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第二部分 变频器AFE介绍 西门子变频器简介1 SIMOVERTMASTERDRIVES6SE70系列矢量控制的变频器是具有IGBT逆变器 全数字技术的有电压中间回路的变频器 它同西门子三相交流电动机一起为所有工业领域和所有应用场合提供高性能 最经济的解决方案 西门子变频器简介2 SIMOVERTMASTERDRIVES矢量控制系列变频器是全系列通用型和模块化的产品 标准装置功率范围从0 55kW 2300kW 覆盖全球的三相交流电网电压 380V 690V 按照使用场合及所需功率 可做成4种结构 即增强书本型 书本型 装机装柜型及变频调速柜 模块化的硬件 软件使其能够达到精确配合 最经济的解决方案 西门子变频器简介3 MASTERDRIVES装置可以做成以下形式产品 接到交流三相电网上的变频器 接到直流母线上的逆变器 向直流母线提供电源的整流单元 多种系统元件和附件扩展了产品的应用范围 顶驱电控系统因功率较大故采用整流单元 逆变器结构 CompactPLUS紧凑加强型 Compact紧凑型 Chassis机架式 0 5 18 5kW 2 2 37kW 45 2300kW MC 运动控制 250kW Cabinet柜体 45 6000kW VC 矢量控制 其应用包括定位 同步操作以及凸轮轴驱动等 应用于绕线机 拉丝机 造纸及薄膜工业 升降机等 MasterDriver变频器 世界范围内使用 U E 4 44XfXkX U E 定子电压f 供电频率k 系数 常数 磁通 电机基本公式3 异步电机的调速方法 n 60f1 1 s PN变频调速 改变电源的频率变极调速 改变电机的极对数改变转差率 绕线电机转子串电阻调速 定子调压调速 串级调速 双馈调速变频调速 变频调速范围宽 平滑性好 效率高 具有良好的静态性能和动态性能 应用广泛 变频器按其结构可分为交直交变频器和交交变频器 交流调速方法 1 保持磁通恒定U1 E1 4 44f1w1k1 U1 f1 C1 M Cm I2cos 从以上两公式可以作如下分析 U1不变时 f1 M U1不变时 f1 磁路饱和 铁损增加 绕组过分发热 功率因素降低 故 只调节f不行 需同时调节U1和f1才可以保持磁通的恒定 2 保持电压为额定值在额定频率以上调速 受到电机绕组绝缘强度的限制 定子电压不可能与频率成比例地升高 只能保持在额定电压 此时气隙磁通将随频率的升高而反比例地下降 进入弱磁调速范围 VVVF变频调速的基本要求 0 0 5 1 0 1 2 1 5 Torque Voltage Frequency 调速结论1 调速结论2 变频调速特点 PWM脉宽调制技术 两种基本的调制方法 脉幅调制PAM PulseAmplitudeModulation 变频器在改变输出频率的同时 也同时改变输出电压的幅值PAM需要同时调节两个部分 整流部分和逆变部分 二者之间还必须满足一定的关系 故控制电路复杂脉宽调制PWM PulseWidthModulation 变频器在改变输出频率的同时 也同时改变输出电压的脉冲占空比PWM只控制逆变器部分 与PAM相比 控制电路简单正弦波脉宽调制技术SPWM 在进行脉宽调制时 使脉冲系列的占空比按正弦规律来安排 当正弦值为最大时 脉冲宽度也最大 而脉冲间的间隔则最小 反之亦然 这样的电压脉冲系列可以使负载电流中的高次谐波成分大为减少 冲量等效定理 根据现代控制理论可知 冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的负载环节上时 其产生的效果基本相同 这就是冲量等效定理 冲量既窄脉冲所围成的封闭图形面积 等效示意图1 等效示意图2 ProtectionandFiltering Microprocessor Displayandbuttons CustomerTerminals DType Seriali o A DConverters D AConverter EEPROM 控制框图 MASTERDRIVEVectorControl Driver Driver DCPositive DCNegative PowerSupply IsolatedSupplies ControlBoards PowerSection VectorandPWMProcessor IGBT InsulatedGateBipolarTransistors 电压 电流 一毫秒 开关损耗 开关 IGBTs是可靠 高效和快速的电力电子器件 续流二极管 Commutation Flywheel DiodesarerequiredtodiverttheinductivecurrentwhentheIGBTsarenotconducting Ifthediodeshaveaslowrecovery ashortcircuitcurrentwillflow Fastdiodeswithalowrecoveredchargeareused 预充电电阻 电容充电通过预充电电阻 预充电继电器 电流监控系统 1 2 3 4 5 1 DC侧监控器直接到ASIC 6SE922 DC侧监控器通过光藕连接 6SE923 电阻和光藕 MIDIMASTERVectorx34 霍尔元件 MICROMASTERVectorx25 IGBT侧监视器x6 整流和逆变概念 整流 把交流电变成 整流成 直流电的电路称为整流电路 逆变 把直流电变成 逆变成 交流电的电路称为逆变电路 整流单元的组成 可控硅 SCR Thyristor 散热片触发电路板 A23 控制电源板主控板 CUR 主回路保险 熔芯 散热风机显示面板 PMU 通讯板 CBP2 整流单元结构图 输入电压 单相 三相 DC电压 单相 三相 整流二极管 二极管电流 整流示意图 逆变器的组成 逆变模块 IGBT 散热板触发电路板 IGD 控制电源板 PSU 主控板 CUVC 主回路保险 熔芯 中间回路电容 散热风机显示面板 PMU 接口转换板 IVI 通讯板 CBP2 LowerIGBT directDriveisreferencedtoDCNegativeandcommonPowerSupply UpperIGBT requiresisolationand ChargePump orseparate PowerSupply 驱动 驱动 ASIC控制器 DC正 DC负 VectorUnitshavefullyisolatedASICcontrollerandthereforeatleastsixopto isolators IGBT的控制和触发 变频器和逆变器的结构图 M 3 M 3 M 3 逆变器 3AC380 480V 滤波器 电抗器 变频器 制动 电阻 进线电抗器 安装进线电抗器是为了减小变频器 整流单元和整流 回馈单元的谐波电流进线电抗器也能限制由于电源电压的突变而产生的电流冲击 出线电抗器 输出电抗器用于补偿在长导线时的容性再充电电流及限制在相应电机导线长度下 在电机端子上的dv dt MasterDrive基本控制功能 V F特性转矩控制速度控制频率控制 具有V f特性的转速控制 通用的V f特性 作为频率控制 具有滑差补偿 用于异步电动机的单独传动和多电机传动 无高动态性能要求 例如 泵 风扇 简单的牵引装置 电压与频率的关系 压频比控制方式适合于大多数场合 二次曲线控制适用于风机 水泵负载以达到节能的效果 特殊的控制曲线可以用来控制特殊的电机和运用场合 矢量控制和磁通电流控制系统可以单独控制电机的励磁 因为感应电机的工作象一台变压器 频率减小时电压也必须减少 磁通电流控制 FCC Iload Iflux Itotal 如果电机电压可知 那么总的输出电流可以分解为负载分量和励磁分量 励磁分量部分可以单独控制并且可以实现电机的磁通优化 磁通电流控制没有全矢量控制效果好 因为矢量控制考虑了转子的实际位置 V f控制原理图 在DC电机中 磁场是一个独立的绕组产生 激磁绕组 因此电机电枢电流和磁通电流可以单独控制 在AC电机中 定子绕组电流包含励磁和转矩部分 因此很难单独控制电机的力矩和磁通 仅仅控制电流幅值 不能实现电机的力矩和磁通的单独控制 所以矢量控制必须同时控制电流的幅值和相位 分别控制电机的磁通和力矩可以实现优化的控制性能 零速时的高输出力矩 负载变化时的快速响应 矢量控制技术 ACInverter ACMotor Encoder load 为了控制交流电机的力矩和磁通 定子电流必须同时控制幅值和相位即矢量控制而不是标量控制 为了控制定子电流的相位 所以必须知道转子的位置 所以全矢量控制 必须采用一码盘来检测电机转子的位置 Supply PositionFeedback 什么是矢量控制 磁场定向矢量控制框图 矢量控制范围 电流恒定区 变频器象一个电流源 输出一个与负载无关的电流值P083 连续提升和起动提升在此区域起作用 搜索定向区 此区域 电动机的反电动势逐步建立 变频器根据它开始搜索和锁定电机转子转速 滑差补偿在此区域起作用 全定向矢量控制 此区域定位完成 环境温度的变化 定子电阻和滑差的变化在整个负载运行区得到全面补偿 闭环频率控制 无测速机的磁场定向控制 无速度检测的闭环频率控制或磁场定向控制推荐用于单独传动的异步电动机用于各种从低到高动态性能的场合 其调速范围为1 10 故适用于工业的大部分场合 如大功率挤压机和风机 牵引装置和提升装置及离心机等 无测速矢量控制SVC可以准确控制电机转速但不需测速码盘 这无疑减小了费用 为了准确地计算转子位置与速度 变频器的软件必须完成下列工作 准确地监测输出电压 电流 计算电机参数 转子和定子的电阻 漏电感等等 准确地生成电机的温度特性模型 使控制性能可保持在整个温度范围内 适时 适当地调整参数以符合电机的不同运行状态 具有快速执行运算能力 由一个专门设计的ASIC来完成的 快速浮点微处理器 低速时 很难预测电机性能和转子位置 SVC矢量控制 无速度传感器矢量控制SVC的优点 不需滑差补偿就可以获得良好的开环控制 低速时具有高转矩高效率 低损耗高动态性能 负载突变时动态响应好FCC fluxcurrentcontrol 控制方式 控制系统内部有一精确的电流监控系统 可以精确测量参考电机电压的输出电流 因此 可以把总的输出电流分解为磁通分量和转矩分量 磁通分量可控 因此电机的磁通可以优化 适合各种应用场合 其控制性能很高V F控制方式在低频下输出力矩要降低 原理图 闭环速度控制 带速度检测的磁场定向控制 带速度检测的磁场定向控制作为闭环速度控制用于异步电动机的单独传动和在较低转速时有较高的动态特性要求且高转速精度 如吊车和位置控制 货物运输 带有定位要求的吊车等 对于这类闭环控制系统 需用增量式编码器 如每转带有1024个或更多脉冲的增量编码器 原理图 不同控制方式的性能 不同控制方法的控制性能 3 SIMOVERTMASTERDRIVESActiveFrontEnd AFE SIEMENSAFE 可控前端技术 能做什么 AFE可从公用电网获取清洁 无谐波干扰 的交流能源AFE允许功率因数可调AFE可以在电压极度下降期间 仍获得100 轴特性 无限平稳过渡AFE可使变频器具有极佳的动态响应AFE使变频器固有具备4象限运行能力 电动与发电状态相互间可平滑转换 100 能量再生能力无换相故障 旧技术换相 电压 豁口是个严重问题它们的幅度大小和影响轻重取决于变频器的设计和电网特性 谐波问题它们的幅度大小取决于电机功率 电源强弱和变频器配置 弱电网将遇到许多问题 电源波动问题由于这个问题 在直流电压环上会产生电压降 从而电机的轴特性将受影响 电源的偏差需与设备的性能和正常应用兼顾 ActiveFrontEndtechnology不产生换相 电压 豁口 谐波可被忽略 其大小不受电网质量或负载轻重影响 电网压降可被调整 DC电压保持稳定 电机轴特性不受影响 技术对比 旧技术由于电源同步的限制 常规技术的响应时间也受到限制只有基波的功率因数近似于1 电网的谐波使其波形畸变 如用于4象限运行 功率因数同样会很差 例如 0 85为补偿功率因数和降低谐波影响 经常要用到一些补偿设备 ActiveFrontEndtechnology由于高动态特性 负载波动造成的影响可被忽略采用进线电流控制技术 使功率因数可依据设定值或动态值而得到控制 功率因数得以控制 谐波影响不再发生 因此 无需补偿装置 技术对比 逆变器 AFE变流器 AFE进线电抗器 净化滤波器 隔离开关 熔断器 主接触器 AFE装机装柜型装置 AFE装机装柜型装置 在3相末端 一个主电源面向角度的高速矢量控制服从于直流母线电压控制且外加一个几乎是正弦的电流在网络上 以便借助于接着连接的净化滤波器去使系统的扰动变为最小 矢量控制也可设定功率因数cosphi 因而可补偿无功功率 但运行电流的需求有优先权 VSB模块 VoltageSensingBoard 的功能同网络角度传感器类似 类似于编码器的工作原理 为安全起见 一台AFE整流 回馈单元应通过一台主接触器接到电网上 AFE工作原理 AFE工作原理 关于功率因数 作为标准配置 AFE可对供电系统的功率因数进行补偿 AFE可以2种功率因数补偿方式运行 1 恒乏 Var 方式 2 恒功率因数方式在恒乏工作方式中 AFE的电流可以在0 100 的范围内被用作无功电流 不管是导前还是滞后 无功电流与电机负载无关 在恒功率因数工作方式中 功率因数被设定在0 8 1 0的范围内 可以是导前或是滞后 无功电流取决于电机负载 关于谐波 AFE驱动柜介绍 AFE驱动柜介绍 AFE驱动柜介绍 AFE驱动柜电气原理图 DRAWING 30005571471000 CD AA pdf 启动与急停 启动与急停 启动顺序 启动信号给到逆变器控制板CUVCCUVC控制板启动信号通过控制端子X9 4 5给到接口板A60A60控制电路将启动信号再给到AFE整流器控制板CUSACUSA启动后触发VSB控制板 VSB板将启动信号给出 控制进线主接触器吸合待完成中间回路预充电过程 系统通电开始工作 启动与急停 急停是通过外接急停信号直接引入CUVC控制板I O端子上位软件经过PLC与变频器通讯引入CUVC内部控制字实现的 当急停按钮拍下时 或控制柜断电时 整个急停回路被激活 变频器CUVC将处于o008状态即逆变器脉冲封锁状态 电机输入侧无电压电流输入 系统处于保护停车状态 故障和报警 故障的一般信息对每个故障 下述信息可供利用 参数r947故障号r949故障值r951故障表r952故障数目r782故障时间若电子板 CUVC或CUSA 电源关掉以前故障未被复位 那么这个故障在下一次接通电子板电源时仍然存在 若故障没有被复位 装置不能进入运行状态 当选用自动再启动工作时例外 故障信息以FXXX XXX是3位数字表示的故障代码 故障和