电机频率和相位 再起动时无冲击电流 实现复杂 检测残压方式的瞬停功能 4 2 1 当系统主电源消失后 瞬停检测板通过移相变压器三次绕组在10ms内检测到高压失电 使变频器进入瞬停状态 当系统主电源重新恢复时 瞬停板检测到高压信号后 使主控进入来电状态 主控开始通过瞬停板检测电机残压信号 并用适当的电压和频率重新带动电机恢复到停电前的状态 发送特殊电压方式的瞬停功能 4 2 2 当系统主电源消失后 主控基板通过移相变压器三次绕组检测到高压失电 使变频器进入瞬停状态 当系统主电源重新恢复时 主控基板检测到高压信号后 发送特殊波形搜索处于自由旋转状态电机的频率和相位 准确拖动电机重新运行 旋转再起动功能 4 3 当变频器故障跳闸后 若已排除故障 而风机等大转动惯量负载停机需要很长时间 此时变频器如使能旋转再起动功能 可以按运行命令后 搜索到处于自由旋转状态的电机的转速 重新拖动电机运行 实现机理基于瞬时停电再起动技术 工变自动切换功能 4 4 工变切换是指在变频器发生故障后 自动切换到工频运行 在变频器具备运行条件后 自动从工频切换为变频的功能 其主回路如下图 直流制动功能 4 5 为了防止风机在起动前的 爬行 现象 减小起动时过电流 变频器设置直流制动功能后 会