有源前端AFE的原理与应用

1、Emerson CT 驱动系统培训AFE 整流回馈系统AFE 整流回馈系统代替制动电阻，将负载侧产生的能量回馈至电网节能增效的应用之一正弦波线电流，单位功率因数功率配置要求，低于常规不可控二极管整流使用SP/SPM驱动器中的Regen操作方式，可使之成为AFE整流器 AFE整流回馈系统传统变频控制系统的整流单元不可控二极管整流元件。5、7次谐波高电流单相导通无能量回馈，需要配置制动单元直流侧电压不可控电源电压不能低于电机额定电压成本低，维护简单AFE整流回馈系统AFE变频控制系统的整流单元有源可控IGBT整流元件，开通/关断均可控电流双向流通无需制动单元PWM控制，完美无谐波容许电源电压低于电

2、机电压MotorSupply ToRegenDrive+ DC Bus- DC BusRegen DriveMotoring DriveAFE整流回馈系统-原理MachinecircuitContactorcontrol signalsDrive enableSupplyD.C bus+-UVWUnidriveoperatinginopen loopvector or servoregenUnidriveoperatinginUVWRYBLineFilterStart-upcontrol signalFusesandSwitchingFrequencyFilter AFE整流回馈单元提供正选电

3、压输出 AFE回馈电压通过输入电抗器融入电网 通过LCL滤波，AFE回馈输出纯正弦电压 通过LCL滤波，AFE回馈输出纯正弦电流AFE整流回馈-向量图IrVrVsjwLIrIrVrVsjwLIrPower flow from supplyPower flow back to supply 全载时，Vr与Vs之间夹角约为 5o ，PF值接近1 内部直流电压PI调节，实现能量双向传递 锁相环控制 空间矢量调节器，百微秒级的响应PWM整流整流二极管整流二极管整流 AFE整流回馈-线电流波形n显著降低谐波电流n二极管整流时，电流谐波含量为48%nPWM 整流时，电流谐波含量为6%05101520253

4、0135791113151719Diode rectifierPWM rectifierAFE整流回馈-电流谐波成分AFE整流回馈 - 组成 可用于AFE整流的驱动器 LCL滤波回路高频滤波电抗器高频滤波电容回馈电抗器 预充电回路 浪涌吸收回路AFE整流回馈 - AFE驱动器 可用于AFE整流的驱动器，如UnidriveSP/ SPMD系列 将IGBT逆变器反接电源，作为IGBT整流器 AFE整流器的容量选择，无需考虑无功功率 AFE整流器的功率= 1.732 * 额定驱动电流 * 电网电压 电机驱动器的功率= 1.732 * 电机额定电流 * 电机额定电压 * 电机功率因数常规一拖一AFE系

5、统，AFE整流器与电机驱动器型号功率相同，无需扩容AFE整流回馈 LCL滤波回路高频滤波电抗器Lf防止高频谐波电流 (3 kHz) 流入电网防止接地漏电流流入驱动回路高频滤波电容Cf消除高频谐波电压回馈电抗器LregenPWM输出滤波电抗器RegenUnidriveUVWRYBRFIFilterLfCfLregLregLregLfLfCfCfAFE整流回馈 - 浪涌电压保护回路MOVsINPUTINDUCTORSACSUPPLYUNIDRIVEREGENUNITFUSESEARTHZ500LP内置内置EMC 滤波器，在滤波器，在AFE系统中，禁止使用，必须拆除系统中，禁止使用，必须拆除SP s

6、izes 1 to 3Removal of internal EMC filterSP sizes 4 to 6, SPMA, SPMDRemoval of internal EMC filterEMC滤波器会使滤波器会使AFE系统系统存在安全隐患和谐波干扰存在安全隐患和谐波干扰AFE整流回馈 - 注意AFE整流回馈 预充电回路目前的AFE系统预充电方式有两种限流电阻单相供电预充电回路半控整流桥三相供电预充电回路AFE整流回馈 预充电回路AFE系统预充电逻辑送电，将预充电回路接触器投入充电，限流电阻充电方式，是通过AFE整流IGBT附带的续流二极管，单相充电 半控桥充电方式，是直接对直流母线充

7、电3.得电，315Vdc的直流电压时，就可以使AFE整流单元的CPU控制。4.切电，430Vdc时，AFE整流单元检测充电完成，发出指令，切断充电回路，投入主回路5.供电，AFE整流送电完成，待机运行AFE整流回馈 - 熔断器电源电缆及变压器的事故保护限制回馈及驱动单元的过度能量传递，而造成事故，如火灾AFE整流回馈系统 - 驱动单元将直流电压转换为可调节的电压/频率，提供电机调速运转的交流电源实现直流电源与电机之间的能量传递 驱动单元无需交流电源供电 也称逆变器单元AFE系统 - 功率配置AFE整流单元 选型- 无需考虑无功功率驱动单元选型 - 需要考虑无功功率AFE系统 - 动力配置案例1

8、电源电压400Vac，电机400Vac/0.85PF, 选用两台25A “11kW”驱动器，一台作整流，一台作驱动 AFE整流器功率 功率 = 3 * 额定电流 * 电源电压 = 1.73 * 25 * 400 = 17.3 kW 电机驱动器功率 功率 = 3 * 额定电流 * 额定电压 * 功率因数 = 1.73 * 25 * 400 * 0.85 =14.7kW配置成功！AFE功率 电机功率AFE系统 - 动力配置案例2 电网电压380V -10%, 电机75KW/400V/1.75OL/156A/0.95PF， 拟用两台156A “75kW” 驱动器最大AFE整流器功率= 3 * 175

9、% *额定电流 * 电源电压 = 1.73 * 156 * 1.75 * 342 = 161.7kW 最大电机驱动器功率 = 3 * 175%*额定电流 * 额定电压 * pf = 1.73 * 156 * 1.75 * 400 * 0.95 = 179.7kW配置失败！由于电网电压偏低，导致AFE功率低于驱动功率AFE系统REGEN33DRIVEM3EnableDC BuscircuitStart-upRFIFilterand FusesSwitchingFrequencyFilter配置方案1 -单AFE整流 配 单驱动 配置方案2 - 单AFE整流 配 多传动驱动33DRIVEM3DRI

10、VEM3DRIVEM3EnableDC BuscircuitStart-upRFI FilterandFusesRegenSwitchingFrequencyFilterAFE系统配置方案2 - 多AFE整流 配 多传动驱动33DRIVEM3DRIVEM3DRIVEM3circuitStart-upDRIVEM3DRIVEM3DRIVEM3EnableDC BuscircuitStart-upRegenRegenRFIFilterandFusesSwitchingFrequencyFilterAFE系统AFE系统 - AFE整流单元工作时序AFE驱动使能时，进入电网同步工作时序使用脉冲测试法，

11、检测电网电压与相位电网同步完成，直流母线电压控制器工作，将直流母线电压调整到设定电压上述动作成功实现后，电机驱动单元允许工作主电源掉电模式的选择禁用停车模式 主电源掉电时，AFE回馈驱动器会禁止电机驱动器的控制无法使用自动启动功能 主电源掉电时，AFE驱动器会禁止电机驱动器，且清楚内部运行联锁信号 如果使用非联锁时序模式 (i.e. #6.04=0)，电机驱动器将重新启动AFE系统 - 电机驱动单元工作时序AFE系统 - 状态显示INH - AFE驱动禁止ACT - AFE运行，完成同步Technical Data电源电压 (400V 等级) 380Vac to 480Vac + 10% 电源

12、频率 48Hz to 65HzAFE驱动允许的工作电压和能够执行的同步电压 :the DC Link voltage is below 410Vdc the AC Supply voltage is below 150Vac 直流母线设定 (Pr 3.05)50Hz, 380Vac Supply = Min 590Vdc, Default 700Vdc, Max 800Vdc60Hz, 480Vac Supply = Min 730Vdc, Default 780Vdc, Max 800Vdc直流母线电压设定值必须大于直流母线电压设定值必须大于(Vac* 2 + 50)Vdc Adjustab

13、le DC Bus voltage set-point will allow Motor of 460Vac to be operating on 380Vac supply (normally motor voltage limited to approx 360Vac).In this case increased current is drawn from the supply and a larger Regen drive may be required.AFE系统 - 关于电流谐波的影响高于十倍电源频率的主电源电压波形的频繁畸变，会导致AFE驱动锁相环控制失败由于AFE驱动电流环响

14、频带宽的限制，同电网直流驱动器工作时产生的电网电压缺口，会影响AFE驱动的正常工作电网电压的畸变，会导致AFE驱动在使能时，频繁执行电网同步功能电网电压/电流规范常用符号 :- IDriveAFE驱动器的满载额定电流 ISupply电网额定电流 IShort电网短路电流 fSWAFE驱动载频 RSC电网短路电流比率 LSupply电网感抗 Z50Hz50Hz电网阻抗IEC 1000-3-4 Stage 3fsw (kHz)34.56912IISupplyDrive11711864 下属条件下，无需安装SFF电抗器(ISupply/IDrive) (50/fSW) G5.3 Stage 3 (1

15、)50Hz电网阻抗 Z50Hz (1.7/IDrive)若电网阻抗为纯感性 Lsupply 1/(185 * Idrive电网阻抗决定其短路电流 RSC = Ishort/Isupply不安装SFF滤波器，若需达到G5.3标准，则 (Isupply/Idrive) 140/RSCG5.3 Stage 3 (2)常规变电所变压器的5%漏感阻抗RSC 20 (Isupply/Idrive) 7 也就是说，使用5%阻抗的变压器，其额定电流必须高于AFE驱动额定电流的7倍，否则需要安装谐波滤波器AFE系统 - 驱动布线电网至AFE回馈电抗器之间的电缆无特殊要求应尽力保证电缆越短越好过长的无屏蔽电缆，会干扰通讯系统及信号电缆如果电缆长度超过5米，建议使用屏蔽或铠装电缆，并将屏蔽层接驱动器地多传动AFE系统中的直流母线侧熔断器保护UNIDRIVEREGENUNITDC BUSFUSESUNIDRIVEMOTO