变频器工作原理与选型知识.doc

异步机变频调速已得到广泛的应用。变频器的花样种类繁多，变频器的供应商们为了推销自己的产品，都大力宣传自己的优点，其他产品的缺点，使人眼花缭乱。变频器的应用者在选用时经常提出许多如何合理应用及方案比较的问题，变频器的开发者在方案论证时也常提出产品定位及前景方面的问题。作者根据自己多年来在该领域中的体会，就下面几个问题谈谈自己的看法。 各种产品，只要它们在市场上站得住脚，就必然有它们各自的优点和缺点。市场是无情的，如果都是缺点，该产品必然被淘汰，若都是优点它必然淘汰别人。作者希望通过本论坛引起讨论，去掉商业炒作，还事物以本来面目。以下均为个人看法，仅供参考。涉及一些价格，均为做方案比较用的价格，不是实际购物价格，不涉及商业行为。 (1)大功率节能调速的合理电压等级 大中功率风机和泵采用变频调速可节约大量电能，大部分功率在0.2-2MW范围内。我们现在200KW以上的电机多是中压，电压等级多为10KV，少量为6KV。选用10KV“直接”变频，从技术和经济角度看都不合理。所有的“直接”变频都不是真正的直接变频，在其输入侧都有变压器，因此电机和变频器没有必要和电网电压一致。本文讨论不同功率段的合理电压等级。 (2)高性能调速系统中的矢量控制和直接力矩控制 高性能调速系统中的矢量控制发明于70年代末，商品化于80年代，至今仍然为多数公司所采用。直接力矩发明于80年代后期，部分公司采用，商品化于90年代初，被广泛宣传为新一代技术。本文介绍作者对这两种系统的看法。 (3)有速度(位置)传感器和无速度(位置)传感器系统 在矢量控制和直接力矩控制系统开发的初期都要求装设速度(位置)传感器(编码器)。有些场合安装编码器困难，所以又开发出无速度(位置)传感器系统，它的性能不如前者，但优于V/f开环系统。现在有些宣传说，无编码器系统的低速起动性能已达到有编码器系统水平，此提法有模糊之处。本文讨论什么时候应装编码器，何时可以不装编码器。 2大功率节能调速传动的合理电压等级 大中功率风机和泵采用变频调速可节约大量电能，大部分功率在200-2000KW范围中。我们现有的交流电动机200KW是个界限，200KW以下是低压380V，200KW以上为中压:3KV、6KV和10KV。电力部门从减小线损的角度出发，希望提高供电电压，3KV已取消，6KV正在淘汰中，大力推行10KV，将来还可能提至20KW。用户从简化配置出发，很自然的提出要求，希望200KV以上的电机和变压器也都采用10KV，不幸这合乎情理的要求技术上实现困难，经济上价高，因为: A10KV电机从制造角度并不困难，但随着电压升高，绝缘等级提高，电机重量和价格也增加，以YJS系列4极560KW电机为例:380V重3.6T，价11万;6KV重3.9T，价15万;10KV重4.4T，价20万。 B受电力电子器件电压及电机允许的dv/dt限制，10KV变频器必须多电平，多器件串联。造成线路复杂，价格昂贵，可*性差。对于10KV变频器若使用1700VIGBT器件，需10串，三相共120支器件。若使用3300V器件，也需5串共60支器件，数量巨大。另一方面电流小，器件的电流能力得不到充分利用，仍以560KW为例，10KV电机电流仅40A左右，现1700V的IGBT电流已达2400A，3300V器件电流达1600A，有大电流器件不采用，偏要用大量小电流器件串联，极不合理。即使电机功率达2000KV，电流也只有140A左右，仍很小。 为了电平隔离，改善输入电流波形及减小谐波，现在所有的中压“直接变频”器都不是真正的直接变频，其输入侧都装有输入变压器，这种安排短时间内不会改变。既然输入侧有变压器，变频器和电机的电压就没有必要和电网一样，非用10KV和6KV不可，因此就有了变频器和电机的合理电压等级问题。另外，过去电机中低压的200KW分界是考虑电机直接起动，起动电流7-8倍额定电流，10KV/380V电力变压器容量2000KVA，短路阻抗6%左右，电机起动时380V母线压降限制在5%左右而定的。再加大变压器，短路电流太大，低压开关难以承受。采用变频器调速后，起动电流被限制在额定值内，中低压分界条件也应随之变化。现在660V低压电机容量已达1000-1200KW，它也为讨论合理电压等级提供了基础。 本文分析合理电压等级的出发点是: A低压变频器采用1200V或1700VIGBT，器件额定电流小于1800A-2400A，并联数不大于2。并联再多实现麻烦，就不如改为多电平串联，中压变频。 B中压变频采用器件种类及电压等级很多，相应线路方案也不同。本文基于目前市场上流行的产品，它们是基于1700VIGBT的分离直流电源多重化(H桥串联)方案(SDM)及基于3300V，4500V和6000V的IGBT或IGCT或IEGT三电平方案(THL)。 文献1对合理由电压等级进行了分析，这里不再重复，只把几点看法列于下面: A800-1200KW以下的变频调速宜选用380V或660V电压等级。它线路简单，技术成熟，可*性高，dv/dt小，价格便宜。仍以560KW电机为例，630KW660V的低压变频器约50万，而同容量2300V的中压变频器约90万。实现的方法有低-低，低-高，高-低和高-低-高等几种形式。由于电机、变压器的价格远低于变频器，即使更换电机、变压器也合理。 B1000-1500KW以上的调速可以用中压变频 国外的中压变频器有多个电压等级:1.1KV，2.3KV,3KV,4.2KV,6KV，它们主要由电力电子器件的电压等级所确定。在THL中器件不串及SDM中桥不串联情况下，器件电压与变频器电压间的关系示于表1。 表1在不串联情况下，器件电压与变频器电压间的关系 器件电压(V)1700330045006000 变频器电压(KV)1.12.334.2 目前器件最高6000V，在不串情况下变频器最高电压4.2KV。6KV变频器必须串联，线路复杂，器件多，可*性受影响。国外很少做6KV变频器，10KV基本不做。从原理上说SDM通过H桥单元串联，变频器输出电压不受器件电压限制，可以较高，但提高电压的代价是器件大量增加，可*性降低。对于同样输出功率的变频器，使用较高电压较多单元串联所花的代价大于用较低电压，较少数量，电流较大单元的代价，也就是说在器件电流允许条件下应选用尽可能低的电压等级。 许多应用场合都要求旁路功能，即在变频器故障时将电机旁路，直接接入电网恒速工作。为降低变频器造价，电机电压低于电网电压后，如何旁路是一个需要解决的问题。这问题可以解决，对于不同的变频器旁路方法不同，变频器的旁路指在变频器出现故障时将电机直接接入电网，恒速工作。如果电机电压和电网电压一致，旁路不成问题。为了降低变频器造价，电机电压低于电网电压后，如何旁路，是这里所要讨论的问题。 如果采用低压变频，变频器输入交流电压与额定输出电压一样，电机可以绕过变频顺直接接低压380V或660V电源。 如果采用THL中压变频，可以把输入变频器两副边串联起来向电机供电，参见图1。当三个转换开关接“1”时，变频器工作;当三个开关接“2”时旁路，输入变压器的两组副边线电压各等于1.5Vm/2（Vm为电机额定输入电压），并互差300，把它们串起来后电压为1.5Vmcos150=1.01Vm，正好供电机恒速工作。 如果采用SDM变频器，输入变频器副边太多，无法通过改变接线来旁路变频器，只能旁路出故障的单元，经触点将故障单元输出短路，单元中IGBT封锁。在这类变频器设计时已考虑了旁路单元的工况。如果一定要旁路变频器，只能另加一台备用降压变压器，这对于在一个电网上挂有多套变频器时是合理的。 设计旁路电路时需注意校验电机直接起动时的起动转矩。例如变压器短路阻抗为6%，容量为1.1倍变频器容量，电机起动电流为7倍，则电机起动电压为0.72Vm，起动转矩为0.52倍额定起动转矩，它应大于负载转矩。若起动转矩不够，只能加大变压器容量或选用小短路阻抗变压器。 3高性能调速系统中的矢量控制和直接力矩控制 调速系统的任务是控制速度，速度通过转矩来改变，调速系统的性能取决于转矩控制的好坏，矢量控制(VC)和直接力矩控制(DTC)的任务都是实现高性能转矩控制，它们的速度调节部分相同。 异步机的转矩等于磁链矢量和定子电流矢量的矢量积。磁链不能直接测量，需要通过定子电压电流及电机参数算得。 由于定子电压电流都是交流量，处理起来较麻烦，所以在VC控制系统中，借助于坐标变化，把它们变成dq坐标系的直流量，计算得到的控制量再经反变换变回交流坐标轴系去产生PWM信号。为了在高速和低速均能取得好的性能，必须用电压电流两个模型，涉及到电机参数较多。 在DTC系统中用交流量直接计算力矩和磁链，然后通过力矩、磁链两个Band-Band控制器产生PWM信号，省去了坐标变换。在研制DTC的初期没有考虑低速运行工况，并以定子磁链为基础，涉及电机参数只有Rs一个，因此DTC的供货商大力宣传DTC计算简单，涉及电机参数最少，精度高等。实际上在考虑低速运行工况后，DTC也必须引入电流模型，也要用到转子磁链，涉及的电机参数和VC一样多，所以精度也一样。DTC没坐标变换，计算公式简单，但为了实现Band-Band控制，必须在一个开关周期中计算很多次，要求计算速度快，以ABB公司的ACS600系列为例，它的计算周期是25s。在VC中测量电压电流在一个开关周期内的平均值，然后一周期计算一次，对计算速度要求低，以Siemens公司的6SE70系列为例，他计算周期是400s，相差16倍。矢量变换计算只不过4个乘法和两个加法，以现在处理器的能力看，它算不了什么。另外以定子磁链为基础也不是DTC的专利，有的VC系统也以定子磁链为基础。根据产品样本，ACS600(DTC)转矩控制响应时间是5ms，6SE70(VC)也是5ms，再快的响应机械也受不了。 有人认为，DTC利用磁链幅值的Band-Band控制得到近似圆形磁场，磁链幅值的波动会导致转矩波动，而VC是连续控制，磁链幅值不变，无转矩波动。这种看法也欠妥，DTC中由于存在转矩Band-Band控制，转矩平均值不会受磁链变化影响而波动，磁链变化只影响电流波形;对于VC，由于变频器按PWM模式工作，在一个开关周期内是不可控制，也不是连续控制，同样存在电流脉动并导致转矩脉动的问题，6SE70的转矩脉动为2%。 综上所述，作者认为这两种系统无本质区别，只不过在实现转矩控制时走了不同的路，不存在谁优于谁，谁取代谁的问题。 4有速度(位置)传感器和无速度(位置)传感器系统 在矢量控制和直接力矩控制系统开发的初期都要求在电机轴上装设编码器，测取速度(位置)信号，有些场合安装编码器困难，所以又开发了无速度传感器系统。无速度传感器系统现在是热门话题，方法很多，但真正用于工业产品的都基于同样原理-电压、电流模型法。 电压模型使用电机参数较少，在速度高于5-10%(高速)时，计算精度较高，低于5-10%(低速)时，由于电压太小，计算误差大。电流模型使用电机参数多，特别是受转子电阻变化影响大，计算误差略大，但这误差与转速无关。在有速度传感器的系统中，高速时使用电压模型，控制精度高;低速时使用电流模型，精度虽不如高速时，但仍能正常运行。在无速度传感器系统中，高速时转速角速度*比较电压电流模型计算结果辨识得到，因此只能达到有速度传感器系统的低速时水平;低速时由于电压模型不准，基准没了，无法辨识，系统只能抛弃矢量控制，改为开环工作。现在市场上的无速度传感器矢量控制系统在低速时都是开环系统，性能差。它们只适合用于无长期低速运行工况，且高速时调速精度要求不高的场合。 有的公司宣称它的无速度传感器矢量控制系统在静止时也能产生满力矩，这话没错，但也有宣传成分。因为在静止时，速度为零是已知的，不需辨识，但一转起来，长期低速运行就不行了。 在表2中列出了6SE70系列变频器在有、无编码器时的性能。 6结论 1)大功率节能调速一律采用6kv,10kv“直接变频”不合理，应根据功率选择合理电压等级。大功率的变频器采用高电压，尽量采用电流大的器件，降低器件的串联个数。 2)矢量控制和直接力矩控制各有优缺点，只是不同公司走了不同路，并无谁优于谁，谁取代谁的问题。 3)无速度传感器系统只适用于无长期低速工况，高速时性能要求不高的场合。 4)200kw-315kw功率档次的电机，国内的实际情况是380v电压等级占很大一部分。 5)vc和dtc的优劣，商业宣传成分较大让他们去争论吧。 6)从性价比角度考虑变频电压等级选择的合理性，315kw以下可选380v，250-800kw可选用660v，500kw以上可选用6kv高-高变频或6kv、10kv高-低-高变频。 7)高-高产品价格高。高-低-高产品占变压器的位置本身功耗略高，但可*性好价格也好。 目前，通用型变频器绝大多数是交直交型变频器，通常尤以电压器变频器为通用，其主回路图（见图1.1），它是变频器的核心电路，由整流回路（交直交换），直流滤波电路（能耗电路）及逆变电路（直交变换）组成，当然还包括有限流电路、制动电路、控制电路等组成部分。 1）整流电路 如图1.2所示，通用变频器的整流电路是由三相桥式整流桥组成。它的功能是将工频电源进行整流，经中间直流环节平波后为逆变电路和控制电路提供所需的直流电源。三相交流电源一般需经过吸收电容和压敏电阻网络引入整流桥的输入端。网络的作用，是吸收交流电网的高频谐波信号和浪涌过电压，从而避免由此而损坏变频器。当电源电压为三相380V时，整流器件的最大反向电压一般为12001600V，最大整流电流为变频器额定电流的两倍。2）滤波电路 逆变器的负载属感性负载的异步电动机，无论异步电动机处于电动或发电状态，在直流滤波电路和异步电动机之间，总会有无功功率的交换，这种无功能量要靠直流中间电路的储能元件来缓冲。同时，三相整流桥输出的电压和电流属直流脉冲电压和电流。为了减小直流电压和电流的波动，直流滤波电路起到对整流电路的输出进行滤波的作用。 通用变频器直流滤波电路的大容量铝电解电容，通常是由若干个电容器串联和并联构成电容器组，以得到所需的耐压值和容量。另外，因为电解电容器容量有较大的离散性，这将使它们随的电压不相等。因此，电容器要各并联一个阻值等相的匀压电阻，消除离散性的影响，因而电容的寿命则会严重制约变频器的寿命。 3）逆变电路 逆变电路的作用是在控制电路的作用下，将直流电路输出的直流电源转换成频率和电压都可以任意调节的交流电源。逆变电路的输出就是变频器的输出，所以逆变电路是变频器的核心电路之一，起着非常重要的作用。 最常见的逆变电路结构形式是利用六个功率开关器件（GTR、IGBT、GTO等）组成的三相桥式逆变电路，有规律的控制逆变器中功率开关器件的导通与关断，可以得到任意频率的三相交流输出。 通常的中小容量的变频器主回路器件一般采用集成模块或智能模块。智能模块的内部高度集成了整流模块、逆变模块、各种传感器、保护电路及驱动电路。如三菱公司生产的IPMPM50RSA120，富士公司生产的7MBP50RA060，西门子公司生产的BSM50GD120等，内部集成了整流模块、功率因数校正电路、IGBT逆变模块及各种检测保护功能。模块的典型开关频率为20KHz，保护功能为欠电压、过电压和过热故障时输出故障信号灯。 逆变电路中都设置有续流电路。续流电路的功能是当频率下降时，异步电动机的同步转速也随之下降。为异步电动机的再生电能反馈至直流电路提供通道。在逆变过程中，寄生电感释放能量提供通道。另外，当位于同一桥臂上的两个开关，同时处于开通状态时将会出现短路现象，并烧毁换流器件。所以在实际的通用变频器中还设有缓冲电路等各种相应的辅助电路，以保证电路的正常工作和在发生意外情况时，对换流器件进行保护 变频器对电动机进行控制是根据电动机的特性参数及电动机运转要求，进行对电动机提供电压、电流、频率进行控制达到负载的要求。因此就是变频器的主电路一样，逆变器件也相同，单片机位数也一样，只是控制方式不一样，其控制效果是不一样的。所以控制方式是很重要的。它代表变频器的水平。目前变频器对电动机的控制方式大体可分为U/f恒定控制，转差频率控制，矢量控制，直接转矩控制，非线性控制。 U/f恒定控制 U/f控制是在改变电动机电源频率的同时改变电动机电源的电压，使电动机磁通保持一定，在较宽的调速范围内，电动机的效率，功率因数不下降。因为是控制电压(Voltage)与频率(Frequency)之比，称为U/f控制。恒定U/f控制存在的主要问题是低速性能较差，转速极低时，电磁转矩无法克服较大的静摩擦力，不能恰当的调整电动机的转矩补偿和适应负载转矩的变化;其次是无法准确的控制电动机的实际转速。由于恒U/f变频器是转速开环控制，由异步电动机的机械特性图可知，设定值为定子频率也就是理想空载转速，而电动机的实际转速由转差率所决定，所以U/f恒定控制方式存在的稳定误差不能控制，故无法准确控制电动机的实际转速。 转差频率控制 转差频率是施加于电动机的交流电源频率与电动机速度的差频率。根据异步电动机稳定数学模型可知，当频率一定时，异步电动机的电磁转矩正比于转差率，机械特性为直线。 转差频率控制就是通过控制转差频率来控制转矩和电流。转差频率控制需要检出电动机的转速，构成速度闭环，速度调节器的输出为转差频率，然后以电动机速度与转差频率之和作为变频器的给定频率。与U/f控制相比，其加减速特性和限制过电流的能力得到提高。另外，它有速度调节器，利用速度反馈构成闭环控制，速度的静态误差小。然而要达到自动控制系统稳态控制，还达不到良好的动态性能。 矢量控制 矢量控制，也称磁场定向控制。它是70年代初由西德F.Blasschke等人首先提出，以直流电机和交流电机比较的方法阐述了这一原理。由此开创了交流电动机和等效直流电动机的先河。矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子交流电流Ia、Ib、Ic。通过三相-二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Ia1、Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流Im1、It1(Im1相当于直流电动机的励磁电流，It1相当于直流电动机的电枢电流)，然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换实现对异步电动机的控制。矢量控制方法的出现，使异步电动机变频调速在电动机的调速领域里全方位的处于优势地位。但是，矢量控制技术需要对电动机参数进行正确估算，如何提高参数的准确性是一直研究的话题。 直接转矩控制 1985年，德国鲁尔大学的DePenbrock教授首次提出了直接转矩控制理论，该技术在很大程度上解决了矢量控制的不足，它不是通过控制电流，磁链等量间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量来控制。转矩控制的优越性在于，转矩控制是控制定子磁链，在本质上并不需要转速信息，控制上对除定子电阻外的所有电机参数变化鲁棒性良好，所引入的定子