高压变频器的性能指标之三输出波形质量包括输出谐波课件.ppt

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1、变频器初级培训教材,培训目标,了解电气传动的基本概念掌握变频器的基本工作原理和设备结构能初步理解变频器资料,目录,电气传动基础知识通用变频器的构成及简单工作原理完美无谐波系列高压变频器特点提高篇高压变频器设计理念春晓所用变频器硬件介绍,目录：,电气传动基础知识电气传动系统概述,定义 以交流（直流）电动机为动力拖动各种生产机械的系统我们称之为交流（直流）电气传动系统，也称交流（直流）电气拖动系统构成,中间传动机构,交流电源输入,终端机械,交流电机,直流调速装置,直流输出,皮带轮、齿轮箱等,风机、泵等,直流电机,交流调速装置,交流输出,执行机构,变频器,电气传动基础知识电气传动系统基本工作原理,电

2、力传动系统运动方程式,T电机转矩T负载转矩加速运行 T电机转矩T负载转矩减速运行 T电机转矩T负载转矩恒速运行,电机转矩控制性能是影响电气传动系统性能高低的最重要因素加减速时间和电机转矩、负载转矩以及系统惯量有关,T电机转矩T负载转矩,P电机功率,T电机转矩N电机速度K常数,变频器基础知识变频器及其特点,变频器 变频器是交流电气传动系统的一种,是将交流工频电源转换成电压、频率均可 变的适合交流电机调速的电力电子变换装置，英文简称VVVF(Variable Voltage Variable Frequency）变频器的控制对象 三相交流异步电机和三相交流同步电机，标准适配电机极数是2/4极,变频

3、调速的优势（与其它交流电机调速方式对比）,变频器基础知识变频器分类,注：交直交电压型变频器因结构简单，功率因素高，目前广泛使用常用设计功率在315KW,变频器基础知识简要工作原理,整流部分,储能环节,逆变部分,M,控制系统,交流,交流低压交直交通用变频器系统框图,直流,直流,交流,整流器：将交流电变换成直流的电力电子装置，其输入电压为正弦波，输入电流非 正弦，带有丰富的谐波逆变器：将直流电转换成交流电的电力电子装置，其输出电压为非正弦波，输出电 流近似正弦,变频器基础知识简要工作原理,单相逆变电路工作原理,S1,S3导通,S2,S4导通,S1,S3导通,S2,S4导通,S1,S3导通,S2,S

4、4导通,f1,f2,Ed,U1,逆变器的功能：通过改变开关管导通时间改变输出电压的频率通过改变开关管导通顺序改变输出电压的相序,变频器基础知识简要工作原理,S1,S4,S5,S2,S3,S6,U,V,Ed,W,561,UUV,UVW,UVW,612,123,234,345,456,561,612,三相逆变电路,Ed,缺点：输出电压的谐波分量太大电机谐波损耗增加，发热严重甚至烧坏电机转矩脉动较大，低速运行时影响转速的平稳直到从通信技术中采用PWM调制才大大的缓解了以上问题,电机,变频器基础知识简要工作原理,调制解调器 调制解调器 的英文是MODEM，其作用是利用模拟信号传输线路传输数字信号。电子

5、信号分两种，一种是“模拟信号”，一种是“数字信号”。我们使用的电话线路传输的是模拟信号，而PC机之间传输的是数字信号。所以当你想通过电话线把自己的电脑连入Internet时，就必须使用调制解调器来“翻译”两种不同的信号。连入Internet后，当PC机向Internet发送信息时，由于电话线传输的是模拟信号，所以必须要用调制解调器来把数字信号“翻译”成模拟信号，才能传送到Internet上，这个过程叫做“调制”。当PC机从Internet获取信息时，由于通过电话线从 Internet传来的信息都是模拟信号，所以PC机想要看懂它们，还必须借助调制解调器这个“翻译”,这个过程叫作“解调”。合起来就

6、是“调制解调”。,变频器基础知识简要工作原理,SPWM调制,PWM（Pulse Width Moduration）调制PWM调制是：利用半导体开关器件的导通和关断把直流电压调制成电压可变、频 率可变的电压脉冲列。SPWM调制是：采用三角波和正弦波相交获得的PWM波形直接控制各个开关可以得 到脉冲宽度和各脉冲间的占空比可变的呈正弦变化的输出脉冲电压电压，能获 得理想的控制效果：输出电流近似正弦载波频率必须高，才能保证调制后得到的波形与调制前效果相同GTR变频器由于开关频率太低，电机噪声较大，IGBT有效的解决了这个问题,罗宾康公司（品牌）历史ROBICON(罗宾康)公司成立于1964年。总部在美

7、国宾西法尼亚州。1994年，罗宾康制造出了世界上第一台电压源型完美无谐波的高压变频器。2005年7月份，SIEMENS公司成功收购ROBICON公司,西门子罗宾康完美无谐波系列变频器介绍,为什么采用高压变频器？,1.降低成本风机，水泵，压缩机的节能减少机械设备的维护费用延长机械设备的使用寿命2.改善过程控制提高产量增强适用性适于各种环境适用于重载启动恒转矩负载情况，比如皮带机3.在质量较差的电网系统启动大型电机消除电压波动减少冲击电流比降压启动器更大的启动力矩,西门子罗宾康完美无谐波系列变频器特点,18脉冲以上整流,正弦波输入，无需滤波器，输入谐波优于IEEE519-1992标准和国家标准GB

8、/T14549-93输入功率因数0.95以上，无需功率因数补偿器高压直接输出，高-高结构，没有升压变压器单元串联多电平PWM专利技术，完美正弦输出波形(无需输出滤波器)，适用国产普通电机内部干式变压器和功率单元模块化设计，维护方便矢量控制技术,恒转矩特性97%系统总体效率(包含变频器和变压器部分)体积最小的高压变频器,罗宾康完美无谐波系列高压变频器结构原理,A1,B1,C1,A2,B2,C2,A3,B3,C3,A4,B4,C4,A5,B5,C5,A6,B6,C6,motor,6kv 输出电压叠加示意图,高压大功率变频器的性能指标之一输入谐波,Fundamenta 基波,谐波就是无用和有害的电压

9、和电流，一般频率变化并且和基波叠加在一起。谐波产生于非线性负载，使得电流和电压不成比例。,3rd Harmonic3次谐波,谐波的危害,使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗,影响各种电器设备的正常工作引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电器测量仪表计量不准确。对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量；,对电压而言，就6KV和10KV电网要求电压总谐波不超过4%,GB/T14549-93国家标准,对电流而言，在基准短路容量为100MVA的条件下，对每次谐波电流的幅值提出了具体的要求，对6KV电网：2次谐波电流小于43A3次谐波电流小于34A4

10、次谐波电流小于21A5次谐波电流小于34A6次谐波电流小于14A各次谐波均方根值换算成百分比，也为4%左右。,消除输入谐波的有效方法,减少输入谐波的有效措施是将输入变压器进行多重化设计形成多脉冲整流。从理论上可以推导出下列结论：12脉冲整流：11次以下谐波自动抵销18脉冲整流：17次以下谐波自动抵销24脉冲整流：23次以下谐波自动抵销 30脉冲整流：29次以下谐波自动抵销36脉冲整流：35次以下谐波自动抵销 ROBICON完美无谐波高压变频器采取多重化有效消除输入谐波。以6KV变频器为例，采用30脉波的二极管整流电路结构,谐波量很少输入谐波远远小于规定的标准，在不用滤波器情况下一般在2%左右，

11、不会对电网产生影响。,高压变频器的性能指标之二输入功率因数,ROBICON完美无谐波高压变频器,输入功率因数大于0.95,高压变频器的性能指标之三输出波形质量,包括输出谐波、dv/dt、等指标。变频器输出波形与变频器逆变器的结构密切相关。变频器输出波形对电机的影响：输出谐波会引起电机的附加发热和转矩脉动。输出dv/dt和共模电压会影响电机的绝缘。,单元串联多电平移相式PWM电压源型逆变器-6kV系列,功率单元(power cell)结构,CELL 2单元2,COMPOSITE合成,dv/dt,三个单元输出的电压叠加,CELL 1单元 1,CELL 3单元3,ROBICON完美无谐波高压变频器的

12、可靠性,主回路结构简单明了，没有附加的输入输出滤波器、功率因素补偿器、升压变压器等附加电路采用广泛使用、驱动简单可靠的IGBT功率器件内部一体式干式变压器，绝缘等级为H级,电源变化对ROBICON完美无谐波变频器的影响,RIDE THROUGH VOLTAGE SAG OF-45%可承受-45%的电压下降RE-START INTO A MOTOR WHICH IS STILL SPINNING电机还在旋转的情况下可重新起动,全新的功率单元自动旁路系统,A5,A4,A3,A2,A1,B1,B2,B3,B4,B5,C1,C2,C3,C4,C5,VAC,VBA,VCB,A,B,120,TYP.,N,

13、o,所有功率单元正常工作,输出电压最大可达110额定电压,A6,C6,B6,3个功率单元被旁路时的情形,83%功率模块正常，但输出线电压不平衡,A3,A2,A1,B1,B2,B3,B4,B5,C1,C2,C3,C4,C5,VAC,VBA,VCB,A,B,C,120,TYP.,N,o,C6,B6,A3,A2,A1,B1,B2,B3,C1,C2,C3,VAC,VBA,VCB,A,B,C,120,TYP,N,o,3个单元故障后采用传统旁路的情形,83%功率单元正常，但仅能得到55额定输出电压,3个功率单元故障后采用中心点漂移技术时的情形,83%功率单元正常时，可以得到86额定输出电压,89,135.

14、5,135.5,o,o,o,A,B,C,VAC,VBA,VCB,A3,A2,A1,B1,B2,B3,B4,B5,C1,C2,C3,C4,C5,C6,B5,中心点漂移了,中性点偏移旁路方案输出电压（一个功率单元故障时）,对于6kV系列产品,采用中心点偏移的功率单元技术,在一个功率单元出现故障的情况下,输出电压能力(也对应于功率)为91.7%,ROBICON 6kV系列产品其输出能力为6.6kv,所以在任一个功率单元出现故障的情况下其输出电压能力为6.6kv*91.7%=6.05kv6kv还能输出满载,ROBICON完美无谐波系列变频器总结,正弦波输入，无需滤波器，输入谐波优于IEEE519-19

15、92标准和国家标准GB/T14549-93输入功率因数0.95以上，无需功率因数补偿器高压直接输出，高-高结构，没有升压变压器单元串联多电平PWM专利技术，完美正弦输出波形(无需输出滤波器)，适用国产普通电机内部干式变压器和功率单元模块化设计，维护方便矢量控制技术,恒转矩特性97%系统总体效率(包含变频器和变压器部分)可靠性极高,提高篇完美无谐波系列高压变频器的设计思路,低压变频技术突破,上世纪八十年代，绝缘栅型双极晶体管（IGBT）问世，使低电压的交流电机变频调速获长足发展。九十年代末全世界进入低电压变频器商业化应用阶段。人们自然想到，同样的原理应用到高压电机调速是否可行呢？,“高压”可照搬

16、“低压”？,低压变频器所用的元件IGBT所能耐受的电压是1200V至1800V，电压再高元件就会损坏。按照低压变频器所用的原理和电路，高压变频器所需的元件耐压是两万伏特以上，期待这种元件是不现实的。,紧赶赶上狼 慢赶狼赶上,如果是业内人士，你可能脱口而出：把二十个低耐压元件串联就够了！很对，这是电力电子行业的经典做法。事实上许多大型国际性电气公司和我国的研究院所都做了大量的工作，证明这是一个代价极高的方案。二十个棒小伙子，个子一样高，肩扛一根铁轨走在平坦的路上，每个人的负重能力是一百公斤，铁轨重两千公斤，有人指挥并且安排好左右腿交替方案。这种只有理论意义的设想，我们不敢将他付诸实际。如果一个小

17、伙打个趔趄，就会压垮全部小伙。但我们必须说明，这个设想的可行性高于二十个低耐压元件串联。,逞强自己被击垮 偷懒会击垮别人,先考察一个静态的情况：二十个棒小伙子肩扛一根铁轨站在平坦的路面。要求肩一样高，不许偷懒和逞强。二十个低耐压元件串联起来共同承受两万四千伏特的电压。每个分担一千二百伏电压，不可多担也不可少担。多担自己会击垮，少担会击垮别人。怎样才能不多担也不少担呢？要求每个元件自身的“内阻”一致。内阻类似小伙子们的素质。,动态的情况：二十个棒小伙子肩扛一根铁轨站在平坦的路面，然后协调一致的把铁轨“撂”在路面上。少顷，重新协调一致“扛”到肩上。二十个低耐压元件串联起来共同承受两万四千伏特的电压

18、。每个分担一千二百伏电压，不可多担也不可少担。然后，在统一的时间，各元件变阻抗为导通，变的速度要一致，变得快击垮别人，变的慢击垮自己。同样，少顷，由导通变为阻抗时，变的速度要一致，“扛”得快击垮自己，“扛”的慢击垮别人。怎样才能变的不快也不慢呢？要求每个元件的“内部电容”一致。这类似于小伙子们的敏捷程度。,“扛”得快击垮自己，“扛”的慢击垮别人；“撂”得快击垮别人，“撂”的慢击垮自己。,老化问题,元件从出炉到不断使用，性能会有所改变，经过一段时间后逐渐稳定下来。称为“老化”。就像小伙子们工作一段时间后表现出不同的心理和身体素质，需要调整工作团队。而元件进行这样的调整成本就太高了。通常是牺牲一些

19、有效工作寿命，老化完成后选配组合。,批次问题,通常同一批次的元件具有相近的参数，我们可以预留同批次元件作为更换备件，也意味着设备的高昂价格。,若忽略元件问题,“高压”可照搬“低压”？,即使忽略元件问题，“高压”也不可照搬“低压”！又将面临高压变频技术的另一座高山谐波。,什么是谐波？,现实中的波形是由基波和谐波合成的，对拖动电机起正面作用的是基波。谐波频率比基波频率高若干倍。可以想象，基波推动电机向前时，谐波以较高的频率一下向前、一下向后的作用电机，在很短的时间里推了一下又拉了一下，相当于在基波上叠加了一个震动。谐波还会带来额外的发热。我们不希望谐波出现，但如影随形，总是困扰着我们。如果“高压”

20、照搬“低压”谐波将是无法承受之痛。谐波带来什么危害？,电子云,原子由原子核、电子组成，电子围绕原子核高速运转形成球形的电子云，原子核与电子云的重心是重合的。当加上一个直流（左边正、右边负）电场之后，球形就变成了橄榄球形。原子核偏向了负电极（右），电子云偏向了正电极（左）。电场反过来（左负右正），原子核偏向左，电子云偏向右。,微波炉,如果电场交变起来，就是微波炉的原理。原子核与电子云相向对冲，一会向左一会向右，交变电场频率越高、摩擦越重、发热越甚，加热食品很是有效。但这个交变电场加到电机上，电机和电缆的绝缘物就被“烧熟”了，电机和电缆很快就坏了。,HVF,高压变频调速器,臭氧发生器,如果这个交变

21、电场中有空气就更严重了。其中的氧气会转化为臭氧。在原子核与电子云的摩擦中，三个O2变成两个O3。更令人瞠目结舌的是：电机有散热风扇，不断的将O2喂进来，将转化后的O3扇出去。电机成了效率极高的臭氧发生器。少量的臭氧可杀菌，清新空气，浓度高了就成了杀手。强氧化性，导致呼吸道和其他组织溃疡，我国劳动卫生法中对此有严格规定。,电机线圈发热,前面提到，谐波在很短的时间里把电机推一下又拉一下，没有起到正面作用，又增加了震动。且这个能量要在电机线圈中转化为热，减少电机寿命。这是谐波的又一“贡献”。,再忽略谐波，“高压”可照搬“低压”否？,仍然不可！低压变频技术原理 中采用脉冲宽度调制（PWM），元件开关次

22、数太高。,元件发热,元件希望导通时不承受电压；截止时不通过电流。这样电压乘电流为零，元件损耗很小。事实上元件不可能理想，有几个微秒功耗是很大的。比如一百安培乘五百伏特，达五十千瓦。这仅为一个元件的损耗。开关次数（频率）高到一定程度，将无法将产生的热散发出去，无法输出有用的功率，元件将很快烧毁。,元件寿命,即使没有元件发热的问题，开关次数（频率）高也要直面寿命问题。元件的材质是硅材料，属脆性，达疲劳极限就会损坏。开关次数差一百倍，寿命也差一百倍。,“经变压器降压，低压变频，再经变压器升压”可否？,西门子公司早期就是这一“高-低-高”方案。过渡性的满足了社会需求。存在的问题也很明显。,损耗大二百二

23、十五倍,就像高压输电损耗较小，采用高压电机也是为了减小损耗。如果又有了低压环节，比如将六千伏降为四百伏，要保持同样功率电流就要高十五倍，损耗是十五的平方倍。,HVF,高压变频调速器,前后变压器的麻烦,放大谐波，增加损耗。除元件不必串联外，其他问题无一不在。,总结,我们总结一下：希望存在一种方案：1、采用低耐压、参数正常分布元件。2、谐波很低。3、开关次数很低。4、无功耗加大环节。,选个对手,高压变频项目有四座大山，我应该从哪下手呢？采用普通元件的原理线路应该最关键。先试试再说。不知道发明学老师怎么说，我的做法是：如果这个条路走不通，另外三条路要分别试探一下。多角度试探，为了触发灵感。,触类旁通

24、,就像前面描述的，我通常要将选定的难题与一个自然中存在的类似的现象联系起来。看看类似的情况别人是怎样解决的，或可以怎样解决。普通元件串联就像普通的小伙子扛铁轨。几十个性情不一、素质不一的小伙子，同步扛起、放下一整根铁轨确实不易，怎样就容易了呢？苦恼了很多天。有一天，平平常常，脑中无望的唠叨：要是各自扛起一小段就好了！一小段就好了！把整根铁轨截成小段？,铁轨代表什么？,铁轨代表什么？,一人一小段就不必心理、身体素质一致，不必同步训练，可以独立完成作业。小伙子是元件，铁轨是什么？小段铁轨代表什么？几十段铁轨代表什么？整根铁轨代表什么？需要整根铁轨时怎么办？怎么接起来？,铁轨代表什么？,铁轨代表电源

25、，整根铁轨代表整个电源，小段铁轨代表一个分立的、独立的电源。许多独立电源合起来形成整个电源。开关元件导通时，独立电源被接入。开关元件关断时，独立电源被移走。这个开关元件就只承受这个独立电源的电压，这个开关元件的导通和关断也不影响其他的开关元件。,高压变频器最基本的元素,很快就画出了单元电路图，细长线、粗短线电池符号代表独立电源，串上开关，旁边并上一个二极管，方向同电源，开关断时二极管导通，给别的单元提供通路。这个简单电路被专家认定是高压变频器最基本的元素，虽然只能完成直流功能，但其他的事情已经不难了。,热冗余,当某单元故障，安排各相电压变形，保持输出不变。当某单元仅故障一部分时，其它部分仍可贡

26、献力量。比如一个IGBT击穿或断路（此类故障占全部故障90%），会影响半波输出，通过各相配合，另半波可输出，不必全单元退出。热冗余功能除提高了设备可靠性之外，可开发利用元件老化阶段价值。即元件不进行老化，直接进入运行。适当时间后更换缺陷元件。,变压器,前面提到需要把一个完整电源，切分成许多独立的单元。这个任务是由变压器完成的，移相多副边整流变压器。这种变压器副边较多，一个副边对应一个单元。如果每个输出相八个单元，三相共二十四个单元，就需二十四组副边。,移相,整流桥和电容的作用下各相电流只在很小的窗口时间流入单元。电容值越大，窗口越小。各单元全在这个小窗口时间取电流，总电流波形就会又窄又高。我们

27、已经知道这是高谐波的形态。我们把各单元的窗口错开一点，总电流的峰值被分散，总电流的窗口被扩展。可推导出当各单元电流一致时，均匀安排各单元窗口，总电流谐波最低。当各单元电流不一致时，确定窗口间隔变得异常复杂。这就是我们十分关注单元输出功率相等的原因,散热方式,早期，高压变频器所用变压器与通用变压器一样，从底部进风，顶部出风。我们想象一个与衣柜相当的立方体，底面积最小，侧面积次之，正面积最大。进深最短，柜宽次之，柜高最长。早期变压器就是从最小面积进风，经过最长距离，从最小面积出风。实测温度发现，变压器底部表温二十度，顶部表温八十度。,六度定理,温度升高六度，变压器寿命降低一半。假如设计温度是六十度

28、，六十六度时寿命为十年，七十二度时寿命为五年，七十八度时寿命仅为二点五年。不足二点五年顶部就要损坏了，底部完好也挡不住变压器整机损坏。,横向通风,采用横向通透结构，从最大面积进风，经过最短路径，从最大面积出风。实测表面温度：变压器各点温度从最低五十一度，到最高五十五度。理论分析通风效率提高了十倍以上。,网架结构及单元墙,在兴高采烈的气氛中有人提出：变压器通风效果这么好，把功率单元也挂在器身上吧！一不做二不休，设计了网架式支架，细密的结构件透着现代气息，又毫不阻拦进出的空气。功率单元插入支架，整齐的布成“单元阵”墙，俨然“军事装备”，透出威严。,春晓压缩机变频,隔离变压器,控制柜,功率模块柜,春晓压缩机变频器实物图,隔离变压器内部,春晓压缩机变频器实物图,控制柜内部,功率模块柜内部,春晓压缩机变频器实物图,变频器电源电路图,