講稿-大功率問題及思考-2

1、大功率變頻調(diào)速的問題大功率變頻調(diào)速的問題及思考及思考概述概述大功率變頻調(diào)速應(yīng)用多年，還有什么不足及尚可改進(jìn)之處？大功率變頻調(diào)速應(yīng)用多年，還有什么不足及尚可改進(jìn)之處？ H橋級聯(lián)變頻器(HBC)應(yīng)用最廣泛，但存在下列不足： 浮空整流電源數(shù)太多，常用二極管整流，不能回饋； 多繞組移相變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、龐大、昂貴； 直流貯能電容數(shù)量多、容量大、分散，影響可靠性。 三電平中點(diǎn)鉗位變頻器(NPC)在國外應(yīng)用廣泛，國內(nèi)不及HBC，原因及不足： 輸出電壓10%)， 變壓器漏抗(5-6%)不夠，需 用LCL濾波及加串電抗； 3N套PWM整流控制麻煩。如何簡化回饋主電路及控制？2. IGBT整流整流/回饋電源回饋電

2、源 西門子公司在其低壓變頻系列產(chǎn)品中推出一種新整流/回饋單元 IGBT整流/回饋電源，其性能和價(jià)格都位于二極管整流和AFE之間，把它用于H橋功率單元的整流可解決上述問題。 它的主電路與AFE相同， 都是三相兩電平IGBT橋， 網(wǎng)側(cè)不需 LCL濾波，且 電抗Xi小(4%)。 IGBT整流/回饋特點(diǎn)： 不用PWM，一個(gè)電源周期中每個(gè)IGBT 只導(dǎo)通和關(guān)斷一次，在自然換流點(diǎn)(a =0 處)開始導(dǎo)通，持續(xù)120后關(guān)斷。進(jìn)線 交流電壓Ud 時(shí)，電流經(jīng)二極管從交流 電源流向直流母線整流；當(dāng)進(jìn)線交 流電壓0時(shí)環(huán)流icx,dm與共模電壓ucm同相， 在ix21后，同步和異步調(diào)制差別不大，仍用異步調(diào)制。B.選用

3、優(yōu)化PWM策略 選次最優(yōu)PWM 6，它是最優(yōu)PWM的近似，可以用載波法在線實(shí)現(xiàn)。 在與載波比較的正弦調(diào)制電壓中加入幅值為0.25的3倍頻偏置電壓 (通常 3倍頻偏置電壓的幅值為0.17，只能增加逆變器輸出電壓，不能減小諧波) 次最優(yōu)PWM與常規(guī)對稱和非對稱PWM比較 FR=9 FR=15 次最優(yōu)PWM與消諧和最優(yōu)(諧波最小)PWM比較 FR=9 FR=15C. 生成載波 快速系統(tǒng)要求逆變器輸出電壓基波頻率、幅值和相位隨時(shí)不斷變化，為實(shí)現(xiàn)同步對稱，要求載波與基波同步、對正，且隨之不斷變化。 逆變器三相輸出電壓基波用電壓空間矢量u來描述，在基波頻率、幅值和相位變化時(shí)，u不斷改變位置、角速度和幅值，

4、但下式不變。 把載波的自變量從時(shí)間t改為相位 角qu ，且在qu=0時(shí)位于三角波頂 點(diǎn)，則無論電壓頻率、幅值和相 位如何變化，都能同步對稱。 在FR不變時(shí)載波波形固定不變。/3)2cos(/3)2-cos(cosqqquoTuoSuoRuuuuuu 相角qu*來自數(shù)字矢量控制系統(tǒng)輸出，是離散量，為構(gòu)造載波，需要它是連續(xù)量，為此引入鎖相環(huán)。鎖相環(huán)輸出qu.L =qu*=qu 是連續(xù)量。 在矢量控制系統(tǒng)中，頻率跟隨電機(jī)轉(zhuǎn)速變化，不會(huì)快速變化，鎖相環(huán)能在頻率變化時(shí)維持qu.L =qu*。 在電機(jī)轉(zhuǎn)矩快速變化時(shí)，qu*也快速變化，完成鎖相需要時(shí)間，可能會(huì)在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)qu.L qu*情況，載波和基波沒

5、對正，不影響PWM工作*。 載波和基波沒對正時(shí)，和異步調(diào)制一樣，也能實(shí)現(xiàn)逆變器三相實(shí)際輸出電壓在一個(gè)PWM調(diào)制周期內(nèi)的平均值等于給定值，qu=qu* ，不影響快速性。同步對稱和諧波都是對基波周期而言，幾個(gè)調(diào)制周期的波形變化談不上同步對稱及諧波。鎖相環(huán)的鎖相過程是逐步漸近進(jìn)行的，期間三角載波波形連續(xù)，無任何突變，不會(huì)給系統(tǒng)帶來沖擊。D. FR的平穩(wěn)切換 采用分段同步后，需在基波頻率變化到分段值時(shí)切換FR值。 FR = 9或15或21，是3的奇整倍數(shù)，在相 位角qu.L=0，2/3，4/3時(shí)，三種載波的 瞬時(shí)值相同，都處于三角波的同樣頂點(diǎn)， 在這時(shí)刻切換FR不會(huì)帶來突變。E. 異步調(diào)制和同步調(diào)制的

6、平穩(wěn)過渡 低頻異步調(diào)制時(shí)，PWM調(diào)制頻率固定，載波的相位角和基波相位角間無任何關(guān)系。當(dāng)頻率f1升至異步和同步轉(zhuǎn)換頻率時(shí)，若馬上轉(zhuǎn)入同步調(diào)制，載波的頻率和相位都要突然改變，將給系統(tǒng)帶來沖擊。 平穩(wěn)過渡的辦法接通(同步調(diào)制)和斷開 (異步調(diào)制) 鎖相環(huán)反饋。F. 調(diào)節(jié)系統(tǒng)的修改 從載波發(fā)出中斷信號，起動(dòng)變步長的采樣和計(jì)算； 所有與時(shí)間有關(guān)計(jì)算的步長從時(shí)間變?yōu)榻嵌?引入基波角頻率)。 大型變頻調(diào)速風(fēng)機(jī)的軸扭振問題大型變頻調(diào)速風(fēng)機(jī)的軸扭振問題1. 事故情況事故情況 發(fā)電廠大型風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)速可節(jié)約大量電能，是效益最明顯的節(jié)能措施之一。 部分大型調(diào)速風(fēng)機(jī)在運(yùn)行一段時(shí)間后出現(xiàn)軸系(電機(jī)軸或風(fēng)機(jī)軸或聯(lián)軸器)

7、損壞重大事故。情況： 非個(gè)例，具有一定普遍性。 據(jù)風(fēng)機(jī)廠和事故電廠調(diào)查，事故率約20。表明不是設(shè)備質(zhì)量問題。 電網(wǎng)直接供電恒速傳動(dòng)無問題，事故都出在改用變頻調(diào)速后，表明與變頻有關(guān)。 事故斷面檢查結(jié)果為交變扭轉(zhuǎn)應(yīng)力破壞(疲勞)，估計(jì)是軸扭振所致。 變頻器的控制系統(tǒng)都是開環(huán)V/F控制，不存在轉(zhuǎn)速閉環(huán)導(dǎo)致扭振問題。 使用的變頻器都是所謂“完美無諧波”變頻器，輸出諧波不大。 設(shè)置多個(gè)“跳頻”點(diǎn)也無用，估計(jì)激發(fā)軸扭振的轉(zhuǎn)速范圍較寬。 出現(xiàn)破壞性扭振時(shí)，雖然軸中那么大的扭曲轉(zhuǎn)矩，可是電機(jī)電流波動(dòng)不大，示波圖中只有較小電流波動(dòng)(10-20)，事故無明顯前兆。巨大的扭曲轉(zhuǎn)矩和能量來自何處？2. 美國某煉油廠的

8、調(diào)速風(fēng)機(jī)事故分析美國某煉油廠的調(diào)速風(fēng)機(jī)事故分析 7美國某煉油廠一臺變頻調(diào)速引風(fēng)機(jī)的聯(lián)軸器多次損壞，以為是普通機(jī)械故障，做了一個(gè)大聯(lián)軸器，安全余量從3提高到15，運(yùn)行不到一個(gè)月聯(lián)軸器沒壞，但電機(jī)軸出現(xiàn)45裂縫，系典型的扭振損傷，于是做了許多測量和分析。 (該案例已被引入Rockwell公司系統(tǒng)設(shè)計(jì)指導(dǎo)文件) 8 電機(jī)參數(shù)： 500hp， 60Hz， 1195r/min， 26,370in-lb (英寸-磅) 。 變頻器：兩電平低壓 交-直-交(Rockwell產(chǎn)品)試驗(yàn)1. 冷風(fēng)，電機(jī)緩慢升速至910r/min 在95和570r/min(4.75和28.5Hz) 處有大幅轉(zhuǎn)矩振蕩，由基波和 6次

9、諧波產(chǎn)生。 在640-910r/min(32-45.5Hz)范 圍內(nèi)均有大幅轉(zhuǎn)矩振蕩，由 諧波產(chǎn)生。 所有轉(zhuǎn)速的振蕩頻率都是固 有共振頻率28.5Hz 。 表明，變頻器輸出諧波頻帶寬，在很大調(diào)速范圍內(nèi)都能激勵(lì)產(chǎn)生扭振，“跳頻”不解決問題。 試驗(yàn)2. 冷風(fēng)，減小進(jìn)風(fēng)量，轉(zhuǎn)速升至額定1197 r/min(60Hz)后穩(wěn)定運(yùn)行 雖變頻器輸出頻率固定在 電網(wǎng)頻率，其諧波仍激勵(lì) 產(chǎn)生28.5Hz(共振頻率)的 大幅轉(zhuǎn)矩振蕩。 這時(shí)，電機(jī)電流無明顯歧 變，幅值波動(dòng)不大(20) ，不易察覺。 表明，扭振的能量主要在軸系內(nèi)部交換，只有少量從外部通過電機(jī)補(bǔ)充。試驗(yàn)3. “旁路”變頻器試驗(yàn) 在196秒前，電機(jī)由變

10、頻器 帶著緩慢加速，軸轉(zhuǎn)矩大幅 振蕩；在196至198.7秒期間， 變頻器切除；在198.7秒后， 電機(jī)接電網(wǎng)，再加速至額定 轉(zhuǎn)速后，軸轉(zhuǎn)矩振蕩幅值減 至電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的10。 表明，軸扭振來自變頻器。試驗(yàn)4. 普遍性試驗(yàn) 在這工廠中還有一臺變頻調(diào)速風(fēng)機(jī)，它的電機(jī)和變頻器與事故風(fēng)機(jī)相同，其軸系一直沒壞。為弄清事故風(fēng)機(jī)軸系故障是個(gè)別案例，還是具有普遍性，他們對這臺無故障的風(fēng)機(jī)軸系也進(jìn)行同樣測試。試驗(yàn)結(jié)果表明，這臺無故障風(fēng)機(jī)的軸系和事故風(fēng)機(jī)一樣，也存在不尋常的高幅值扭振，只是由于工作于不同轉(zhuǎn)速，沒產(chǎn)生破壞性扭振，同樣處于危險(xiǎn)狀態(tài)。 表明，軸扭振普遍存在，僅強(qiáng)烈程度不同。試驗(yàn)5. 控制系統(tǒng)對比試驗(yàn) 開

11、環(huán)V/F控制和矢量控制兩種系統(tǒng)激勵(lì)的軸扭振沒多大差別。3. 扭振分析扭振分析 在風(fēng)機(jī)中，電機(jī)通過一根細(xì)長軸驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)，構(gòu)成兩質(zhì)量系統(tǒng)。 特點(diǎn)，電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的角速度w r和轉(zhuǎn)角q r與風(fēng)機(jī)的角速度w f 和轉(zhuǎn)角q f不同。軸傳遞的轉(zhuǎn)矩Ts與轉(zhuǎn)角差(q r- q f)成比例 由此，從電磁轉(zhuǎn)矩Tm至軸轉(zhuǎn)矩Ts的傳遞函數(shù)frsfrsssKKTwwqqssfmfmfmfsmsKsDsJJJJJJJKTT21 式中：Ks是軸的彈性系數(shù)； Ds是軸的阻尼系數(shù)； Jm和Jf 是電機(jī)和風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。它是二階振蕩環(huán)節(jié)，諧振頻率為諧振時(shí)，轉(zhuǎn)矩放大倍數(shù)(Ts與Tm幅值之比)As為代入煉油廠實(shí)例參數(shù)，得 fr=28.6

12、Hz (與測試結(jié)果相符)， As=50.3 (34db)， 表明只要電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩中有2的fr諧波，便可激發(fā)出100的軸轉(zhuǎn)矩振蕩。12mfrsmfJJfKJ JfmfssosJJJKDfA21軸系等效電路諧振時(shí)，能量在電感和電容中交換，外部輸入不大。相應(yīng)，軸扭振時(shí)，軸的彈性勢能和轉(zhuǎn)動(dòng)物體的動(dòng)能在交換，需要的外部激勵(lì)轉(zhuǎn)矩不大，這是電動(dòng)機(jī)電流波動(dòng)不大，事故無明顯前兆的原因。在設(shè)計(jì)扭振抑制電路時(shí)需注意，諧振時(shí)Ts與Tm相差90(諧振頻率)。4. 扭振對策扭振對策 軋機(jī)傳動(dòng)也出過扭振事故，它是由于采用電力電子變流后，轉(zhuǎn)速環(huán)頻帶展寬，復(fù)蓋了諧振頻率(fr)所致，解決辦法是引入陷波濾波，切斷 fr信號的反饋

13、通道。 風(fēng)機(jī)傳動(dòng)多用開環(huán)V/F控制，控制信號本身干凈，陷波濾波無用。它的扭振由變頻器輸出諧波產(chǎn)生，解決辦法宜從兩方面入手： 減小變頻器輸出諧波；在控制系統(tǒng)中引入抑制環(huán)節(jié)。A.減小變頻器輸出諧波 在煉油廠實(shí)例中，Rockwell公司采用4項(xiàng)措施來減小諧波： a) 采樣和數(shù)據(jù)更新周期從每開關(guān)周期1次改為2次； b) “死時(shí)”補(bǔ)償?shù)挠?jì)算從每開關(guān)周期1次改為2次 ； c) 直流母線電壓補(bǔ)償用的直流母線電壓信號從非線性濾波改為取平均值。 d) 直流電抗器從飽和型改為不飽和型。采用上述措施后，轉(zhuǎn)矩振蕩幅值減小至可接受值。B. 在控制系統(tǒng)中引入抑制環(huán)節(jié) 檢測振蕩信號，微調(diào)變頻器輸出抑制扭振。 振蕩信號檢測：

14、 軸轉(zhuǎn)矩Ts的振蕩，難在現(xiàn)場直接實(shí)時(shí)測量，但會(huì)在電機(jī)軸轉(zhuǎn)矩Tm中有反映，可借助轉(zhuǎn)矩觀測器用電機(jī)電壓、電流信號計(jì)算Tm (與VC或DTC系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩觀測相同)，間接了解Ts。注意，在總轉(zhuǎn)矩信號Tm中，諧振分量所占比例不大，加之總Tm中還有其它諧波成分，因此宜用諧振濾波或諧振調(diào)節(jié)器把 fr 分量檢出。另外，諧振的Tm和Ts分量相位差 90，信號檢測、濾波和離散都帶來滯后，導(dǎo)致算出的Tm信號中fr 分量相位變化，需要按fr 頻率進(jìn)行相位補(bǔ)償。 微調(diào)變頻器輸出： 不同調(diào)速系統(tǒng)采用不同微調(diào)變量和方法。微調(diào)變量需選用與轉(zhuǎn)矩Tm關(guān)系最直接的變量。 對于開環(huán)V/F控制系統(tǒng)，建議微調(diào)變量選頻率給定Df *，因?yàn)槲?/p>

15、調(diào)時(shí)轉(zhuǎn)速和磁鏈基本不變，調(diào)頻率就是調(diào)轉(zhuǎn)差，轉(zhuǎn)差與轉(zhuǎn)矩成比例，關(guān)系直接。 異步機(jī)無轉(zhuǎn)速傳感器矢量控制系統(tǒng)低速問題異步機(jī)無轉(zhuǎn)速傳感器矢量控制系統(tǒng)低速問題無轉(zhuǎn)速傳感器矢量控制系統(tǒng)的低速性能不好是一個(gè)長期未解決的難題。它限制了調(diào)速范圍。原因 轉(zhuǎn)速觀測的基礎(chǔ)是定子電勢計(jì)算及基于它的電壓模型(VM)。低速時(shí)電勢=電壓- -電阻壓降，這時(shí)電壓和電勢都很小，電阻壓降占很大比例，受溫度變化及開關(guān)器件非線性影響，電勢算不準(zhǔn)9。轉(zhuǎn)速觀測的基準(zhǔn)沒有了，觀測器無法正常工作。對策 尋找不依賴電勢計(jì)算及電壓模型的轉(zhuǎn)速觀測方法。模型參考自適應(yīng)轉(zhuǎn)速觀測器最常用，通常以電壓模型VM為基準(zhǔn)(參考模型)，因它與轉(zhuǎn)速無關(guān)，以電流模型I

16、M為可調(diào)模型，因它與轉(zhuǎn)速有關(guān)，通過比較二者得到轉(zhuǎn)速觀測值。兩種常用觀測器： 基于轉(zhuǎn)子磁鏈的方法(MRASF) 基于iq的方法(MRASiq)改進(jìn)法1 基于定子電流的模型參考自適應(yīng)法(MRASCC)10 拋棄VM和電勢計(jì)算，直接用電機(jī)本身作為參考模型，用電機(jī)自己的可以直接測量的輸出量作為參考變量，消除參考模型不準(zhǔn)確帶來的誤差。電機(jī)的輸入是三相定子電壓(用矢量us表示)，輸出是三相定子電流(用矢量is表示)和轉(zhuǎn)速n，因無轉(zhuǎn)速傳感器且n是待觀測量，故只能用矢量is作為參考變量。 用電機(jī)定子模型SM可以算出定子電流矢量的觀測值is.ob ，計(jì)算時(shí)需要知道轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶坑^測值y y r.IM。因電壓模型存

17、在低速問題，所以用電流模型IM來觀測。由于SM和IM都與轉(zhuǎn)子角頻率wr.ob有關(guān)，故把這兩個(gè)模型合在一起，共同作為可調(diào)模型。 將矢量is和is.ob之差Dis=is-is.ob送至自適應(yīng)調(diào)節(jié)器AAR，通過PI調(diào)節(jié)輸出轉(zhuǎn)速觀測信號wr.ob ，同時(shí)把它送回到SM和IM，通過它去改變is.ob ，減小Dis ，直至穩(wěn)定。 SMIM問題 電流誤差Dis是矢量，有大小和方向，用靜止坐標(biāo)系表示時(shí)有Disa 和Disb 兩個(gè)分量，調(diào)節(jié)器AAR只有一個(gè)輸入，它應(yīng)該根據(jù)什么誤差信號來調(diào)節(jié)？SA 用矢量Dis和磁鏈?zhǔn)噶縴 y r.IM的叉積作為AAR的輸入，電流矢量和磁鏈?zhǔn)噶康牟娣e等于電機(jī)轉(zhuǎn)矩 ，Disy y

18、r.IM =DTe反映了轉(zhuǎn)矩觀測誤差，它是一個(gè)標(biāo)量。轉(zhuǎn)矩直接影響轉(zhuǎn)速，故用DTe作為AAR的輸入。sr.IMs.obs.obuiiwrTjTrkdtdTrob. rrr11IM.rob.ssIM.rob.sseiiiiTabbbaaDr.IMsiIM.rob. rmIM.IM.rTjLdtdTrsrriw對策2 非線性全階觀測器(NFOA)9 非線性全階觀測器(NFOA) 是MRASCC的擴(kuò)展，思路基本相同，拋棄VM和電勢計(jì)算，以電動(dòng)機(jī)本身為參考模型，以SM和IM共同作為可調(diào)模型，用轉(zhuǎn)速自適應(yīng)器SA來計(jì)算AAR輸入，通過自適應(yīng)調(diào)節(jié)來觀測轉(zhuǎn)速。 差別是： 在NFOA中，增加了校正環(huán)節(jié)Gs(wr)

19、和Gr(wr) ，它們的輸出Ds和Dr分別送至SM和IM去校正觀測誤差。 (AAR的輸入DTe是矢量Dis和y y r.IM的叉積，自適應(yīng)環(huán)穩(wěn)定后DTe =0。叉積=0不表示Dis = 0，可用Dis來校正觀測誤差) NFOA框圖MRASCC試驗(yàn)結(jié)果 (w r*=0.05，TL從0到額定)(w r* -0.0035+0.0035，TL=0.25)參考文獻(xiàn)：參考文獻(xiàn)：1.“Low Output frequency Operation of the Modular Multilevel Converter”, Proc. IEEE ECCE, 2010.2.“Start-Up and Low Sp

20、eed Operation of an Electric Motor Driven by a Modular Multilevel Cascade Inverter”, IEEE Trans. on Ind. Appl. Vol. 49, No. 4, 2013. 3.“Configurations of High Power Voltage Source Inverter Drives”, in Proc. 5th Eur. Conf. Power Electron. Brighton, U.K. 1993.4.“Optimal Regular-Sampled PWM Inverter Control Techniques”, IEEE Trans. on Ind. Electron. Vol. 54, No. 3, 2007. 5.“Fast Dynamic Control of Medium Voltage Drives Operating at Very low Switching Frequency An Overview”, IE