变频调速技术ACS6000概述

变频调速技术现代工业生产过程中，传动在许多场合要求能够调速。致可分为直流调速与交流调速两种，差率调速和变频调速等几种方式。各种设备的传动部件大都离不开电动机，电动机的调速运行方式很多，且电动机的以电动机类型分大而交流调速方式又可分为变极调速、改变转20世纪70年代后，大规模集成电路和计算机控制技术的发展，以及现代控制理论的应用，使得交流电力拖动系统逐步具备了宽的调速范围、高的稳速范围、高的稳速精度、快的动态响应以及在四象限作可逆运行等良好的技术性能，在调速性能方面可以与直流电力拖动媲美。在交流调速技术中，变频调速具有绝对优势，并且它的调速性能与可靠性不断完善，效果明显，而且易于实现过程自动化，深受工业行业的青睐。价格不断降低，特别是变频调速节电1.交流变频调速的优异特性(1)调速时平滑性好，效率高。低速时，特性静关率较高，相对稳定性好。(2)调速范围较大，精度高。(3)起动电流低，对系统及电网无冲击，节电效果明显。(4)变频器体积小，便于安装、调试、维修简便。(5)易于实现过程自动化。(6)必须有专用的变频电源，目前造价较高。(7)在恒转矩调速时，低速段电动机的过载能力大为降低。2.与其它调速方法的比较这里仅就交流变频调速系统与直流调速系统做一比较。在直流调速系统中，由于直流电动机具有电刷和整流子，因而必须对其进行检查，电机安装环境受到限制。例如：不能在有易爆气体及尘埃多的场合使用。此外，也限制了电机向高转速、大容量发展。而交流电机就不存在这些问题，主要表现为以下几点：第一，直流电机的单机容量一般为电机单机容量却可以数倍于它。高只能做到一千多伏，而交流电机可做到12-14MW，还常制成双电枢形式，而交流第二，直流电机由于受换向限制，6-10kV。第三，直流电机受换向器部一般仅为每分钟数百转其电枢电压最分机械强度的约束，其额定转速随电机额定功率而减小，

到一千多转，而交流电机的达到每分钟数千转。第四，直流电机的体积、重量、价格要比同等容量的交流电机大。最后，特别要指出的是交流调速系统在节约能源方面有着很大的优势。一方面，交流拖动的负荷在总用电量中占一半或一半以上的比重，这类负荷实现节能，可以获得十分可观的节电效益。另一方面，交流拖动本身存在可以挖掘的节电潜力。在交流调速系统中，选用电机时往往留有一定余量，电机又不总是在最大负荷情况下运行；通过对电机转速进行控制，就能达到节电的目的。工业上大量使用风机、水泵、压缩机等，其用电量约占工业用电量的如果利用变频调速技术，轻载时，50%；如果用采变频调速技术，既可大大提高其效率，又可减少10%的电能消耗。用采变频调速，一是根据要求调速用，二是节能。它主要基于下面几个因素：(1)变频调速系统自身损耗小，工作效率高。(2)电机总是保持在低转差率运行状态，减小转子损耗。(3)可实现软启、制动功能，减小启动电流冲击。在用采变频调速时，需从工艺要求、节约效益、投资回收期等各方面考虑。如果仅从工艺要求、节约效益考虑，下面几种情况选用变频调速较有利：F根据工艺要求，生产线或单台设备需要按程序或按要求调整电机速度的。如：包装机传送系统，根据不同品种的产品，需要改变系统传送速度，使用变频调速可使调速控制系统结构简单，控制准确，并易于实现程序控制。F用变频调速代替机械变速。如：机床，不仅可以省去复杂的齿轮变速箱，还能提高精度、满足程序控制要求。F用变频调速代替用闸门或挡板调整流量适于风机、锅炉上水泵、鼓风机、引风机实行了变频调速控制，不仅省去了伺服放大器、电动操作器、电动执行器和给水阀门（或挡风板），而且使得整个锅炉控制系统得到了快速的动态响应、高的控制精度和稳定性。水泵、压缩机等。例如：3.变频器容量的确定变频调速是通过变频器来实现的，容量选择本身就是一种节能降耗措施。三种：对于变频器的容量确定至关重要。根据现有资料和经验，合理的比较简便的方法有(1)公式法设安全系数取1.05，则变频器的容量Pb为Pb=1.05Pm/hm×cosy(kW)式中，Pm为电机负载；hm为电机功率。

计算出Pb后，按变频器产品目录可选出具体规格。In为第n台电动机的额定电流，n为电机的台数。I，当一台变频器用于多台电机时，应满足。在任何情况下，都不能在连续使用时超过额定电流(2)电机实际功率法变频器容量选定过程，实际上是一个变频器与电机的最佳匹配过程，最常见、而实际需也比较安全的是使变频器的容量大于或等于电机的额定功率，虑电机的实际功率与额定功率相差多少，但实际匹配中要考通常都是设备所选能力偏大，要的能力小，因此按电机的实际功率选择变频器是合理的，大，使投资增大。避免选用的变频器过4.使用变频调速器的特点1.可软启动：减小启动时对设备的机械冲击，减少设备的磨损。2.可提高COSφ：变频器是把交流电整流为直流电，通过滤波后，再逆变为交流电，相对电网的阻抗特性为阻性。3.电源隔离：把电网与电机的电力进行隔离。4.可改变转速（无级调速）5.可节约电费：转速可从0--额定转速，可取代减速箱，滑差电机。（20-50%）：减少成本开支。6.带有通讯接口，可与计算机连接，适合自动化控制（PC卡、变频软起）。7.可设计为闭环控制（PID、PG控制）：使操作更简单。8.可远程操作：可配远程操作盒。9.可改变电压：可把单相交流电变为三相交流电供三相小功率电机使用，适合三相电压取用不方便的场合。10.带有各种（过流、过压、欠压、接地、短路等）保护功能：使设备运行更可靠。11.自动转矩补偿：适用于带负荷启动的负载进行启动。12.可多段速运行。13.带有马达失速防止功能。14.带有直流制动与软体刹车功能：适用于大惯量负载。

15.带有点动功能：便于调试设备。16.可任意设定加减速时间：使设备启停更平稳。17.可加装输出转速指示表，在调整转速时更直观更方便。5.变频调速的基本原理交流异步电动机的转子转速ｎ可用下式表示：ｎ＝60f/p×(1-s)式中：ｆ——定子供电电源的频率；ｐ——电动机的极对数；(１)ｓ——电动机的转差率。由此可见，当平滑地改变ｆ时，即可改变ｎ。由此可知，变频调速技术的关键是如何调制出可变频率的正弦波电源。6.交—直—交变频调速交-直-交变频器的主电路包括整流和无源逆变两部分。电网的交流电能变成直流，再由逆变电路将直流电能转换为负载所需的交流电，整流电路把来自交流送给三相负载。整流电路如果采用电容波滤，其输出电压保证恒定，直流电源相当于一个恒压源，这种变频电路称为电压型；如果整流电路采用串联电感滤波，可保证输出电流恒定，相当于一个恒流源，这种变频器成为电流型变频器。电力电子的变流器在钢铁方面的应用主要有两个方面：一个是大型轧机传动，另外一方面是环保节能的传动，现在大多数还是采用档板市场前景广阔。由交流调速取代直流调速，钢铁工业中的高炉鼓风机，截流的调节方式，提高轧钢能效；冶炼除尘风机和水泵等等，采用高压变频调速将产生较大的节能效益，例如当前在轧机主传动中应用的交流调速技术主要是交—交变频调速，IGCT/IGBT三电平交—直—交变频调速。大功率轧钢机主传动要求电气传动系统具有很高动态响应和相当高的过载能力。这一领域长期以来一直被直流电动机传动所垄断，由于直流电机存在着换使其在提高单机大容量、已不能满足轧钢机向大微电子技术以及现代控制理论的向问题和换向器、载能力、降低转动惯量以及简化维护等方面受到了限制，型化、高速化方面的发展。随着电力电子技术、电刷等部件维护工作量较大，提高过迅速发展，该技术受到国内外钢铁工业和电气传动学术界的极大关注。以后，随着交流电机矢量控制理论的产生及其应用技术的推广，家都投入大量人力物力对交—交变频轧钢机主传动进行研究。70年代世界工业发达国到目前，在世界上已有上千台交流变频轧机主传动投入工业应用，在工业发达国家新建上的轧机主传动，无论是初轧机，中板轧机还是热、冷连轧机，无一例外全部采1000kw以

用交流变频调速。的趋势。在大功率轧钢机主传动领域已出现交流调速传动取代直流传动由瑞士ABB公司研制成功的门极可关断晶闸管IGCT，是在GTO元件基础上进行创新的一种新型大功率电力半导体器件。它在器件的结构设计中减少了控制门极回路电感,将驱动电路集成到器件旁，使IGCT的开关损耗较GTO减少一个数量级，提高了开关速度，取消了缓冲吸收电路，系统效率。IGCT已成为GTO的换代器件。大大简化了变频器结构并提高了

中压交流变频器ABB是315千瓦至100兆瓦范围内中压交流变频器的主要国际供应商。ABB的中压交流变频器用于需要较高功率的感应及同步电机的转速和转矩控制。ABB变频器通过ABB的专利“直接转矩控制”过程控制。无需使用编码器，无论是否存在输入电压波动或负荷突变，器能够始终保持最高的控制精度。（DTC）技术提供精确的传动ABB变频ABB的中压变频器根据实际需要调整电机速度，从而能够降低能源消耗。DTC技术是中压变频器的核心“直接转矩控制”（DTC）是一种经过优化的中压变频器电机控制方法，允许对所有的电机核心变量进行直接控制。DTC挖掘出了交流变频器以前从未被人们认识到的潜，力为所有应用提供了极大的好处。1.什么是“直接转矩控制”？“直接转矩控制”（DTC）是一种划时代性质的中压变频器电机控制方法，无在需脉冲编码器从电机的轴端反馈回来的信息便能精确控制电机的转速和转矩。DTC中，定子磁通量及转矩作为主要的控制变量。电机状态的计算在先进的电机软件模型中通过高速数字信号处理器每秒更新40,000次（即，每25微秒更新一次）。由于对电机状态的持续更新以及实际值与给定值的对照，逆变器的每次开关都是单独确定的。最大化的启动转矩DTC提供的精确转矩控制使中压变频器能够提供最大化的启动转矩，既便于控制，又有利于平滑运行。对电网电压波动及传动侧负荷变化的快速反应中压变频器极快的转矩阶跃响应意味着其能以极高的速度对传动负荷及电网电压变化或波动作出反应。这使轻松处理功率损耗的情况及负荷突变成为可能。噪音降低由于具有独立确定的开关，中压变频器没有固定的开关频率。这样便消除了引起使用传统PWM技术的中压变频器恼人噪音的共振。2.PWM技术PWM控制技术一直是变频技术的核心技术之一。1964年A.Schonung和H.stemmler首先在BBC评论上提出把这项通讯技术应用到交流传动中，从此为交流传动的推广应用开辟新了的局面。考正弦波比较，产生正弦脉宽调制前采用全数字化方案，从最初采用模拟电路完成三角调制波和参SPWM信号以控制功率器件的开关开始，到目PWM信号输出，可以说直到目前为,并一直是人们研究的热点。完成优化的实时在线的止，PWM在各种应用场合仍占主导地位由于PWM可以同时实现变频变压反抑制谐波的特点，由此在交流传动乃至其PWM控制技术大致可以分为三类，正弦PWM(包PWM方案，多重PWM也应归于此类)，它能量变换系统中得到广泛应用。括电压，电流或磁通的正弦为目标的各种优化PWM及随机PWM。正弦PWM已为人们所熟知，而旨在改善输出电压、电流波形，降低电源系统谐波的多重PWM技术在大功率变频器中有其独特的优势ACS1000系列和美国ROBICON公司的完美无谐波系列等(如ABB)；而优化PWM所追求的(THD)最小，电压利用率最高，效率最优，及转矩脉动则是实现电流谐波畸变率最小以及其它特定优化目标。在70年代开始至80年代初，由于当时大功率晶体管主要为双极性达林顿三极管，载波频率一般最高不超过5KHZ，电机绕组的电磁噪音及谐波引起的振动引起人随机PWM方法应运而生。其原理是随机改变开关频率使(在线性频率坐标，各频率能量分布是均匀们的关注。为求得改善，电机电磁噪音近系中似为限带白噪声的)，尽管噪音的总分贝数未变，但以固定开关频率为特征的有色噪音强度大大削弱。正因为如此，即使在在较低频率的场合，随机IGBT已被广泛应用的今天，对于载波频率必须限制PWM仍然有其特殊的价值(DTC控制即为一例)；另一方因为随面则告诉人们消除机械和电磁噪音的最佳方法不是盲目地提高工作频率，机PWM技术提供了一个分析、解决问题的全新思路。3.IGCT技术

中压难题直到目前，中压变频器的电源开关还是“门极关断晶闸管”缘栅双极型晶体管”（IGBT）。对于中压应用，（GTO）或“绝此类设备迫使设计师们在设计时作出权衡，从而增加了功率控制系统的成本和复杂性。IGBT：传统的晶体管方法中压变频器使用了中低压IGBT。IGBT在中压层面上开关较快，但传导损耗高，且需要将多个串联的个数较少，IGBT进行复杂的串联。但传导损耗却更高。与低压IGBT相比，高压IGBT需要部件总数的增加会导致设备体积增大，成本上升，可靠性下降。GTO:晶闸管标准GTO技术可靠性高，在中压层面上的传导损耗可以接受。问题是非均态开关在关闭时要求庞大的附加电路。本增加，可靠性下降。同样，部件总数的增加会导致设备体积增大，成IGCT：针对中压的专门设计电源开关设备应当具备：·像IGBT一样的快速转换·像GTO一样的低损耗传导·在大量中压应用中的可靠性ABB开发了简单的解决方案：集成门极换流晶闸管（IGCT）。这种升级换代性质的技术由经过重新设计的GTO组成，引入了重大的设计创新。这种新型的IGCT能提供快速、转换，且降低了损耗。IGCT与“电压源逆变器”相比，比较简单且效率更高。题。（VSI）拓扑结构连同使用，后者与其它拓扑结构基于IGCT的变频器能够克服中压变频器的复杂难需要较少部件的精简技术在相同的电压额定值上，与现有的低压IGBT解决方案相比，基于IGCT的中压变频器需要的功率半导体元件通常只有前者的五分之一。意味着需要较少的冷却设备，并能提供较高的可靠性。部件较少，可靠性较高。解决方案简单。IGCT的较低损耗

ACS6000适用于3兆瓦至最高27兆瓦电机转速及转矩控制的中压变频器ACS6000是ABB交流变频器产品系列中最新的兆瓦级新增产品，最适合大多数要求很高的大功率应用。产品主要特点：有源整流器装置：用于四象限操作及降低谐波。线电压装置：用于在整个转速范围内取得共用的直流母线：用于多传动操作及能量共享。模块化设计：获得最佳配置。0.95的恒定功率因数。IGCT功率半导体器件：具最高可靠性。DTC控制平台：获取极高的转矩和转速性能。ACS6000中压传动系统包括两个ARU（ActiveRectifierUnit）整流单元，CBU（CapacitorBankUnit）电容两个INU（InverterUnit）逆变单元，两个单元,一个VLU（VoltageLimiterUnit）电压限幅单元，两个COU（ControlUnit）控制单元，两个EXU（ExcitationUnit）励磁单元，一个WCU（WaterCoolingUnit）水冷单元和三个TEU（TerminalUnit）动力电缆的连接单元，其中有两个TEU是和COU在一个柜体内.下面对每个单元作详细的介绍1．ARU（ActiveRectifierUnit）整流单元和INU（InterfaceUnit）逆变单元ARU的作用是将交流整流成直流，INU的作用是将直流逆变成交流。ARU比INU多两块ASE（AntiARU主回路的电气原理图包括：项模块ARU和INU的硬件组成基本上是相同的，唯一的不同就是SaturationEquipment）防磁饱和板。G3021、G3031、G3041，每个项模块包括四个IGCT即VF1、VF2、VF3、VF4，四VR1、VR2、VR3、VR4，两个钳位二极管VC1、VC2，两个零电位个续流二极管即二极管VN1、VN2，两个钳位电容动的电感。C1、C2，平衡电阻RS1；L3051两个限制电流波

INU主回路电气原理图与ARU主回路电气原理图相反，在此就不再介绍。2．CBU(CapacitorBankUnit)电容单元CBU在ARU和INU之间，起到一个直流稳压作用，如图。2ⅹ1.6mF的水冷电容，以及一个接地刀闸。CBU主要包括9组3．EXU(ExcitationUnit)励磁单元EXU是ACS6000的励磁单元。EXU主要包括两部分：第一部分是整流桥，它第二部分是过压保护装置，它包括几个大电阻，用的是可控硅整流；电流对整流桥的冲击。用来保护大4．WCU(WaterCoolingUnit水冷单元)这套传动系统由于功率大，发热量大，所以采用的是内循环水冷却的方式。通过图可以看出这套水冷系统是用外循环水通过热交换器来冷却内循环水。为了保证内循环水的导电率低于它的保护值0.5，本套系统还包括一个离子过滤器。5．COU(ControlUnit控制单元)COU可以说是ACS6000的核心，是整套传动系统的大脑。如图所示，整个ACS6000传动系统在这里被分成了3部分：一部分是整流单元，由一块AMC3板(ApplicationandMotorController)来控制两个整流单元；另外两部分各由一块AMC3板控制一个逆变单元。6．ACC(辅助控制单元)它负责系统的控制电源以及系统的辅助控制，包括变压器的辅助信号，电机的辅助信号。7.ACS6000–参数变频器类型VSI-NPC电压源逆变器—中性点箝位典型应用泵、风机、输送机、挤出机、压缩机、研磨机、船舶推进、轧钢机、矿用升降机等。典型系统图：变频器冷却水功率范围:3-27兆瓦输入部分二极管：12/24脉冲整流器输出部分IGCT：有源整流器IGCT：6脉冲3级VSI输出电压:3.0-3.3千伏最高输出频率:75赫兹（250赫兹）弱磁>6.25赫兹（最高1：5）特点及优点-整个转速范围内恒定的电网功率因数-优化的脉冲波形，最大限度地降低网络谐波（通过IGCT）-DTC（直接转矩控制）-无熔断器-通过共用直流母线的多变频器备选件-制动斩波器-定制电机类型感应电机及/或同步电机8.AC800MAC800M控制器是导轨安装式的模块化控制器，模块包括CPU，通讯模块，电CPU上有两源模块及附件。CPU模块以内存不同，是否支持冗余分成几类。每个工程师站管理站或高级应用。个以太网口用于连接操作站，两个以太网口可设置为冗余，用于提高系统可利用率。部设备或系统进行通信。控制器配置了两个RS232口，调试工具或与外在CPU模块旁可以添加一系列的通讯模块或I/O模块。例如：1）另加的RS-232C接口，可以使系统联接更多的外部系统或设备。2）ProfibusDP、DP/V1接口。使S800、S900I/O系统以远程I/O方式集成，HSE，可直接连接同时可支持市场上的符合Profibus的产品和设备。3）FoundationFieldbus接口，提供基金会现场总线的FF总线H1适配器。4）Masterbus300接口，支持AdvantOCS和ABBMaster系统。AC410/450及Masterpiece200的I/O系统。5）S100I/O接口，支持6）ABBINSUM接口，直接支持电气开关的控制和监视。7）I/O模块，S800I/O为AC800M的本地I/O站。以上这些连接方式和扩展选择使AC800M无比的开放和可扩展。非常容易与现实应用的各种系统、设备、接口相连接，用户可以根据不同需求，选择基本系统，或今后扩展以适应各种变化需求。9.S800I/O站S800I/O作为分布式过程接线，并可直接与传动系统连接，间及应用要求。I/O站，为模块化设计，经济、灵活、易于安装、其模块及接线端子可任意组合以适用与不同空功能描述S800I/O可通过ProfibusDP或ABBAF100现场总线实现与高一级控制系统的通信。同时可与ABB传动设备连接，模件状态由状态显示灯显示，通信模件周期扫描4~108ms.S800I/O具备全冗余功能，包括总线接口模件冗也可通过现场I/O模件，根据总线远程诊测。数据通过现场总下周期传输，模件类型扫描周期为

余，总线介质冗余，I/O模件冗余。S800I/O站组成每一个S800I/O站由以下模件组成。1或2个现场通信模件最多24个I/O模件可分为：--1个基本组--7个扩展组，每组最多特点12个I/O模件-可通过ProfibusDP/DPV1或AF100现场总线通信，支持冗余配置道状态显示灯易于错误诊断-每模件及通-全系列I/O模件类型，覆盖工厂应用范围-标准DIN导轨安装-支持电源及总线介质冗余，可无扰动切换-所有输出可强制或预设定-易于连接传动系统，降低通信延迟及节省费用-所有模件注塑成型，防护等级为-I/O模件通过机械锁定键与接线端子锁定-所有模件均可带电插拔IP20（IDC529）提供本质安全模件及HART通讯

DTC与矢量控制下面简单的介绍一下矢量控制算法（VC）与直接转矩控制（DTC）算法这两种控制方案的优缺点。一.矢量控制理论简介：70年代西门子工程师交流电机转矩控制问题。F.Blaschke首先提出异步电机矢量控制理论来解决矢量控制实现的基本原理是通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。量分解为产生磁场的电流分量具体是将异步电动机的定子电流矢(励磁电流)和产生转矩的电流分量(转矩电流)所以分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，称这种控制方式称为矢量控制方式。矢量控制方式又有基于转差频率控制的矢量控制方式、无速度传感器矢量控制方式和有速度传感器的矢量控制方式等。就可以将一台三相异步电机等效为直流电机来控制，这样因而获得与直流调速系统同样的静、动态性能。国际化大公司变频器上。矢量控制算法已被广泛地应用在siemens，AB，GE，Fuji等采用矢量控制方式的通用变频器不仅可在调速范围上与直流电动机相匹配，而且可以控制异步电动机产生的转矩。由于矢量控制方式所依据的是准确的被控异步电动机的参数，有的通用变频器在使用时需要准确地输入异步电动机的参数，有的通用变频器需要使用速度传感器和编码器。器中已经具备异步电动机参数自动检测、目前新型矢量控制通用变频自动辨识、自适应功能，带有这种功能的通用变频器在驱动异步电动机进行正常运转之前可以自动地对异步电动机的参数进行辨识，并根据辨识结果调整控制算法中的有关参数，从而对普通的异步电动机进行有效的矢量控制。二.直接转矩控制简介：在80年代中期，其思路是把电机和逆变器