變頻器基礎(chǔ)培訓(xùn)課件

東方日立（成都）電控設(shè)備有限公司東方日立（成都）電控設(shè)備有限公司東方日立用戶培訓(xùn)資料變頻器基礎(chǔ)賴成毅2009年11月1變頻器原理23變頻器特殊功能4變頻器故障保護

致力于中國變頻事業(yè)的新發(fā)展東方日立2009目錄變頻器基本知識1變頻器基礎(chǔ)知識致力于中國變頻事業(yè)的新發(fā)展致力于中國變頻事業(yè)的新發(fā)展東方日立2009變頻器定義1-1定義

將固定不變的工頻交流電變換為電壓或頻率可變的交流電的裝置變頻器分類（1）1-2分類

按電壓等級分：

通用變頻器：1kV以下

中壓變頻器：1kV~3kV

高壓變頻器：3kV以上變頻器分類（1）1-2分類

按逆變中間環(huán)節(jié)分：

交交變頻器：沒有直流環(huán)節(jié)，通過可控整

流方式直接變頻

交直交變頻器：有直流環(huán)節(jié)，通過可控開關(guān)

逆變改變頻率

變頻器分類（2）1-2

按直流回路儲能方式分：

電流型變頻器：直流儲能器件為電感，直接

控制電流

電壓型變頻器：直流儲能器件為電容，控制

電壓基波幅值和頻率分類電流源型電壓源型變頻器分類（2）1-2分類

按有無低壓回路分：

高低高變頻器：有低壓環(huán)節(jié)，通過變壓器降

壓，逆變后再升壓

高高變頻器：用多個低壓器件串聯(lián)直接將

高壓逆變，無低壓環(huán)節(jié)高低高變頻器高高變頻器變頻器分類（3）1-2

按電平數(shù)分：

兩電平變頻器：輸出波形只有兩個電平

三電平變頻器：中性點鉗位，輸出三個電平

多電平變頻器：多個低壓模塊串聯(lián)，多電平

分類兩電平三電平多電平電壓源型與電流源型比較1-2電壓源型和電流源型形式電流源型多電平串聯(lián)電壓源型功率器件器件采用IGCT或SGCT，額定電壓6500V，一般每個橋臂采用三只串聯(lián)，總共需要18只；成本高，用量小器件采用IGBT，額定電壓1700V，每個單元由兩個模塊組成單向全橋，6kV/5級總共30只；用量大，技術(shù)成熟整流脈沖數(shù)18脈沖，輸入諧波大30脈沖以上，諧波小于4%輸出電平兩電平，dv/dt大，需加電抗器，噪音大多電平，準正弦，dv/dt小，無需電抗器，噪音小效率由于需要均壓電阻，效率較低模塊之間串聯(lián)，無需均壓，效率較高運行方式四象限運行，能量可回饋一、三象限運行，無法實現(xiàn)能量回饋控制方式無速度傳感器矢量控制無速度傳感器矢量控制/VF控制廠家僅AB國內(nèi)外幾十個品牌電流型電壓型13節(jié)能原理（1）對于風機、泵類平方轉(zhuǎn)矩負載，電機的輸出功率與電機轉(zhuǎn)速的立方成正比P=Kp*n3

P為負載功率Kp為常數(shù)n為電動機拖動負載的轉(zhuǎn)速13節(jié)能原理（2）變頻調(diào)速節(jié)能的一般原理Q－流量：單位時間內(nèi)進入風機的氣體體積；H－壓力：單位氣體通過風機后所獲得的能量；P－流體功率，P＝QH；η=流體功率/軸功率管網(wǎng)阻力H＝KQ2其中K為管網(wǎng)總阻力系數(shù)風機在運行時，其工作點是風機H-Q曲線與管網(wǎng)H-Q曲線的交點風機性能曲線管網(wǎng)特性曲線13節(jié)能原理（3）

風機的正常工作點為A，當風量需要從Q1調(diào)到Q2時，采用擋板調(diào)節(jié)，管網(wǎng)特性曲線由R1改變?yōu)镽2，其工作點調(diào)至B點，其功率為OQ2BH2’所圍成的面積，其功率變化很小，而其效率卻隨之降低。當采用變頻調(diào)速時，可以按需要升降電機轉(zhuǎn)速，改變設(shè)備的性能曲線，圖中從n1到n2,其工作點調(diào)至C點，使其參數(shù)滿足工藝要求，其功率為OQ2BH2所圍成的面積，同時其效率曲線也隨之平移，依然工作在高效區(qū)。由于功率隨轉(zhuǎn)速3次方變化，故節(jié)能效果顯著。節(jié)能量P＝（H2’－H2）×Q2

風機、水泵(平方根轉(zhuǎn)矩負載)的相似定律－變速前后流量、壓力、功率與轉(zhuǎn)速之間關(guān)系為：

Q1/Q2=n1/n2

H1/H2=（n1/n2）2

P1/P2=（n1/n2）3HH2’H1H2R2BAR1Cn1η2η1n20Q2Q1Q13節(jié)能原理（4）對泵、風機進行調(diào)速控制,可獲得明顯的節(jié)能效果,原理如右圖所示。比如有一臺泵,帶100%負載時所需的流量為700ton/h。

在電機由工頻電流驅(qū)動恒速運轉(zhuǎn)的情況下,用調(diào)節(jié)閥來控制流量,這時,揚程為圖中的A（140m）,

耗電量為C點（450kW）。13節(jié)能原理（5）

通過變頻器進行調(diào)速控制時,揚程為圖中的B點（100m）,

耗電量則為D點（340kW）。

可節(jié)省的功率為450kW-340kW=110kW。13節(jié)能原理（6）假設(shè)一天的運行負載情況如右圖所示,一天所節(jié)省的電能：110kW×3h+210kW×14h+260kW×7h=5090kWh

如每周休息一天,年運行天數(shù)為365天-52天

=313天一年所節(jié)省的電能為：

5090kWh×313日=1593MW如電費以１元／kWh計算：

1593MWh×1000×１元=1,593,000元

這就是在一年里可獲得的節(jié)能效果。變頻器適用范圍1-4火力發(fā)電—鍋爐引鳳機，鼓風機，鍋爐給水泵，冷凝泵，灰漿泵，循環(huán)泵等；石油化工—油田注水泵、循環(huán)泵、管道泵、潛油泵等；供水行業(yè)—生活用水泵，工業(yè)用水泵等；冶金行業(yè)—高爐鼓風機、除塵風機、沖渣泵等；水泥行業(yè)—爐尾風機，鼓風機、除塵風機等；造紙行業(yè)—打漿泵等；交通工業(yè)—機車電氣傳動、軌道交通電氣傳動等適用范圍2變頻器基本原理致力于中國變頻事業(yè)的新發(fā)展致力于中國變頻事業(yè)的新發(fā)展東方日立2007系統(tǒng)構(gòu)成2-1

高壓變頻器主回路由輸入移相變壓器、功率單元、主控系統(tǒng)和電氣控制構(gòu)成，基本拓撲結(jié)構(gòu)如圖所示高壓變頻器基本框圖DI系列變頻器類型2-2DI系列高壓變頻器類型DI系列變頻器屬于：

高壓：3kV~10kV

交直交：變壓器-整流-逆變

電壓型：用電容儲能

高高：無需升壓變壓器，模塊串聯(lián)

多電平：4~10級模塊串聯(lián)，線電壓17~41個電平

基本結(jié)構(gòu)2-3面向節(jié)能的直接高壓變頻器電路結(jié)構(gòu)采用變頻器功率單元多重化連接,簡單易行地直接輸出到原有電機,提供驅(qū)動電壓。

(下圖是6kV的例子)電源6kV主回路構(gòu)成ＵＶＷIM6kV移相變壓器DI系列電壓等級2-4分為3kV、6kV和10kV系列

3kV：每相四個功率單元串聯(lián)，共12個 6kV：每相五個功率單元串聯(lián)，共15個

或每相八個功率單元串聯(lián)，共24個 10kV：每相九個功率單元串聯(lián)，共27個

或每相十個功率單元串聯(lián)，共30個電壓計算2-5以6KV每相八單元串聯(lián)為例,電壓疊加如圖所示：每相由八個相同的功率單元串聯(lián)而成，相電壓為3464V，每個功率單元輸出有效值Ve＝460V，峰值輸出電壓Vp=Ve＝621V構(gòu)成電壓計算方法DI系列變頻器電壓標準2-6各電壓等級的電壓標準

電壓等級級數(shù)單元輸入電壓單元母線電壓3KV4460V620V6KV5690V930V6KV6620V815V6KV8460V620V10KV9690V93010KV10620V815V移相變壓器（1）2-7移相變壓器的主要作用

將工頻高壓電源降為低壓（620V或690V）電源提供給每個功率單元；將每個功率單元輸入隔離，以便于波形疊加；采用移相多脈沖整流方式，降低輸入諧波含量移相變壓器（2）2-7移相變壓器的原理

將工頻高壓電源變換為副邊的多組低壓，各副邊繞組在繞制時采用延邊三角接法，相互之間有一定的相位差。

3kV：每相4組

+30o、+15o、0o、-15o、-30o。

共4組×3=12組6kV：每相6組

+25o、+15o、+5o、-5o、-15o、-25o。

共6組×3=18組10kV：每相10組+27o、+21o、+15o、+9o、+3o、-3o、 -9o、-15o、-21o、-27o

共10組×3=30組功率單元（1）2-8

功率單元是使用功率電力電子器件進行整流、濾波、逆變的高壓變頻器部件。功率單元是構(gòu)成高壓變頻器主回路的主要部分。功率的主要作用功率單元（2）2-8全橋整流IGBT逆變橋直流濾波交流輸入SPWM輸出功率單元的基本結(jié)構(gòu)功率單元（3）2-8功率單元的基本原理調(diào)制波（三角波）大于載波（正弦波）時，輸出低電平，否則輸出高電平。在正弦波的正半周期，輸出高電平時，由V1和V4開通，在正弦波負半周期，輸出高電平時，由V2和V3開通，由此形成正負半波SPWM波的多重化（1）2-9每個功率單元由H橋構(gòu)成，輸出一組SPWM波，每相N個單元，通過疊加輸出一組有2N+1個電平的正弦波一相中的每個功率單元的采樣頻率一致，用同一個載波進行調(diào)制，載波相差了N分之一個采樣周期SPWM波的多重化（2）2-910kV單元串聯(lián)多電平變頻器電壓疊加原理變頻器A相10個功率單元的輸出電壓波形圖變頻器A相的輸出電壓疊加圖，電平數(shù)為2×相單元數(shù)量＋1，即21電平。變頻器控制原理-V/F控制（1）2-11

在進行電機調(diào)速時，常須考慮的一個重要因素是：希望保持電機中每極磁通量m為額定值不變。如果磁通太弱，沒有充分利用電機的鐵心，是一種浪費；如果過分增大磁通，又會使鐵心飽和，從而導(dǎo)致過大的勵磁電流，嚴重時會因繞組過熱而損壞電機。定子每相電動勢式中Eg

—氣隙磁通在定子每相中感應(yīng)電動勢的有效值（V）；—定子頻率（Hz）；

—定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)；

—基波繞組系數(shù)；

—每極氣隙磁通量（Wb）。

f1NskNsm由上式可知，只要控制好Eg

和f1，便可達到控制磁通m

的目的變頻器控制原理-V/F控制（2）2-11然而，繞組中的感應(yīng)電動勢是難以直接控制的，當電動勢值較高時，可以忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降，而認為定子相電壓Us

≈

Eg，則得

這就是是恒壓頻比的控制方式，即V/F控制。要保持m

不變，當頻率f1

從額定值f1N

向下調(diào)節(jié)時，必須同時降低Eg

，使常值

常值

變頻器控制原理-矢量控制（1）2-12（b）αβ坐標下感應(yīng)電機定子電流示意(c)MT坐標下感應(yīng)電機轉(zhuǎn)矩的構(gòu)成(a)直流機兩個電流分量及其轉(zhuǎn)矩的構(gòu)成矢量控制的基本原理變頻器控制原理-矢量控制（3）2-12變頻器控制原理-矢量控制（3）2-12無速度傳感器矢量控制基本思路交流感應(yīng)電動機的無速度傳感器高動態(tài)性能控制,是為了實現(xiàn)有速度傳感器的矢量控制(或直接轉(zhuǎn)矩控制)相當?shù)霓D(zhuǎn)矩和速度性能的方案,被用于無法設(shè)置速度傳感器的設(shè)備或新一代高性能通用變頻器之中。無速度傳感器矢量控制就是利用電動機電流、電壓信息，通過電流模型法或者電壓模型法計算出磁鏈和坐標轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)速。變頻器控制原理-矢量控制（4）2-12無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)原理圖3變頻器特殊功能介紹致力于中國變頻事業(yè)的新發(fā)展致力于中國變頻事業(yè)的新發(fā)展東方日立2009無速度傳感器矢量控制技術(shù)高性能無速度傳感器矢量控制技術(shù)，可用于傳送、壓縮機等對啟動轉(zhuǎn)矩要求大的場合，也可以用于恒轉(zhuǎn)矩負載，同樣適用于風機、水泵類負載。帶電動機參數(shù)自動識別和V/F切換功能。矢量控制速度反饋速度指令電流反饋轉(zhuǎn)矩電流反饋100%4%150%承受150%轉(zhuǎn)矩引起的瞬變負載時,也可繼續(xù)運行。3-1單元旁通功能（1）3-2單元旁路功能是一種快速地、自動地切除出現(xiàn)故障單元而保證系統(tǒng)繼續(xù)正常運行（或減額運行）的方法當功率單元出現(xiàn)故障時，主控系統(tǒng)對各種信號協(xié)調(diào)，在條件滿足后，用最短的時間將出現(xiàn)故障的功率單元進行旁路切除主控系統(tǒng)通過改變算法，重新計算輸出波形，保持輸出電壓波形的完整由于變頻器具有最大1.154倍的電壓提升，單元旁路后，變頻器仍能最大限度的保證輸出電壓不下降單元旁通功能（2）3-2

當引發(fā)功率單元出現(xiàn)旁通的故障消失之后，功率單元將該信息通知主控系統(tǒng)，主控系統(tǒng)根據(jù)實際情況自動恢復(fù)該功率單元的正常工作。由于上述過程是自動完成的，所以大大降低了停機的幾率。瞬時停電再啟動功能（1）3-3瞬停功能是指在主電源發(fā)生短時失電或欠壓后，變頻器能夠不停機，當電源恢復(fù)時重新投入工作的功能瞬停功能能夠滿足系統(tǒng)3～10秒的失電或欠壓瞬停功能需要增加一個瞬停檢測板和輸入、輸出的PT瞬時停電再啟動功能簡介瞬時停電再啟動功能（2）3-3當系統(tǒng)主電源消失后，瞬停檢測板通過輸入PT在10ms內(nèi)檢測到高壓失電，使變頻器進入瞬停狀態(tài)當系統(tǒng)主電源重新來到時，瞬停板檢測到高壓信號后，使主控進入來電狀態(tài)，主控開始通過瞬停板檢測電機殘壓信號，并用適當?shù)碾妷汉皖l率重新帶動電機恢復(fù)到停電之前的狀態(tài)瞬時停電再啟動功能原理瞬時停電再啟動功能（3）3-3速度反饋100%0.4ｓ電源電壓（變壓器原邊）輸出電壓（電機電壓）瞬停時間≒1.2ｓ±5,000VU相速度反饋±125%使相位一致后,自動恢復(fù)運行瞬時停電再啟動功能波形工變自動切換（1）3-4工變切換是指在變頻器發(fā)生故障后，自動切換到工頻運行，在變頻器具備運行條件后，自動從工頻切換為變頻的功能，其主回路如下圖工變自動切換（2）3-4變切工：正常運行時，QF1和KM1合，QF2斷開，當出現(xiàn)重故障或者人工給切換指令時，變頻器斷開QF1和KM1，經(jīng)過電機去磁時間后合上QF2，電機進入工頻運行狀態(tài)工切變：人工給出切換指令，變頻器先合上QF1，變頻器進入預(yù)充電狀態(tài)，變頻器就緒以后自動運行并斷開QF2，當確認QF2斷開后合KM1，變頻器檢測電機的狀態(tài)，并以檢測到的轉(zhuǎn)速開始將電機帶回50Hz軟充電技術(shù)（1）3-5解決了高壓變頻器因合通、分斷高壓期間產(chǎn)生的操作過電壓及涌流，有效降低了器件的損壞率減少器件，減少故障點采用軟充電技術(shù)的優(yōu)點軟充電技術(shù)（2）3-5軟充電技術(shù)的原理圖軟充電技術(shù)（3）3-5在移相變壓器上增設(shè)一組380V輔助繞組，用作充電（高壓未合時）和風機供電電源（高壓已合時）；用適當?shù)碾娮璐绯潆娀芈?，限制充電的電流，并在充電一段時間內(nèi)分別斷開電阻，以滿足充電電壓需求；當高壓合閘時，需立即斷開充電回路，以避免并網(wǎng)；軟充電技術(shù)原理說明同期并網(wǎng)技術(shù)同期并網(wǎng)同期并網(wǎng)技術(shù)是用變頻器拖動電動機至工頻后無擾的切換至工頻電源的技術(shù)，適用于大容量電動機的軟啟動。3-6傳統(tǒng)方式-水平通風散熱垂直通風技術(shù)(1)3-7垂直通風散熱垂直通風技術(shù)(2)3-73-7垂直通風散熱技術(shù)風道小，散熱風機利用率高，散熱效果好；由于電解電容位于風道內(nèi)，散熱良好，壽命大大增加結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單合理，便于整體發(fā)運垂直通風散熱垂直通風技術(shù)(3)4常見系統(tǒng)故障及處理對策致力于中國變頻事業(yè)的新發(fā)展致力于中國變頻事業(yè)的新發(fā)展東方日立2006輸出過流&短路故障4-1過流故障有兩種檢測保護的方式IGBT過流輸出過流過流故障屬于重故障，當故障確認后，立即停機IGBT過流4-2IGBT過流故障是指通過IGBT的電流超過了IGBT能夠承受的值，一般為IGBT額定電流的6～10倍，時間約為10us，檢測原理如圖，當通過IGBT的電流變大，IGBT的Vce上的壓降增大，當超過保護值時，驅(qū)動保護電路立即進行保護，并向主控系統(tǒng)報警，其檢測原理如下圖：輸出過流4-3過流保護由電流傳感器、采樣電阻、整形電路和比較器組成兩個傳感器采集兩相輸出電流，通過采樣電阻將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號整形電路將兩路電流的信號變?yōu)槿罚⒄鳛榱}波信號

通過比較器檢測信號的峰值，超過設(shè)定值（由電位器調(diào)整）時，輸出過流報警信號輸出過流整定值4-4輸出過流保護檢測和反應(yīng)時間約為5ms由于變頻器的過流能力遠小于電機，所以一般過流值按照IGBT的額定值整定，如IGBT額定電流為100A/DC，則實際整定的過流值為100÷1.414＝70.7A/AC變頻器出廠時已根據(jù)工程安裝了相應(yīng)的采樣電阻，調(diào)整了過流檢測的電位器，所以一般不需要再調(diào)整輸出過流故障屬于重故障，一旦確認，立即停機過流&短路常見原因引起過流故障的原因一般有以下幾種電機絕緣問題輸出電纜問題負載劇烈變化或在變化時調(diào)節(jié)變頻器變頻器輸出波形異常（功率單元故障）移相變壓器或功率柜絕緣問題電流傳感器損壞控制板件損壞4-5過流&短路故障排除檢測電機及電纜絕緣，檢查移相變壓器絕緣等排除系統(tǒng)擾動和調(diào)節(jié)方式的問題檢查變頻器空載輸出波形檢查電流傳感器對變頻器主控系統(tǒng)做模擬試驗，檢查其整定值4-6過載保護過載保護回路如圖電流傳