变频功率单元范文（精选8篇）
变频功率单元 第1篇
级联高压变频器功率单元(简称功率单元)就其本质来说是一台单相3电平交-直-交变频器,其工作是在高压变频控制器控制下进行变频的,因此,功率单元需要接收变频控制器的控制指令,按照控制要求进行变频。另外,为了提高系统安全性,功率单元测控电路还需要监测运行电气参数,诊断运行状态。正常情况下,控制功率单元变频;异常情况下,自动发出保护动作,并上传故障信号。传统功率的单元测控电路选用CPLD作为信号处理元件,虽然数据处理速度快,但是逻辑处理功能相对简单,尤其不适合循环程序执行,通讯数据校验和纠错算法复杂,难以根据接收到的参数产生SPWM,而需要直接接收SPWM脉冲来进行变频,所以整个系统PWM分配需要由高压变频器控制器集中管理,系统安全性不高。而DSPIC30F4012是一款性能优良、资源丰富、功能强大、价格便宜的一款DSP,非常适合作为功率单元控制器,使用该芯片开发功率单元不需要直接接收PWM信号,只需要接收要求输出频率、载波频率、相位等参数就可以控制变频,简化了高压变频器控制器系统设计难度,完善了功率单元功能,缩短了开发周期,制造成本低,具有一定推广价值。
2 测控与保护要求
功率单元中的IGBT模块是变频器的主要部件,也是最昂贵的部件。由于它工作在高频、高压、大电流的状态是最容易损坏的部件。因此,功率单元测控电路十分重要。为此应做到以下几点。
1)缺相与过流故障属于严重故障,要求响应快,处理迅速,由硬件比较电路直接产生控制信号,控制故障锁定电路,接着由锁定电路产生两路信号输出,一路给IGBT驱动封锁驱动信号,另一路作为中断信号,请求中断服务。
2)超过压也属于严重故障,虽然一经出现,要求立即处理,但是超过压产生有个充电过程,外部中断较少,所以可以考虑使用软件实现。
3)欠电压、过载、温度高属于非严重故障,这些故障由测控电路对其实时监测,当超过限定极限值时,发出故障黄色报警信号,等待人工处理,如果没有得到及时处理,采用反时限动作保护,当故障消失或处理之后,自动恢复,继续运行。
4)控制功率单元滤波电容充电,当滤波电容经限流电阻充电达到正常工作电压90%时,自动打开SCR旁路限流电阻,实现滤波电容和直流母线直联。
5)充电完毕后,接收高压变频器控制器的下行控制信息,正常情况下,产生PWM驱动信号,控制功率单元变频;异常情况下,封锁IGBT,旁路功率单元。
3 功率单元测控电路功能框图
功率单元测控电路由5部分组成(如图1所示):故障监测、测控与保护、信号驱动、故障锁定、IGBT驱动。其中,测控与保护电路包括接收变频器控制器下发控制信息通讯端口,上传功率单元运行参数与故障保护动作种类通讯端口;监测电路检测电压、电流、温度,产生故障中断请求信号。正常情况下,由功率单元测控与保护电路接收高压变频器控制信号,监测工作电气参数,诊断单元故障,计算机脉冲宽度,输出IGBT PWM驱动信号,控制逆变;异常情况下,封锁IGBT,禁止逆变,上传故障信号,锁定电路接收比较电路输出故障信号,锁定故障信息,输出IGBT封锁信号,而锁定故障信息则可由测控与保护电路复位清除故障信息。
4 功率单元测控电路硬件设计
4.1 监测与保护
4.1.1 CPU选择
DSPIC30F4012是一款功能强大、性能优越、可靠性高的16 bit精简指令CPU,非常适合作为功率单元控制器。它主频高达40 MHz,指令执行速度可达30 MI/s,片上RAM 2kB,48kB flash,1kb EEPROM,3个外部中断接口,8个优先等级, 2个异步串口通讯接口,1个CAN通讯接口,9个10-bit A/D输入通道,6个可以手动设定PWM产生工作模式输出端口,可以产生对称方式、死区时间、周期为16-bit PWM, I/O拉电流/灌电流 25 mA,工作电源电压范围2.5～5.5 V。
4.1.2 测控电路设计
如图2所示,故障检测电路由2部分组成:3个缺相检测,1个过流检测。缺相检测原理是,输入电源电压经三相变压器降压后,再分别经过不同单相全桥整流后,输出给门槛电压检测电路,异常情况下,输出电压信号小于稳压管门槛电压,稳压管不能导通,光耦输出高电平,经或门后输出高电平,触发缺相中断请求;反之,在正常情况下,则不能中断请求。电流传感器采用直流电流传感器,输出信号为0～5 V,异常情况下,电流互感器输出电压信号,大于稳压管的击穿电压,稳压管击穿导通,光耦输出低电平,经或非门后,输出高电平,触发中断请求,反之,则不能触发过流中断请求。电压、电流检测则是经过隔离放大器后直接送到DSPIC30F4012的A/D转换端口进行检测。
4.1.3 控制信号收发
功率单元为强电部分,变频器控制器为弱电部分,两者在工作时必须进行隔离,光纤作为数据传输媒体,信息速率高、抗干扰能力强,可以实现功率单元与变频器控制板的电气隔离,因此,能较好满足需要。图3为数据收发光纤传送数据原理图。
4.1.4 SPWM发生电路
SPWM 由2个DSPIC30F4012 PWM输出端口产生,PWM有效电平为高电平,其中,一个端口输出前半周输出正极型PWM,后半周输出低电平,与之相反,另一个端口前半周输出低电平,后半周则输出正极型PWM脉冲。PWM产生周期为载波周期,占空比为功率单元输出电压脉宽,考虑到IGBT从导通到关断需要1 μs,所以,最小脉宽设置为1 μs,死区时间设置为1 μs。
4.2 驱动电路
IGBT驱动选用SD106AI-17驱动模块,该模块动态驱动能力强,隔离电压等级高达1 700 V,瞬间可以输出+15 V,12 A前沿陡峭的驱动信号,输入输出无延时,在打开IGBT瞬间可以向IGBT提供+15 V电压,快速开通IGBT,关断IGBT时可以向IGBT输入-15 V电压,迅速关断IGBT。
IGBT工作电流与集射极间电压为正相关,如果IGBT超过正常工作电流,其集射极间电压就会升高,反之则降低。SD106AI-17模块通过监测IGBT集射间的工作电压判定IGBT是否过流,如果过流SD106AI-17软关断IGBT,降低电流、电压变化率,防止di/dt 过高造成IGBT损坏。
4.3 隔离电源
隔离电源共需要5路。SD106AI-17驱动电压隔离等级较高,利用SD106AI-17 就可以实现IGBT上下半桥的隔离, 2路就可以满足使用,考虑到SD106AI-17在驱动IGBT打开瞬间需要输出很大驱动电流,以减少脉冲升降时间,提高IGBT开关速度,选用±15 V,5 A电源供电。隔离放大电路为选用1路+15 V,2 A电源供电,A/D转换参考电源与DSPIC30F4012工作电源互相隔离;选用 2路+5 V,2 A电源。
5 软件开发
5.1 软件功能模块与软件执行流程设计
功率单元测控软件主要包括初始化、预充电、人机交互、通讯、数据采集、故障诊断、中断服务, PWM脉宽计算等8个子程序模块,如图4所示。
初始化包括设置接口器件功能、屏蔽寄存器屏蔽位、中断寄存器优先级、清楚中断标志寄存器、设置定时器数值等内容。预充电过程是在装置上电初始化之后,封锁PWM输出信号,关闭晶闸管,由电阻限流充电,等到滤波电容电压升到500 V之后,打开晶闸管旁路充电电阻,接着修改状态标志,允许控制器输出PWM信号。
通讯程序包括2部分:接收部分和上传部分。接收部分有4个功能:1)接收电机启、停信号、载波频率、基波频率、相位、电网电压、输出电压幅值等参数;2)进行CRC校验;3)数据错误请求重发;4)数据正确,则修改接收参数历史数据。发送部分组装上传数据祯,发送数据,接到数据发送错误之后重新发送。
人机交互外设包括键盘和LED显示2部分,键盘可以设置初始化参数,可以修改过流、过压保护参数和报警延时时间;LED显示内容。数据采集包括采集电流、电压、温度信号,通过A/D转换将模拟信号转换为对应数字信号,然后再进行数字滤波,滤波之后进行标度变换,最后刷新电压电流历史数据。
PWM 脉宽计算程序负责计算PWM脉冲宽度。由于功率单元IGBT驱动信号采用对称规则采样法产生,不同功率单元输出PWM脉冲相位不同,相邻两个装置之间相差一个载波周期对应相位,功率单元具体相位计算如下:
θ=θ0+(I-1)×f/fz (1)
脉宽信号W由下式求得:
W=[U0 - U×sin(θ+K×120)]/U0 (2)
式中:θ为功率单元计算相位;θ0为接收到相位;f为功率单元PWM的调制频率;fz为PWM的载波频率;I为功率单元编号(功率单元编号为1～6); U0为电网电压;K为对应相编号(A相为0,B相为1,C相为2),sin θ通过查表算法获取对应的正弦值,由于正弦函数对称性可知,只需要一个0～90°和辅之正负判断逻辑就可以获取完整正弦数值,考虑到精度角度精确到0.10。
DSPIC30F4012自带其中3对互补PWM外设端口,只使用1对互补PWM输出端口,用接收到的载波周期作为PWM产生端口周期,用式(2)计算的W作为端口的占空比,一个端口前半周期输出PWM信号,后半周期输出低电平,与此相反,另一个端口前半周期输出低电平,后半周期输出PWM信号,即可产生IGBT驱动输入信号。
故障诊断用于在线判断功率单元是否过压、欠压、过载,采集到的电压、电流信号滤波之后与正常值比较,如果超出正常范围,则修改故障标志、依据偏差情况反时限设定报警持续时间。
故障保护在电源缺相、IGBT过流时,自动封锁PWM,并发出旁通信号,实现功率单元自动退出运行,等待人工处理,而在过压、欠压、过载报警时间超过设定最大持续时间限制,故障仍然没有消除,则与前者采取保护动作相同,如果没有超过最大限定时间,故障恢复,则自动消除报警,并清除故障标志。
5.2 软件功能模块管理
初始化、预充电程序模块顺序调用,通讯程序模块、PWM 脉宽计算,故障保护、数据采集、故障诊断、人机交互中断调用。系统上电之后,首先进行初始化、接着进行预充电,预充电完毕之后等待中断发生。其中,过流、缺相、IGBT驱动故障为重要故障,采用外部中断提高测控电路实时性,数据采集、故障诊断、PWM脉宽计算用定时器中断管理,通讯程序模块由数据收发中断管理,以上内容共涉及到3类中断,其中把外部过流、缺相中断设置为最高级别中断,数据收发为第2级中断,定时中断为第3级中断,参数设置为第4级高级别中断,可以中断低级别中断,提前得到中断服务。
6 实验结果
功率单元PWM采用对称规则采样方式产生,基波频率在0～50 Hz可调,图5为功率单元工作频率为50 Hz时,PWM波形和输出电压实验波型图(负载类型为纯阻性负载)。从图5可以看出,载波周期为0.00 125 s,最小脉冲宽度等于2 μs,整个PWM脉冲没有完全中心对称,但电压脉冲中间宽,两头窄,中心间距完全相同,每个周期脉冲数量最多相差1个,说明PWM采用异步调制,载波频率恒定不变,符合正弦调制规律,由规则采样法产生。另外,保护动作实验表明,IGBT过流时,SD106AI-17可以在4 μs关断IGBT,实现保护功能。总之,该波形规则,无残缺,无锯齿现象,保护动作可靠,完全符合应用要求。
7 结论
功率单元是高压变频器关键组成部分,工作在高电压大电流,电磁辐射严重环境,故障率往往较高。使用DSPIC30F4012作为功率单元测控电路信号处理器进行监测、保护与控制,使用SD106AI-17作为IGBT驱动信号功率放大与驱动可以满足要求,技术方案可行,具有推广价值。
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国产大功率交流变频调速装置的研究 第2篇
国产大功率交流变频调速装置的研究
随着电力电子技术、微电子技术以及现代控制理论的发展,大功率交流变频调速得到长足的发展,并在国民经济各领域广泛应用.例如在国防与交通领域,大功率交流变频调速是大型舰船电力推进、高速机车牵引和磁悬浮列车的`核心设备.在能源工业中,采用交流调速来驱动矿井提升机,西气东输和南
作 者：李崇坚 作者单位：冶金自动化研究设计院 刊 名：电气时代 英文刊名：ELECTRIC AGE 年，卷(期)： “”(5) 分类号： 关键词：变频功率单元 第3篇
1功率单元的结构
功率单元部分主要包括多个功率单元和一或多个单元冷却风机,功率单元部分如图1所示。输入侧由移相变压器二次侧绕组独立供电(690VAC),整流采用三相桥式二极管不可控整流,直流回路采用电容作为储能元件为逆变侧提供直流电压,逆变侧为采用IGBT开关器件的桥式逆变电路。每个功率单元有A、B两个输出端,级联时每相结构上任意两相邻的单元前面一个的A端与后面一个的B端相连接,串联输出高电压(相电压)。这种结构由于整流侧采用二极管不可控整流电路,不能四象限运行。但是级联数为N时,结合移相变压器可等效的构成6N脉波整流。从输出侧来看,输出相电压电平数为2N+1,线电压电平数为4N+1。输入、输出波形都十分接近正弦波,谐波含量少,du/dt小,不需要额外设计和增加滤波装置。当每相任意一个功率单元故障时,通过旁路接触器将故障功率单元“旁路”掉,因为每相中的单元均是串联的,所以将故障单元旁路后不影响变频器的电流容量。
设E为储能电容两端电压。单个功率单元模块输出有3个状态,分别是{E,0,-E}。N个功率单元级联后,可以输出的相电压状态有2N+1个,分别是{NE,(N-1)E,……0,……,-(N-1)E,-NE};可以输出的线电压状态有4N+1个,分别是{2NE,(2N-1)E,……0,……,-(2N-1)E,-2NE}。
2功率单元串联式结构和基本原理
单元串联式高压变频器的结构如图2所示。假设单个功率单元的输出电压为U1,将6个这样的功率单元串联可得到6U1单相电压,星形接法的线电压为×6U1,三相共有18个功率单元。
当变频器某相单元被旁路时(如图3中A相),输出电压将变得不平衡,功率单元的中性点与电动机的中性点发生了偏移,通过算法调整各功率单元电压的相位角,例如图3中∠COB由120°减小到110.8°,从而保持电动机三相线电压平衡。
3中性点漂移算法的分析
中性点漂移技术H桥功率单元级联型高压变频器的中性点并不与电机的中性点连接,是“浮动”的。功率单元旁路后,对各功率单元相位角重新调整,功率单元的中性点会离开原来位置,产生“漂移”现象。采用一定的算法处理后,可以在输出相电压不对称的情况下输出对称的线电压,这样就可以保证电机的正常运行。
图4为每相N个功率单元串联运行发生故障时的处理技术,即中性点漂移和线电压重新平衡的情况。
用[a,b,c]表示故障功率单元旁路后三相正常功率单元的个数分别为a、b、c。通过公式可求出不同情况下的α、β、γ、x、η,如表1。从表1中可以看出,随着[a,b,c]状态的变化,α、β和γ的值也发生了变化,也就是说中性点偏移了原来的位置。而随着故障功率单元数量的增加,输出的线电压也随之降低。
表1中分别模拟了4种故障情况:①A相一个功率单元故障,共一个功率单元故障;②A、C两相各一个功率单元故障,共两个功率单元故障;③A、C两相各一个功率单元故障,B相两个功率单元故障,共四个功率单元故障;4、A相、B相和C相分别故障2个、3个和1个功率单元,共六个功率单元故障。
在高压变频器调试中,通过人为拔掉通讯光缆模拟功率单元故障的情况。在故障发生250ms以内,高压变频器可自动重新输出电流继续工作,快速响应性和可靠性保证了电动机正常运行。
4结束语
功率单元级联型高压变频器中性点漂移技术,因为其每相中的单元均是串联的,所以将故障单元旁路后不影响变频器的电流容量,可靠地保证了电动机正常运行。本文通过对中性点漂移技术的分析,利用算法简单分析了功率单元发生故障时,高压变频器如何调整各相功率单元电压的相位角,使输出到电动机的三相线电压仍然维持平衡,从而让变频器能够以最优输出载荷继续运行。
参考文献
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中功率低压变频器调节中压电机转速 第4篇
中压电机调速另外一种方法就是晶闸管串级调速, 电机绕线异步机, 定子接中压电网, 转子绕组经滑环接调速装置。其特点是:转子电压低, 比定子侧变频调速容量及谐波大。则内反馈电机加晶闸管斩波串调。其特点是:在电机定子中加上一套辅助电源绕组, 把电机和电源变压器合为一体;加设晶闸管斩波, 提高了运行功率因数, 高速时达0.80左右。不足则是:除变流器外还需两台较大的直流电抗器;低速时功率因素仍低, 而风机和泵一般运行在于低速段。
转子变频调速, 把变频和串调相结合起来, 能确保留串调在转子侧变流带来的优点;又利用PWM电压型变频的优点, 除去了串调设备多和功率因数差的缺点。用20%PN左右的低压变频器调节大功率风机和泵用中压电机的装置, 且在高速时仍可输出100%PN。
1 转子变频的调速
转子变频调速即串级调速大量应用在大功率的风机和泵类的调速中, 先后经历了四个大的发展阶段, 经过分析和研究, 转子变频调速可以应用在交流大功率矿井提升机绕线电机中, 具有节能和可靠等优点。并展望了转子变频调速未来发展趋势。变频调速作为最有前途的调速方式之一, 已经得到越来越广泛的应用:包括定子侧变频和转子侧变频。对于定子侧低压研究和应用已日趋成熟, 而目前用的高压 (6k V或10 k V) 电机定子侧变频调速, 由于电压高、电流小, 因此不能采用大电流电力电子器件, 只能用许多小电流器件的并联。
转子变频调速主电路, 原理仍属斩波串调, 只是为IGBT电压型PWM逆变, 电机定子有两套绕组, 其中一套定子绕组直接接6.0k V或10.0k V中压电网, 另一套辅助电源绕组为变频器VF中的逆变器TI提供电源, 把来自转子的滑差能量回馈至定子, 故称其为内反馈电机。电机转子电压UR是低压, UR=S UR0, 电机UR0<1 0 00 V, 风机和泵要求调速范围为30%~40%, 因此UR<400V, 与之相联的变频器VF为380V低压变频器。
风机和泵只要求向下调速, 能量流的方向为从转子, 经VF至定子辅助绕组。变频器VF的接法与一般变频调速相反, 二极管整流桥接转子绕组, PWM逆变器TI输出接50Hz电源, 把直流母线电压UD变成固定频率和电压的交流电。电机转速变化时, 转子电压变化, 整流电压UDR随之变化, 但是TI要求直流母线电压固定, 故加设升压斩波器BC。设计TI的控制系统使其维持UD恒定UDR= (1-D) UD式中D为斩波器占空比通过改变D就可改变UDR, 从而实现了调速。D减小, UDR加大, 电机转速降低。
转子变频调速的特点是使用380V的低压变频器调节6.0k V或10.0k V中压电机转速和主电路设备简单, 整个调速装置就是一个带斩波的IGBT电压型变频器, 无其他大的设备。以及逆变器容量小。风机和泵的负载转矩与转速的二次方成比例。然后是运行功率因数高, 谐波小。
晶闸管串调系统的谐波由两部分组合而成:晶闸管逆变器产生的谐波, 通过定子辅助绕组影响电网, 这部分是主要的。转子侧二极管整流产生的谐波, 通过转子绕组, 经定子影响电网。但转子漏感大, 重叠角大, 谐波量猛减, 这部分对电网影响不大[3]。
改用IGBT逆变器后, 采用正弦波PWM调制, 输出电流为近似的正弦波, 逆变器容量小, 只有0.2PN~0.3PN, 所以它的谐波对电网影响不大。二极管整流产生的谐波对电网的影响还可以在不改变主电路前提下, 通过在控制电路中增加一有源滤波环节, 经TI消除。
2 电机的起动和旁路运行
旁路运行指在调速装置故障时, 去除掉调速装置, 电机接电网恒速运行, 这种运行方式对用户相当重要, 是确保安全生产的重要手段之一。中压直接变频调速正常起动比较容易, 频率从零调起即可, 起动平稳, 电流可限制在额定值以内。旁路工作时, 直接起动兆瓦级的异步机所形成的7.0~8.0倍的电流冲击对电网和高压断路器的影响较大。若电网容量小, 起动时母线压降大, 需要额外加起动装置。另外在高压侧进行旁路切换也是较繁杂。
晶闸管串调用绕线电机, 起动时在转子侧处加起动电阻或频率电阻, 起动力矩大, 电流小, 过程平稳。起动结束后, 除掉起动设备, 投入调速装置, 开关操作多, 可靠性受影响。串调的旁路较简易, 把转子输出端短路后, 就是一套恒速运行的绕线异步机, 并且低压操作。
转子变频系统, TI按转子输出最大功率Prm ax选取, 对于风机和泵, Pr ma x=0 1 5 P N出现在n=2/3n N处, 按0.2PN~0.3PN选取的TI允许转速从零调至n N, 不需要额外加起动设备。要旁路运行, 令斩波开关CS维持长通状态, 转子绕组通过整流桥DR和CS短路恒速运行。对于转子电压UR0<380V的电机这样做是非常合理的, 称其为紧凑型装置。对于UR0>3 8 0 V的电机, 起动初P r虽不大, 但转子电压太高, IGBT选1200V不够, 最好在起动时在转子和DR间串联频敏变阻器FR。斩波开关C S维持长通, 电机靠频敏电阻限流起动, 待起动至n>1/2n N后频敏变阻器经接触器K1短路, CS按斩波模式工作, IGBT的电压低, 线路和操作也较简单。旁路时, 先令CS长通, 电机转入恒速运行, 到能停车时, 手动合上刀。开关K2, 调速装置完全不工作。
3 结语
本文介绍的是一种大功率电机和泵用中压电机的调速方法, 其特点是用380V低压IGBT变频器调节6.0k V或10.0k V中压绕线电机转速。主电路简单, 除主频器外无其他大设备。逆变器容量小, 仅电机功率的20%~30%。运行功率因数高, 谐波小, 需使用绕线电机, 对已有笼型电机的改造项目有些不便, 这问题可通过收购废弃旧电机随着调速装置成套供应同样安装尺寸的新电机来解决, 这方面已经有不少实例和经验。鉴于各行业的大型企业中风机和泵类调速节能的巨大经济潜力, 调速节能改造势在必行。通过以上对比, 我们不难得出一个结论:和高压变频器相比, 大功率电机和泵用中压电机的调速方法, 转子变频调速系统在性能指标、节能效果, 资金投入、占地面积等各方面都具有明显优势, 是企业风机泵类调速的最佳方案。从用中功率低压变频器调节大功率风机和泵用中压电机转速我们得出一些经验与结论, 在以后的工作当中更加有效的结合实际情况来运用中功率低压变频器调节大功率中压电机转速, 带来更大的效率。
摘要：探讨的是一种新的用中功率低压变频器调节中压电机转速的方法, 采用中功率IGBT低压变频器调节大功率风机和泵用中压电机转速的方法转子变频调速。主电路简单, 无大变压器及电抗器, 运行功率因数高, 谐波小, 起动和旁路容易。从用中功率低压变频器调节大功率风机和泵用中压电机转速我们得出一些经验与结论, 在以后的工作当中更加有效的结合实际情况来运用中功率低压变频器调节大功率中压电机转速, 带来更大的效率。
关键词：大功率中压电机调速,中功率低压变频器,调速
参考文献
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变频功率单元 第5篇
1 变频器调速的基本原理
1.1 高压变频现场接线方式
如图1所示。
1.2 变频调速基本原理
按照电机学的基本原理, 电机的转速满足如下的关系式:
从式中看出, 电机的同步转速n0正比于电机的运行频率 (n0=60f/p) , 由于滑差s一般情况下比较小 (0∽0.05) , 电机的实际转速n约等于电机的同步转速n0, 所以调节了电机的供电频率f, 就能改变电机的实际转速。电机的滑差s和负载有关, 负载越大则滑差增加, 所以电机的实际转速还会随负载的增加而略有下降。
1.3 变频器工作原理
输入侧移相变压器将网侧高压变换为副边的多组低压, 各副边绕组在绕制时采用延边三角接法, 相互之间有一定的相位差, 这种多级移相叠加的整流方式, 消除了大部分由独立功率单元引起的谐波电流, 可以大大改善网侧的电流波形, 使变频器网侧电流近似为正弦波, 使其负载下的网侧功率因数达到0.95以上。
每个功率单元分别由输入变压器的一组副边供电。每个单元的U、V输出端子相互串接而成星型接法给电机供电。
每一个功率单元相当于一台交-直-交电压型单相低压变频器。
2 功率模块故障情况
2013年3月9日13:27分, 某火力发电厂#1机组准备开机, 在启动#2再循环水泵时高压变频器发生过流重故障跳闸, #2再循环水泵不能变频启动, 故障报文如表1所示。
由表1可以看出, 变频器启动中由于过流导致变频器故障跳闸。
3 功率模块故障分析
为了对该变频器故障进行判断, 检修人员首先对变频器内部进行了常规检查, 未发现任何可能过流的因素存在。然后对变频器进行远程开环试验, 以确认控制系统是否正常, 测试结果如表2所示。
经开环模拟测试, 初步判断变频器控制系统正常, 同时检查现场未发现再循环水泵倒转及出口门开启等现象, 根据多年来变频运行经验分析, 变频模块故障可能性较大, 针对如上情况, 对变频器进行空载升压测试。查找该变频器安装后首次试验报告如表3所示。
对变频器不带载升速至50Hz, 测试UAB=6.30V, UBC=6.20V, UCA=6.23V, 核对以上参数, 发现同C相相关的线电压均较低, 初步确认C相变频模块故障。
4 功率模块故障查找及处理
变频模块故障后, 根据变频器特点, 可以对其15只模块中的任意两只模块进行旁路, 再测试输出线电压是否均衡, 该方法测试时需对C相5只模块两两组合测试, 此方法对运行人员操作量极大, 容易造成误操作, 考虑到以上情况, 经过观察后先对C相3、4模块进行旁路, 经测试数据如下, 未能判断出故障模块, 鉴于以上诸多原因, 检修人员对每只模块直接测试空载50Hz时交流输出电压的方法进行判断。
判断方法如下:
断开变频器高压侧断路器, 断开负荷侧刀闸;
打开所有模块输出连接线;
变频器带电, 空载升压至50Hz;
测试每只模块输出电压 (注意:选择交流1000V万用表档进行测试, 防止人身触电) , 测试结果如表4所示, 通过测试可以直观判断C2、C3模块故障;
更换C2、C3模块, 再次进行空载升压试验, 测试结果见表5, 各模块输出电压基本平衡。
通过模块更换及空载升压试验合格, 启动变频器正常投运。如表4所示。
将所有模块打开后测试结果 (故障模块更换前) , 如表5所示。
将所有模块打开后测试结果 (故障模块更换后) , 如表6所示。
5 结论
通过本次高压变频模块故障的查找, 点检定修人员对变频器的日常维护有了较好的掌握, 为设备的稳定运行奠定了基础。通过多年来的高压变频器维护, 我们发现变频模块故障事件频发, 建议变频器生产厂家不断提高产品质量, 同时能够研发变频模块在线监测方法, 以便于变频器的维护。
参考文献
[1]北京利德华福电气技术公司.HARSVERT-A06/103.变频器使用手册[Z].
[2]哈尔滨九州电气.九州电气IPOWER变频技术手册[Z].2004.
变频功率单元 第6篇
集成门极换向晶闸管IGCT器件自问世以来以其导通压降小、无需过压吸收回路、控制简单可靠、开关速度快等诸多比GTO器件更为先进的性能指标,正在逐步取代GTO,成为当前中压兆瓦级电压型变频器的首选功率器件。两家国际知名电气公司ABB和SIEMENS都分别推出了各自的IGCT中压变频器产品,如ABB的ACS1000,ACS5000和ACS6000系列,SIEMENS早期的SIMOVERT ML2系列和现在的SM150和GM150系列。
2 ABB公司和SIEMENS公司的电压型中压变频器产品
ABB公司的电压型中压变频产品ACS1000,ACS5000和ACS6000均使用IGCT作为功率开关器件,且全部使用直接转矩控制(DTC)方案。这3个系列构成功率从小到大、电压从低到高的完整的产品系列。
ACS1000(ACS1000i)于1997年推出。ACS 1000主回路为中点钳位的三电平结构,输出线电压为5电平。空气冷却时最大输出为2 MV·A,水冷时最大为5 MV·A。输入为二极管整流,在整个速度范围内功率因数恒定。采用集成结构紧凑型设计,自带输出滤波器。
ACS5000是较新的产品,于2005年推出。ACS5000主回路结构为3个中点钳位的三电平H桥,每个输出相电压5电平,线电压9电平。输出电压6 kV(6.9 kV)空气冷却时最大输出为7 MV·A,水冷时最大为24 MV·A。输入为二极管36脉冲整流,在整个速度范围内功率因数恒定。采用模块化结构紧凑型设计。
ACS6000于1999年推出。ACS6000主回路结构为中点钳位的三电平,输出线电压为5电平。输出电压3 kV(3.3 kV),功率3～27 MV·A,水冷。ACS6000采用模块化结构设计,一套逆变器的功率为9 MV·A,可以3套直接并联起来构成27 MV·A的大功率逆变器。输入可以用二极管整流,也可以用一套IGCT三电平有源前端式整流模块,这种有源前端式整流模块主回路结构与IGCT三电平逆变器相同,与逆变器构成背靠背式、功率可以双向流动的4象限运行系统。此外模块化结构还使得ACS6000特别适用于用一个公共直流母线带几个逆变器的场合,例如可逆冷轧机。
SIEMENS公司的电压型中压变频产品原有基于高压IGBT的SIMOVERT MV系列和基于IGCT的SIMOVERT ML2系列。近年来推出GM150系列来代替原来的SIMOVERT MV系列,SM150系列来代替原来的SIMOVERT ML2系列。并在收购美国ROBICON公司后,以基于低压IGBT的完美无谐波系列产品作为GM150系列和SM150系列的补充。
SIMOVERT ML2系列是SIEMENS公司的第一代使用IGCT器件的中点钳位三电平变频器,首台产品于2001年前后进入国内,其单台功率为10 MV·A。SIMOVERT ML2系列产品的控制核心为SIMADYD-D,比较复杂,因此很快被升级到了新一代产品SM150和GM150。
SM150和GM150是SIEMENS公司的最新一代产品,首台产品于2005年中旬进入国内。GM150是使用二极管整流的变频器。GM150又分为HV-IGBT和IGCT两个版本,但两者的主回路都是用的中点钳位的三电平结构。SM150是带有源前端、可以4象限运行的高性能变频器,用的也是中点钳位的三电平结构。事实上,对SIMOVERT ML2来说,IGCT版的GM150和SM150主要是控制部分的较大改变,GM150控制核心使用了SINAMICS CU320控制器,SM150控制核心使用了SIMOTION D445控制器,功率部分基本上没有变化。其最大单台功率为10 MV·A,3台直接并联起来可构成28 MV·A的逆变器。GM150和SM150控制方式可以通过参数选择使用V/f、矢量控制(VC)或其他控制方式。SM150也可以构成一个公共直流母线带几个逆变器的系统。
3 ACS6000和IGCT版GM150主回路的比较
用二极管整流的ACS6000和IGCT版GM150的主回路都使用中点钳位的三电平结构,主开关元件都使用IGCT,输入整流器同为二极管,输出的电压和功率范围也非常相近。我们可通过这两个典型的装置来进一步了解两家公司产品的特点。ACS6000的主回路原理线路图见图1。
从图1中可以看出,ACS6000中三相逆变桥臂使用同一个用于di/dt抑制的钳位回路,这样减少了使用元器件的数量,使相模块结构简练。同时,出现短路故障情况下也比较容易实施保护。
GM150的主回路原理线路图见图2。
从图2中可以看出,GM150每相逆变桥臂使用单独的钳位回路,各相之间的互相影响被消除了。线路上分布电感的影响也相对减小。
4 ACS6000与SM150柜体结构特点
图3是一种水冷型ACS6000变频器的外形。其中①是二极管整流单元(LSU);②是终端单元(TEC)和控制单元(COU);③是包含3个功率单元的逆变单元(INU);④是滤波电容组单元(CBU);⑤是水冷系统单元(WCU)用于提供经过冷却的去离子水;⑥是功率单元。ACS6000变频器是模块化结构的,有各种不同功能的功能块(柜)可以选用,以便灵活地构成各种不同要求的变频、逆变系统。
从图3中我们看到,ACS6000的3个功率单元是竖立着放置的,显得结构紧凑、所占面积小。冷却水管功率单元在前面与位于柜体上、下的主干管相连,冷却水路简洁高效。
另外,ACS6000只有一组(两个)di/dt电抗器,装在逆变单元INU中。电抗器设计成圆柱形,在其端面上安装有快速短路检测单元FSCD。FSCD通过检测电抗器中磁通的大小及变化,监视电抗器中电流的情况。万一出现器件短路故障,能够迅速给出相应的信号。
图4是SIEMENS一种水冷型IGCT版的GM150变频器。其中①是二极管整流单元柜;②是SINAMICS控制器CU320;③是控制柜其后面是直流滤波电容;④是功率单元及由3组功率单元组成的逆变柜。
从图4中看到,GM150的3个功率单元是从上到下平行安装的,从电容来的功率母线(层叠母线)也是分成3组,分别从功率单元后与功率单元连接,给上、中、下3个功率单元供电。每组功率母线中有3个导电铜板+、NP、-,分别和滤波电容组的+、NP、-电位相连。
从图4中还可看到,GM150的di/dt限制电抗器是每个功率单元两个,分别装于功率单元的两侧。电抗器的形状也不是通常的螺线管而是圆饼形。这种水冷电抗器,用内壁镀镍的铜管绕成直径较小的螺线管,再盘成圆环状,形成圆截面环状螺线管,参见图5。这样设计的电抗器大部分磁力线通过环状螺线管闭合,有效减小了漏磁。为保证在可能的大电流冲击情况下不致损坏,采用整体灌封结构。
5 ACS6000与SM150功率单元结构的特点
功率单元是整个变频器的基础。SIEMENS GM150使用了一种特殊的水冷散热器,散热器由铝材经过精密加工焊接而成,保证散热器两散热面的水路离散热器表面足够近,水路密度大,分布均匀,从而使热阻尽可能小。这也是其逆变器的标称出力能够达到10 MV·A的原因之一。
GM150的功率单元参见图4。采用分别将4个IGCT、4个反并续流二极管、2个中点钳位二极管、2个di/dt限制回路的放电二极管分别与特制的散热器一起压装成平行的3串整体结构,3串中对应的功率器件均使用薄铜板作连接母线,将薄铜板压装在散热器和功率器件之间,压装示意图见图6。
图6中,①为散热器;②为功率器件;③为作为互连引线的薄铜板。这样安排减小了连接线路的杂散电感,省去了再使用螺钉连接的麻烦,同时也节省了空间,减小了体积。
ABB装置中使用的是不锈钢盘管外加铸铝制成的散热器。这种水冷散热器由于不锈钢管的引入,热阻相对大些。但这种散热器适宜批量生产,价格相对便宜。
图7是ACS6000的一个功率电子模块(PEBB)。使用上下两个U形钢板作挡板,中间用不锈钢管作支撑,不锈钢管两头有外螺纹,用大螺母将不锈钢管两头拧紧,形成一个框架。IGCT、反并联二极管和中点钳位二极管分别组成3串压于上、下两个U形钢板之间,成‘品’字形分布在框架中。这样3组管子两两之间距离相等,且距离尽量短,减小了分布参数。同时,不锈钢管也兼作为水冷散热器的进出水汇流管,使整个功率单元更加紧凑、简洁。
6 结束语
通过对两个典型的IGCT中压变频产品功率部分的分析,我们看到虽然都是采用同样的器件和同样的拓扑结构,但两大公司的产品在许多方面都各不相同,各有特色。值得我们仔细分析、学习借鉴。
参考文献
[1]SIEMENS AG.SI NAMICS GM150SI NAMICS GM150Me-dium-voltage Converters0.8MV.A to28MV.A Catalog D12[Z].SIEMENS,2006.
[2]ABB.ACS6000中压交流传动技术样本,样本3ABD00010934版本B[Z].2003.
变频功率单元 第7篇
1 设备使用情况简介
伴随着现代化综采工作面采煤新技术的应用, 工作运输设备装机功率逐代增加, 工作刮板输送机传动装置由较为先进的进口CST或TTT等可控液力耦合器取代了原有的传动系统。因为原有液压联轴节传动方式在现场使用过程中很难实现较大功率运输设备的使用, 并且双速电机驱动方式容易造成机械冲击和电气冲击, 易发生启动困难、跳链等安全事故。而采用CST和TTT类型的驱动方式配件费用高, 进货周期长, 严重制约综采工作面产能的释放。
梅花井煤矿1110204综采工作面走向长度为5千米左右, 如果刮板机维护不到位, 造成刮板机链条拉伸, 在生产过程中链条很容易过负荷拉断, 影响安全生产, 在选择使用了成套智能控制系统, 经过采用变频技术在综采工作面大功率装机输送设备上的使用, 很大程度上减少了工作面刮板输送机运行中的故障, 提高了工作面生产设备的有效开机率, 确保了安全生产。
传统的双速电机在正常启动时候, 对链条强烈冲击, 大功率刮板输送机在生产过程中负载量大, 运输距离长, 启动频繁且多为带载启动。受地质条件约束, 工作面运输设备现场条件差, 有时出现刮板输送机随时停机的现象, 在再次启动时造成刮板输送机链条受重载, 工作面刮板输送机在重载下启动困难, 容易造成启动不起来的现象。现场只能采用多次低速运行的方法启动设备, 容易造成烧毁电动机、断链、断齿等现象。更为严重的是, 长达220~250米的刮板输送机在重载时启动不了, 又不得不人工卸载, 极易造成停产或安全事故。采用多机驱动方式, 启动困难, 对刮板输送机冲击大, 尤其在高低速转换过程中出现速度阶跃变化, 有动力冲击现象。载荷的变化导致多机驱动系统中各电机负载分配失衡、负载震荡, 从而造成刮板输送机转动系统和链条组件中应力过大, 严重时甚至烧毁电机。
在综采工作面, 刮板输送机输送能力是决定综采工作面产能的重要设备之一, 为了提高综采工作面运输设备的运输能力, 就必须提高刮板输送机装机功率。在生产过程中, 刮板输送机故障是造成工作面停产的重要因素。采用变频技术可以大大缓解甚至于解决了传统双速电机的在现场使用中的很多问题。变频技术可实现大转矩启动设备、且起动及停车平稳等优点, 同时能够满足交流电动机任意负荷状况下的启停车, 从根本上解决了这一问题, 同时增加了设备的使用寿命。使用一根电缆, 各变频器之间自动调节, 实现多态电机功率平衡。
2 变频器技术的工作原理
交流异步电动机调速时, 一个重要的因素是希望保持电动机的电磁转矩不变。若要保持电磁转矩不变, 只有保持主磁通量?m为额定值不变。异步电动机的变频调速必须通过变频装置获得电压、频率均可调节的供电电源, 实现所谓的VVVF调速控制。
当前最广泛使用的交— 直—交变频器, 其基本结构由主电路和控制电路组成.
(1) 整流器:整流器又称电网侧变流器。 (2) 逆变器:逆变器又称负载侧变流器。 (3) 中间直流环节:中间直流环节和电动机之间有无功功率的交换, 这种无功能量要靠中间直流环节的储能元件 (电容或电感) 来缓冲。 (4) 控制电路:其主要任务是完成对逆变器的开关控制, 对整流器的电压控制以及完成各种保护功能等。
2.3 成套智能控制系统
成套智能控制系统对于保护电动机、避免对链条强烈冲击、实现设备平稳启动和可靠运行等起着至关重要的作用, 可以实现如下功能。
(1) 电站控制操作简单: 运输机开正反转和高低速不用在开关上调整, 直接在操作台就可以实现一键转换, 而且是在运行过程中, 直接切换。
(2) 调速范围大: 通过变频器频率可以实现刮板运输机的无极调速, 消除了调速过程中对刮板输送机机械部件的冲击。
(3) 维护容易: 由于采用变频技术能够容易的实现刮板运输机运行速度的控制, 通过控制刮板输送机的运行速度, 能够精确地控制运输设备的停止位置, 可以方便地检修设备故障点, 人眼能清楚看清反应刮板跳动螺丝松动等情况。
(4) 保护设备: 使用变频器后运输送机为匀加速启动, 启动时间较长, 运输机启动运行缓慢平稳, 在生产过程中很大程度上减小了刮板运输机的启动负荷, 刮板运输机整体传动系统所受载荷也响应的减小、刮板输送机机头、机尾电动机实现功率分配平衡, 机械故障有所降低, 提高了生产效率。
(5) 便于生产参数调整: 在生产过程中当运输机上煤量大时, 刮板运输机低速运行, 现场操作人员根据刮板输送机运输效率调整采煤机的速度, 实现工作面安全生产。正常情况下如果出现设备故障, 刮板输送机可以实现机头机尾单机运行、工频情况下直接启动和直接手动软启动, 大大提高了设备的有效运行, 更有利于煤矿的正常生产。
(6) 节约动力电缆: 现在正常的双速电机都需要两根电缆作为动力缆线, 而使用变频技术对电机进行控制则使用一根电缆, 按照梅花井矿综采工作面正常设备配置, 一套工作面设备一共可以节约1100米动力电缆。
(7) 节约能源:采用变频技术实现了对刮板输送机的调速控制, 均衡分配生产中的电机负荷, 节约了能源;通过电动机的软启动方式, 减少了设备的机械磨损, 节省了配件费用, 降低了生产成本。
3 变频技术在大功率刮板输送机上的应用
变频技术应用于大功率刮板输送机是一种新型的软启动技术。煤矿成套智能控制系统在梅花井综采工作面取得了较好的效果, 在使用的这几个月以来, 机械事故率极低, 效益十分明显, 最大产量达到月产56万吨, 而且刮板输送机的修维成本极低, 这样, 变频技术在煤炭生产设备上得到了广泛的应用。该文介绍了这种软启动技术相对于其它启动设备的一些优缺点, 但是这种技术的一系列关键技术问题还需要进一步加强, 这种系成套统软启动技术要成为一种真正在煤矿中实现具有实用性的方法, 还需要如下问题有待研究:
(1) 在综采工作面生产过程中, 受地质条件影响变频器在现场使用条件差, 受温度、湿度、煤尘等条件制约, 变频技术的应用受到一定的限制。由于隔爆箱体的应用, 导致变频器散热能力较差, 易出现高温老化, 影响使用寿命, 保护过于灵敏就会影响工作面的正常生产。
(2) 大功率变频器的使用会在电动机中定子绕组中有比较明显的电感, 而电感有持流作用, 因此变频器在实际生产过程中, 影响到其他设备运行质量。并且对供电电网产生一定的影响, 必须采取有效的防护措施解决之一问题。。
(3) 尚许考虑加载启动动态过程的实验验证与分析。
(4) 考虑对变频设备的反向冲击带来隐患的解决方法。
(5) 对电流—转速多机功率平衡方法向实用化发展的一系列具体问题还需要进一步研究。
参考文献
[1]张纯宪, 张纯, 沈宜民.变频器在综采工作面刮板输送机上的应用[J].商品与质量:工业技术, 2011 (10) :59.
[2]马树焕.刮板输送机驱动装置的控制技术及应用[J].防爆电机, 2010, 45 (2) :30-32.
[3]侯世英, 陈珊珊.变频器中直接电流控制策略应用分析[J].产业与科技论坛, 2013 (1) :66-67.
应用于大功率变频器的谐波测控装置 第8篇
变频调速技术是集自动控制、微电子、电力电子、通信等技术于一体的高科技技术, 变频器以其具有节能、可靠、高效的特点应用到了工业控制的各个领域中, 如变频调速在供水、风机空调设备、轮机、电梯、机床等方面的应用。但另一方面, 变频器所带来的谐波污染越来越不容忽视, 尤其是在大功率的变频调速系统中, 谐波问题日显突出, 电能质量下降, 给电网中设备的安全可靠运行带来了极大的危害, 同时也给常用工频测量仪表的使用带来了一系列的影响。
针对这种情况, 研制了一种谐波测控装置, 它可以对现场的谐波进行监测, 根据现场谐波状况对滤波器进行自动投切, 达到抑制谐波、改善电能质量的目的。
2 系统组成及基本原理
2.1 系统的硬件组成
该系统采用模块化结构, 由电压、电流传感器及信号调理模块、A/D转换模块、TMS320F2407DSP、I/O接口模块、复位电路、继电器模块、滤波器及人机对话模块等组成。
本系统硬件核心为TMS320F2407DSP芯片, 完成三相电压和电流信号的数据实时采集和数据处理以及控制功能。该芯片将实时信号处理能力和控制器外设功能集于一身, 适合于工业控制。其电源电压为3.3 V, 高达40MIPS的执行速度, 运算能力强。片内集成了32 K字的Flash程序存贮器, 544字的DARAM和2 K字的SARAM, 片内集成了看门狗, 提供多达16路模拟输入的10位A/D和高达40个可编程通用输入/输出引脚。具有低成本、低功耗、高速运算能力的优点。
为方便操作者使用, 设计了人机对话模块, 人机对话模块包括小键盘和液晶显示器。通过小键盘操作可控制选择滤波器及工作方式, 也可控制显示系统状态和谐波信息。液晶显示器可显示系统状态及电流电压波形。
如下图1为系统硬件结构框图。
2.2 基本原理
滤除谐波是解决问题的主要途径, 鉴于普通滤波器一般采用手动投切方式, 结果往往不精确、不及时。而且常规的谐波检测系统主要检测电压、电流等静态指标, 无法对其它实时量进行检测。根据系统故障诊断和继电保护装置对电能质量的要求, 谐波检测设备必须具备强大的数据运算能力、对突发事件预警与应急处理的能力。因此本文提出了嵌入式DSP谐波测控系统。
系统投入运行时, 从大功率变频器输入端线路中采集到的电流、电压经过交流变换后, 变为±5V范围内的电压信号, 经A/D转换后送入DSP内。DSP是整个测控部分的核心, 它利用测量到的电压电流信号, 分析、处理数据, 并综合从I/O模块中读入的各开关的位置信息, 及时发出滤波器控制命令。
3 软件分析与设计
软件设计方面, 利用MatLab软件对谐波分析算法进行仿真, 实现了一个简单实用的高精度谐波分析算法和各参数的计算方法。采用C语言和结构化的编程思想, 使得系统调试方便, 且易于维护。
3.1 谐波分析中的高精度快速傅立叶变换 (FFT) 算法
谐波分析采用FFT算法。FFT要求对周期信号进行同步采样。本装置采用软件同步采样方法, 由定时器中断来实现。首先测量电网电压的周期T, 以T除以每周采样点数N作为定时器的时间常数。若T/N不为整数, 其小数部分不能被定时器分辨, 可能使得实际采样周期出现误差。为消除这种误差, 每次采样数据后对T/N的小数部分累加一次, 当累积和达到1时, 相应变量值加1。为提高精度, 扩大谐波分析范围。本装置选取每周期采样点数N=60, 可得到31次以下的谐波幅值, 可以满足精度要求。
软件设计的核心就是对信号中的谐波分量进行分析, DSP在每个信号周期采样128个点, 基于这些采样点进行快速付里叶变换运算, 得到信号中谐波的含量。每次FFT运算前都会重新根据实际电网情况改变采样策略, 在几个周期内对电网频率的变化迅速反应, 这样可以提高测量精度和实时性。
3.2 FFT算法的实现
进行谐波分析目前有很多种算法, 比较典型的就是对信号加窗截取有限点后进行FFT变换, 得到各次谐波的大小和相位。而精度取决于所加窗函数的宽度和特性, 不同的窗函数具有不同的幅值特性和相位特性, 因此选择合适的窗函数是我们考虑的重点, 本设计中我们利用MATLAB进行仿真的基础上得出一种新的高精度的谐波分析算法, 即先加Blackman-Harris窗, 接下来做FFT, 然后做插值算法, 最后就可得到精度很高的各次谐波的频率、幅度和相位。
3.3 软件流程图
4 滤波器的设计
经谐波分析, 该谐波源主要为3, 5, 7次谐波, 还有一定的高次谐波。鉴于改造谐波源的结构以降低谐波电流的含量不易实现, 故采用补偿法抑制谐波, 具体使用LC滤波器。LC滤波器具有结构简单、设备投资少、运行可靠性高、运行费用较低等优点, 除起滤波作用外, 还可兼顾无功补偿的需要。
5 结论
分别使用本装置和准确度为0.1级的单相电参数分析仪对电网的单相电压进行谐波监测。表1给出本装置和单相电参数分析仪的谐波测量结果。
实验结果表明, 该谐波测控装置对大功率变频器输入端各次谐波的测量结果与采用电能参数测试仪所得结果十分接近, 并可及时投入 (或切除) 滤波器;滤波器滤波效果较好, 精度高, 是一种较理想的集谐波测量与滤波器控制于一体、通用性强的装置, 具有一定的推广价值。
参考文献
(1) 韩安荣.通用变频器及其应用 (M) .北京:机械工业出版社, 2000.
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