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1、单元串联多电平高压变频器原理,2013年03月15日,1,变频器SPWM控制,2,3,变频器V/f 控制及矢量控制原理,目录,变频器系统,4,变频器特殊功能,1,变频器系统,单元串联多电平高压变频器原理,主回路结构,1,- 1,串联多电平高压变频器采用直接“高-高”的变换形式，主回路主要由移相变压器、功率单元、主控系统构成，基本拓扑结构如图所示。 根据电压等级等条件，串联多电平变频器的级数可为4级、5级、6级、8级、9级、10级或12级、20级。,移相变压器,1,- 2,移相变压器的三个功能：降压；绝缘隔离；通过移相减小输入电流谐波。 移相变压器二次侧相邻两绕组的相位差为： 60 o /n ，
2、n 为串联级数。 变压器一次侧电流最低谐波电流次数为： n为串联级数。 功率单元串联级数 n 越多，即移相变压器二次侧绕组越多，对电网的谐波干扰越小。,功率单元的串联,1,-3-1,H桥结构中，功率单元主要由整流模块、电容滤波模块、逆变模块构成。 滤波电容器能够稳定直流电压，吸收变压器原边高压开关产生的脉动电流。,功率单元开关动作,1,-3-2,以6kV 8级系统为例，H桥结构中，用开关代替变频器功率单元逆变部分IGBT，逆变器输出+、0、- 共3种电压电平。,功率单元电压输出,1,-3-3,以6kV 8级系统为例，变频器功率单元的输出为-620V+620V，8级串联时相电压瞬时值为4960V
3、，线电压(有效值)为49603/2=6075V。,控制部分,1,- 4,控制部分主要由主控系统及光纤通讯系统组成，主要负责整机的快速保护、故障的快速诊断、变频器运行控制数据运算和输出。 外部接口与变频器主控系统进行数字及模拟量信号的传递。,2,变频器SPWM控制,单元串联多电平高压变频器基本原理,两电平载波型SPWM控制,2,- 1,PWM（Pulse Width Modulation）控制脉冲宽度调制，基本依据为面积等效原理。 载波型PWM控制方法，是把期望输出的波形作为调制波，把接受调制的波形作为载波，通过调制得到所期望的PWM波形。当调制波为正弦波时，就得到SPWM波形。 根据载波的不同
4、，可分为单极性调制和双极性调制。 在一个周期内得到除0电平外，、两种电平，所以称为两电平载波型SPWM控制。,水平移相SPWM技术,2,- 2,多电平载波型PWM控制是两电平载波PWM控制技术的扩展，目前大多采用水平移相SPWM技术和SPWM堆波技术。,水平移相SPWM技术： 两个功率单元载波互差180相位角，n个功率单元串联时，载波互差=360/n度相位角。 同相中每个功率单元的采样频率一致，每个单元均在进行SPWM控制。 每个单元IGBT开关损耗较大，但易实现。,SPWM堆波技术,2,- 3,变频器在任意时刻同相的每个单元输出电压并不相等，而是有满载输出、0输出、0满载输出电压三种情况，即
5、同相的每个单元并不都进行SPWM计算，有且仅有一个单元进行SPWM计算。 实际输出电压由串联多电平高压变频器功率单元的PWM波形决定, 公式为： 以6kV 8级系统为例，若功率单元最大输出电压为620V，目标电压为3000V时，由上述公式中得到 即有4级功率单元输出620V，其余3级输出为0V，剩余1级输出30006204=520V，即1级在进行PWM调制。,SPWM堆波技术,2,- 3,为了平衡开关损耗和导通损耗，在相同间隔时间内，每个单元循环进行SPWM调制，但任何时刻，每相只有一个单元在进行SPWM调制，其它单元输出620V或者0V。,该种堆波技术单元IGBT开关损耗较小，但控制较为复杂
6、。,3,变频器V/f 控制及矢量控制原理,单元串联多电平高压变频器基本原理,3,1,电机等效电路,电机等效电路图,对于交流异步电机，定子每相电动势有效值,Eg 气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值（V） f1 定子频率（Hz） Ns 定子每相绕组串联匝数 Kns 基波绕组系数 m 每极气隙磁通量，由定子和转子磁动势共同决定。 控制出发点：调速过程中保持每极磁通 等于额定值。,3,2,V/f 控制及矢量控制原理,感应电动势 不好检测，在忽略定子绕组漏磁阻抗压降的情况下，在额定频率以下调速时， （恒压频比控制方式） 在低频时 U1 和 Eg 都较小，定子阻抗压降所占的份量就比较显著，不再能忽略。
7、这时，需要人为地提高电压 U1，加入一定补偿提升转矩。,变频器控制的目的是控制电机输出转矩和转速。对电流I1进行矢量分解，分别控制电流及电压的转矩和励磁分量，保证每级磁通恒定的情况输出转矩恒定，转差小。（矢量控制方式）,矢量控制,V/f 控制框图,3,- 3,限幅模块：对输入的频率进行阈值限幅 S型升降速：在设定加减速时间范围内，平滑升降速 V/f曲线生成：对于给定的f进行对应的电压V计算 PWM调制：根据计算电压V及 输出PWM脉宽值 电流检测模块：根据电流实时值计算，过载时封锁PWM波形,开环前馈型矢量控制框图,3,- 4,该算法主要包括五个模块： 坐标变换模块，主要完成定子电流从三相到两
8、相旋转坐标系的变换。 PI调节器和同步转速的获得模块，主要通过速度PI调节器的控制来获得同步转速。 转子磁链矢量位置模块，可得到转子磁链的矢量位置。 转矩电压、励磁电压计算模块，其目的为得到两相旋转坐标系下的控制电压。 电压变换模块，输出控制电机运行的三相电压。,3,5-1,无速度传感器矢量控制框图,无速度传感器矢量控制的功能,3,-5-2,为了提升变频器输出电压，变频器根据IGBT死区时间，在程序中增加死区补偿。 当运行中，电流出现较大波动时，适当补偿转速给定，使输出电流平稳，这种功能也叫乱调抑制功能。,运行中，若变频器输出电流过大，则适当降低频率，使输出电流减小，不致于变频器跳闸，实现挖土
9、机特性。这种功能也叫过负荷抑制功能。,无速度传感器矢量控制的功能,3,-5-2,滑差补偿功能 异步电机要产生电磁转矩，需一定的转差s，在额定转速下，s大约在3%左右，那么它的影响可以忽略。随着同步频率的下降，s将越来越大；并且当同步频率低到一定程度时电机可能会带不动负载而停止转动，因而有必要进行转差补偿，提高电机的机械特性的硬度。,4,变频器特殊功能,单元串联多电平高压变频器基本原理,功率单元智能旁路功能,4,- 1,单元旁路功能是一种快速地、自动地切除出现故障单元而保证系统继续正常运行（或减额运行）的方法 当功率单元出现故障时，主控系统对各种信号协调，用最短时间将出现故障的功率单元进行旁路切
10、除 主控系统通过改变算法，重新计算输出波形，保持输出电压波形的完整 由于变频器具有最大1.154倍的电压提升，单元旁路后，变频器仍能最大限度的保证输出电压不下降,瞬时停电再起动功能,4,- 2,瞬停功能是指在主电源发生短时失电或欠压后，变频器能够不停机，当电源恢复时重新投入工作的功能 根据主控系统不同，实现瞬停功能有两种方式： 检测残压方式，该种方式需要增加瞬停检测板、PT，能准确搜索电机频率，再起动时冲击电流小，实现简单。 发送特殊电压检测频率相位方式，该种方式能准确搜索电机频率和相位，再起动时无冲击电流，实现复杂。,检测残压方式的瞬停功能,4,-2-1,当系统主电源消失后，瞬停检测板通过移
11、相变压器三次绕组在10ms内检测到高压失电，使变频器进入瞬停状态。 当系统主电源重新恢复时，瞬停板检测到高压信号后，使主控进入来电状态，主控开始通过瞬停板检测电机残压信号，并用适当的电压和频率重新带动电机恢复到停电前的状态。,发送特殊电压方式的瞬停功能,4,-2-2,当系统主电源消失后，主控基板通过移相变压器三次绕组检测到高压失电，使变频器进入瞬停状态。 当系统主电源重新恢复时，主控基板检测到高压信号后，发送特殊波形搜索处于自由旋转状态电机的频率和相位，准确拖动电机重新运行。,旋转再起动功能,4,- 3,当变频器故障跳闸后，若已排除故障，而风机等大转动惯量负载停机需要很长时间，此时变频器如使能
12、旋转再起动功能，可以按运行命令后，搜索到处于自由旋转状态的电机的转速，重新拖动电机运行。 实现机理基于瞬时停电再起动技术。,工变自动切换功能,4,- 4,工变切换是指在变频器发生故障后，自动切换到工频运行，在变频器具备运行条件后，自动从工频切换为变频的功能，其主回路如下图,直流制动功能,4,- 5,为了防止风机在起动前的“爬行”现象，减小起动时过电流，变频器设置直流制动功能后，会发送一段时间直流电压，使电机停止后再开始起动。,直流制动的功能预置,直流制动电流波形,同期并网功能,4,- 6,同期并网功能是为大型电动机软启动设计的，它基于变频器自身的传感器系统，应用全数字化锁相环技术，实时针对电网电压进行频率、相位的精确跟随，精度高响应快，使变频器输出同电网同频同相，并网时对电动机基本无冲击。,同期并网时序,直流制动电流波形,同期并网波形,