双馈变频系统

1、双馈变频系统1.交流调速简介直流电力拖动和交流电力拖动在19世纪先后诞生。在20世纪上半叶的年代里，鉴于直流拖动具有优越的调速性能，高性能可调速拖动都采用直流电机，而约占电力拖动总容量80%以上的不变速拖动系统则采用交流电机，这种分工在一段时期内已成为一种举世公认的格局。交流调速系统的多种方案虽然早已问世，并已获得实际应用，但其性能却始终无法与直流调速系统相匹敌。直到20世纪6070年代，随着电力电子技术的发展，使得采用电力电子变换器的交流拖动系统得以实现，特别是大规模集成电路和计算机控制技术的发展，高性能交流调速系统便应运而生，一直被认为是天经地义的交直流拖动按调速性能分工的格局终于被打破了

2、。这时，直流电机具有电刷和换相器因而必须经常检查维修、换向火花使直流电机的应用环境受到限制、以及换向能力限制了直流电机的容量和速度等缺点日益突出起来，用交流可调拖动取代直流可调拖动的呼声越来越强烈，交流拖动控制系统已经成为当前电力拖动控制的主要发展方向。许多在工艺上需要调速的生产机械过去多用直流拖动，鉴于交流电机比直流电机结构简单、成本低廉、工作可靠、维护方便、惯量小、效率高，如果改成交流拖动，显然能够带来不少的效益。但是，由于交流电机原理上的原因，其电磁转矩难以像直流电机那样通过电枢电流施行灵活的实时控制。20世纪70年代初发明了矢量控制技术，或称磁场定向控制技术，通过坐标变换，把交流电机的

3、定子电流分解成转矩分量和励磁分量，用来分别控制电机的转矩和磁通，就可以获得和直流电机相仿的高动态性能，从而使交流电机的调速技术取得了突破性的进展。其后，又陆续提出了直接转矩控制、解耦控制等方法，形成了一系列可以和直流调速系统媲美的高性能交流调速系统和交流伺服系统。直流电机的换向能力限制了它的容量转速积不超过10 kW · r /min，超过这一数值时，其设计与制造就非常困难了。 交流电机没有换向器，不受这种限制，因此，特大容量的电力拖动设备，如厚板轧机、矿井提升机等，以及极高转速的拖动，如高速磨头、离心机等，都以采用交流调速为宜。交流电机主要分为异步电机（即感应电机）和同步电机两大类

4、，每类电机又有不同类型的调速系统。现有文献中介绍的异步电机调速系统种类繁多，可按照不同的角度进行分类。常见的交流调速方法有：降电压调速转差离合器调速转子串电阻调速绕线转子电动机串级调速和双馈电动机调速变极对数调速变压变频调速按照交流异步电机的原理，从定子传入转子的电磁功率可分成两部分：一部分是拖动负载的有效功率，称作机械功率；另一部分是传输给转子电路的转差功率，与转差率s 成正比。从能量转换的角度上看，转差功率是否增大，是消耗掉还是得到回收，是评价调速系统效率高低的标志。从这点出发，可以把异步电机的调速系统分成三类：（1）转差功率消耗型调速系统这种类型的全部转差功率都转换成热能消耗在转子回路中

5、，上述的第、三种调速方法都属于这一类。在三类异步电机调速系统中，这类系统的效率最低，而且越到低速时效率越低，它是以增加转差功率的消耗来换取转速的降低的（恒转矩负载时）。可是这类系统结构简单，设备成本最低，所以还有一定的应用价值。 （2）转差功率馈送型调速系统 在这类系统中，除转子铜损外，大部分转差功率在转子侧通过变流装置馈出或馈入，转速越低，能馈送的功率越多，上述第种调速方法属于这一类。无论是馈出还是馈入的转差功率，扣除变流装置本身的损耗后，最终都转化成有用的功率，因此这类系统的效率较高，但要增加一些设备。（3）转差功率不变型调速系统在这类系统中，转差功率只有转子铜损，而且无论转速高低，转差功

6、率基本不变，因此效率更高，上述的第、两种调速方法属于此类。其中变极对数调速是有级的，应用场合有限。只有变压变频调速应用最广，可以构成高动态性能的交流调速系统，取代直流调速；但在定子电路中须配备与电动机容量相当的变压变频器，相比之下，设备成本最高。 2.交-直-交变频 交-直-交变频一般采用全控型的半导体器件，如GTO、IGBT、IGCT等。相对与交-交变频来说，它具有结构简单，可靠性高，频率可调范围宽，功率因数高，高次谐波少等优点。以前由于受半导体器件功率的影响，容量一直做不大，随着大功率全控器件的出现，这种方式有着非常好的前景。在主回路结构上，它可采用两电平或多电平的方式。2.1中点嵌位式三

7、电平变频器三电平电压源型逆变器主电路拓扑结构是1977年德国伍柏塔尔大学Joachim Holtz教授首次提出的，日本长冈科技大学学者1980年ISA年会上提出了用二极管嵌位的概念，从而也叫“中点箝位式逆变器”。它的出现为高压大容量电压型逆变器的研制和开发提供了一条全新的思路，其主电路拓扑结构如图1-1所示。 图1-1 二极管嵌位式三电平变频器拓扑结构三电平变换器由早期的两电平变换器演化而来，在变换器的桥臂上有4个功率器件，每个桥臂可输出1、0、-1三个电平。在相同的输出电压等级的情况下，三电平结构功率器件所承受的电压仅为两电平的一半，大大减轻了du/dt，降低了功率器件和电机绝缘承受的电压应

8、力，减小了变频器相同的EMI。由于相电压有三种电平状态，比传统的二电平逆变器多了一个电平，其谐波水平明显低于两电平逆变器，在获取相同的系统性能指标的同时，开关频率可以降低到两电平的1/4 。 中点箝位三电平变频器不但在拓扑结构上相对简单，而且基本采用矢量或直接转矩等先进的控制方法，使得它不仅能用于风机、泵的节能调速，还能用于需快速响应的工况。 三电平变频器的优点是：系统采用结构化设计，功率布局配置合理，功率密度高，符合大功率变频器的发展方向。输出波形畸变率、du/dt、EMI等指标较两电平方式有较大改善。采用背靠背双三电平结构可按照“电网-变频器-电机”一体化方式进行协调控制，在实现高性能矢量

9、控制的同时，对于网侧谐波含量、网侧功率因数等关键指标均有良好控制效果。它的缺点是：随着电平数的扩展，系统输出波形质量有进一步的改善，但算法复杂程度急剧上升，一般实际应用限制在七电平以内，国外成熟产品以三电平为主。du/dt 对高压电机的绝缘影响仍不容忽视，在6KV及以上高压应用场合仍需选配正弦波输出滤波器。3.异步绕线电机转子双馈变频3.1 双馈调速原理传统双馈电机即为绕线式转子异步电动机，因其定、转子各有一套绕组与外部电源(电网或变频器)相连，功率流向可分别由定、转子馈入或馈出，故称双馈电机。早期得到较广泛应用的绕线式转子异步电动机串级调速即为双馈调速的一种方式，因其只能从转子侧馈出能量，只

10、能运行在同步转速以下，没有制动停车功能，可理解为狭义双馈。与之相对应的广义双馈是指电机定、转子均可进行能量的双向流动。结构形式通常为电机定子侧接入恒压恒频电网，转子侧接入变压变频装置。通过控制转子附加电势的频率、幅值和相位进行调速和功率因数控制。所以所谓“双馈”，就是指把绕线转子异步电机的定子绕组与交流电网连接，转子绕组与其他含电动势的电路相连接，使它们可以进行电功率的相互传递。 至于电功率是馈入定子绕组和/或转子绕组，还是由定子绕组和/或转子绕组馈出，则要视电机的工况而定。双馈调速的基本结构如图3-1所示。图3-1 双馈调速基本结构上图中，在双馈调速工作时，除了电机定子侧与交流电网直接连接外

11、，转子侧也要与交流电网或外接电动势相连，从电路拓扑结构上看，可认为是在转子绕组回路中附加一个交流电动势。由于转子电动势与电流的频率随转速变化，即 f2 = s f1 ，因此必须通过功率变换单元（Power Converter UnitCU）对不同频率的电功率进行电能变换。对于双馈系统来说，CU应该由双向变频器构成，以实现功率的双向传递。3. 2 双馈调速的功率传输（1）转差功率输出状态 异步电动机由电网供电并以电动状态运行时，它从电网输入（馈入）电功率，而在其轴上输出机械功率给负载，以拖动负载运行； （2）转差功率输入状态当电机以发电状态运行时，它被拖着运转，从轴上输入机械功率，经机电能量变换

12、后以电功率的形式从定子侧输出（馈出）到电网。 3.2.1 转子附加电动势的作用异步电机运行时其转子相电动势为： 式中 s 异步电动机的转差率； 绕线转子异步电动机在转子不动时的相电动势，或称转子开路电动势，也就是转子额定相电压值。转子相电流的表达式为：式中 转子绕组每相电阻； s = 1时的转子绕组每相漏抗。 附加电动势与转子电动势有相同的频率，可同相或反相串接，如图4-13所示。 绕线转子异步电动机在外接附加电动势时，转子回路的相电流表达式： 根据此公式推理可得到以下结论：2. Er 与 Eadd反相 同理可知，若减少或串入反相的附加电动势，则可使电动机的转速降低。 所以，在绕线转子异步电动

13、机的转子侧引入一个可控的附加电动势，就可调节电动机的转速。 3.2.2双馈调速系统的运行工况 忽略机械损耗和杂散损耗时，异步电机在任何工况下的功率关系都可写作： 式中 从电机定子传入转子（或由转子传出给定子）的电磁功率。 输入或输出转子电路的功率，即转差功率， 电机轴上输出或输入的功率。 由于转子侧串入附加电动势极性和大小的不同， 和都可正可负，因而可以有以下五种不同的工作情况。 （1）电机在次同步转速下作电动运行Ø 工作条件： 转子侧每相加上与 Er0 反相的附加电动势-Eadd（Eadd < Er0），并把转子三相回路连通。Ø 运行工况：电机作电动运行，转差率为

14、0 < s < 1，从定子侧输入功率，轴上输出机械功率，而转差功率在扣除转子损耗后从转子侧馈送到电网。 功率流程如下所示：（2）电机在反转时作倒拉制动运行Ø 工作条件： 轴上带有位能性恒转矩负载（这是进入倒拉制动运行的必要条件），此时逐渐增大Eadd 值，使Eadd> Er0。 Ø 运行工况：电机进入倒拉制动运行状态，转差率 s > 1，此时由电网输入电机定子的功率和由负载输入电机轴的功率两部分合成转差功率，并从转子侧馈送给电网，功率关系可改写成： 功率流程如下所示：（3）电机在超同步转速下作回馈制动运行Ø 工作条件： 进入这种运行状态的必

15、要条件是有位能性机械外力作用在电机轴上，并使电机能在超过其同步转速n1的情况下运行。此时，如果处于发电状态运行的电机转子回路再串入一个与 sEr0 反相的附加电动势 +Eadd ，电机将在比未串入 +Eadd 时的转速更高的状态下作回馈制动运行。Ø 运行工况： 电机处在发电状态工作，s < 0，电机功率由负载通过电机轴输入，经过机电能量变换分别从电机定子侧与转子侧馈送至电网。此时功率关系可改写成： 功率流程如下所示：（4）电机在超同步转速下作电动运行Ø 工作条件： 设电机原已在 0 < s < 1 作电动运行，转子侧串入了同相的附加电动势+Eadd，轴上拖

16、动恒转矩的反抗性负载。 当接近额定转速时，如继续加大+Eadd电机将加速到的新的稳态下工作，即电机在超过其同步转速下稳定运行。Ø 运行工况： 电机的轴上输出功率由定子侧与转子侧两部分输入功率合成，电机处于定、转子双输入状态，其输出功率超过额定功率。功率流程如下所示：（5）电机在次同步转速下作回馈制动运行Ø 工作条件 很多工作机械为了提高其生产率，希望电力拖动装置能缩短减速和停车的时间，因此必须使运行在低于同步转速电动状态的电机切换到制动状态下工作。 设电机原在低于同步转速下作电动运行，其转子侧已加入一定的 Eadd 。现若增大Eadd值，并使Eadd大于此时的sEr0，电机

17、进入制动状态，Ø 运行工况 在低于同步转速下作电动运行， |- Eadd| 大于制动初瞬的sEr0 ，电机定子侧输出功率给电网，电机成为发电机处于制动状态工作，并产生制动转矩以加快减速停车过程。功率流程如下所示： 五种工况都是异步电机转子加入附加电动势时的运行状态。在工况c)，e）中定子侧输出功率，在工况a）,b）,c）中，转子侧都输出功率，可把转子的交流电功率先变换成直流，然后再变换成与电网具有相同电压与频率的交流电功率。 3.3 ASCS双馈变频系统构成和特点转子双馈变频系列可适用于绕线电机转子串电阻调速系统的升级改造。国内大容量交流调速系统大量采用此种方式，即TKD系统仅矿用系

18、统就超过6000台，全部改造的市场容量高达150亿-200亿元。改造后系统性能达到国际先进水平，可节约大量的资金投入。ASCS双馈变频系统结构示意如图3-2所示。 图3-2 ASCS双馈调速示意图系统在绕线电机转子侧引入全控功率变换单元，通过控制转差功率进行调速，其中CU1为全控逆变单元，用于提供与转子电势同频率的变压变频电源，CU2为全控整流单元，在提供稳定直流电压的同时，可对网侧功率因数和谐波进行调节和补偿，使系统对电网造成的影响可忽略不计。在主回路上采用背-靠-背双三电平拓扑结构，其示意如图3-3所示。 图3-3 背-靠-背双三电平结构示意图在波形质量上，三电平变频器输出相电压为九阶梯波

19、，对比常规的两电平变频器电压和电流畸变率大大减小，和多重独立直流电源构成的级联型拓扑的高压变频器相比，虽然实现的阶梯波层数较少，但由于变频器接入点为高压电机转子侧，电压等级相对较低（通常6KV等级的MW级绕线电机转子侧电压只有1KV左右），这样系统的du/dt和波形畸变率影响将非常小，且对于电机定子侧而言电流波形基本无畸变，系统运行更加安全、可靠。在控制方式上，通过高性能矢量控制算法，将功率变换装置和电机作为整体考虑，在实现高性能调速的前提下，可对网侧功率因数、网侧谐波、电机定子侧功率因数等系统关键指标进行调控，最大程度上满足系统运行的需要，以较低的开关频率、较小的进线电抗实现了能量双向流动、

20、单位功率因数以及正弦的网侧电流，使变频器对电网的污染降至最低，做到真正意义上的“绿色变频”。双馈控制所具有的一个突出优点是电机在调速的同时，能够独立调节定子侧无功功率，改善系统的功率因数。由于电机定子侧直接接入恒压恒频电网，因此在实际应用中，合理地选择转子电流的控制方式，使系统获得某种能量指标最优。一般双馈调速系统有以下四种运行方式：(1) 全补偿工作方式：即全部补偿定子的无功功率，使定子无功电流为零。在转子不过流的情况下，电动机的输出转矩将小于额定转矩。这种工作方式控制简单，较易实现，比较适用于负载变化不大的场合。(2) 转子电流量最小工作方式：这种工作方式的实际意义在于降低转子侧功率变换器

21、的容量。由于转子有功电流分量取决于负载，因此，当转子电流无功分量为零时，转子电流达到最小值。在这种情况下，当转矩为额定时，转子的全电流即为额定的有功电流。(3) 转子电流恒定工作方式：当负载变化时，转子电流幅值不变，但相位改变。重载时，转子电流的转矩分量较大。满足负载要求，在不过流，发挥改善功率因数的作用；轻载时，则提供较大的超前无功电流，尽量发挥改善功率因数的作用，这种工作方式特别适合负载变动较大，经常轻载而电网又常常需要补偿功率因数的场合。(4) 最小损耗工作方式：这种工作方式的基本原理是通过调节转子电压的幅值和相位，合理的分配定子电流的有功分量和无功分量，使得在任何负载下双馈调速的异步电

22、动机的损耗为最小。这种控制方式效率最高，但控制复杂。ASCS双馈调速系统框图如图3-4所示。 图3-4 ASCS单机双馈系统框图图中，各组成部分的功能如下：（1） 定子侧 高压出线柜：提供电机定子电源。 换向柜：主要作为电机定子换向用。（2） 转子侧 转子出线柜：提供电机转子电源。 变压器：主要提供整流侧电源，将高压变为整流所需电源，又称整流变压器。 电抗器：起平波作用。 整流柜：主要将三相交流整成直流，同时将电能回馈到电网上去。 逆变柜：主要将直流通过逆变变换成三相交流，接入电机转子。 调节柜：传动控制核心，完成速度闭环控制、单位功率因数控制、转子变频矢量控制、电流闭环控制，故障诊断等功能。

23、 PLC柜：系统主控部分，主要是整合系统各个部分之间配合工作，以及对电机运行与设备保护等功能。上位机：主要是监视系统运行状态与故障信息显示的作用。操作台：作为司机操作系统的平台，以及显示系统各个部分的运作状态。低压配电柜：主要提供低压电源。采用ASCS转子双馈变频还可以实现双机拖动，其结构示意如图3-5所示。图3-5 ASCS双机转子双馈系统框图3.4 双馈变频系统的性能特点和效益分析（1） 性能特点Ø 转矩：启动、低速运行时，转矩可以达到额定转矩的两倍。由于电压和频率均连续可调，电机起动电流可得到有效控制，转矩冲击不存在，可提供既可控又平滑的最大启动及制动转矩，大大缩短了加减速及爬

24、行段的时间。Ø 调速性能：矢量控制可实现类似直流拖动控制系统的优良调速性能，实现无级调速。系统能自动高精度地按设计的提升速度图控制提升速度，系统的安全得到保证，极大地降低了操纵难度；减速时电气制动减速，司机无需再用施闸手段控制提升机减速，避免了超速、过卷的发生。Ø 谐波：通过高性能失量控制算法，将功率变换装置和电机作为整体考虑，在实现高性能调速的前提下，可对整流网侧功率因数、整流网侧谐波、电机定子侧功率因数等系统关键指标进行调控，所以几乎不存在谐波污染，不需增加无功补偿、谐波治理等投资。Ø 功率因数：双馈控制所具有的一个突出优点是电机在调速的同时能够独立调节定子侧

25、无功功率，改善系统的功率因数，功率因数可达到1，提高了设备对电网容量资源的利用率，减少了因无功电流引起的线路损耗。Ø 扩展能力：电控系统采用全数字控制器,能通过软件来灵活实现原系统中所有控制功能,留有自动化接口,提高其控制性能指标,加强保护功能,最终达到提高整个控制系统的稳定性、可靠性、扩展能力和控制性能指标。（2）效益分析 Ø 节能：矢量控制全控双馈调速方案与串电阻调速方式相比，节约了消耗于转子电阻回路中的能量，且在制动过程中可以发电并回馈电网，每年可节约电能消耗35%以上。Ø 生产效率：能可靠地按系统设计的最短时间加、减速，显著缩短一次提升时间，提高生产效率。

26、Ø 维护和故障率a.与传统的TKD控制方式相比，电机定子、转子温升均大幅下降，使电机运行的故障率大幅减少；由于实现了无级调速解决了切换电阻冲击电流大，运行平稳性差的问题，使系统运行更加安全可靠。b.实现了全程的电力牵引与电力制动，机械闸只有在停车和安全回路保护动作时才起作用，闸瓦磨损减少。由于变频运行机械特性很硬，钢绳不易打滑，明显减少磨损。由于转矩平滑降低了齿轮箱和钢丝绳等设备的机械故障，减少了设备的维修量和维修费用。c.系统结构模块化设计，使安装维护更加方便。d.由于闸瓦、减速机构运行有所改善，可消除磨损造成的飞尘，电阻群无需使用，解决了工作现场环境温度过高的问题。e.系统自动化

27、程度很高，减少了人工操作失误率。3.5 双馈转子变频与高压变频之比较Ø 由于定子侧电压较高和IGBT耐压的限制，高压变频只有采用级联的方式。高压变频器的变压器为特制的多绕组变压器，二次输出多达45-60只端子，变频器主回路接线比较多。另外高压变频器使用IGBT数量为180-270只。而在双馈转子变频系统中，变压器为通用整流变压器，IGBT数量为24只，二极管12只，元器件总数36只，主回路可靠性是高压变频的5-7倍。Ø 高压变频器中使用60-80只电解电容，此电解电容寿命为2000-6000小时，正常使用八个月左右就要更换。更重要的是这样的元件寿命不能保证提升机电控系统的可靠性。转子双馈变频器采用两个高性能聚丙脂电容，寿命可达20万小时，寿命是电解电容的20倍。Ø 高压变频由于其结构复杂，很难实现高性能的控制方式（如矢量控制或直接转矩控制），基本都采用V/F控制方式，对于风机、水泵类不变负载有一定的使用范围，但对于提升机之类的位势负载，其转矩特性以及动态响应是很难满足要求的。Ø 高压变频在使用过程中