东方日立高压变频器客户培训正式版

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，实现挖土机 特性。这种功能也叫过负 荷抑制功能。
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3- 2
V/f 控制及矢量控制原理
感应电动势 Eg 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， U1 ≈ Eg U1 / f1 = const（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。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）
东方日立（成都）电控设备有限公司
客户培训资料
单元串联多电平高压变频器原理
2009年11月17日 2009年11月17日
东方日立（成都） 东方日立（成都）电控设备有限公司
目录
1 2 3 4
变频器系统 变频器SPWM控制 变频器SPWM控制 SPWM 变频器V/f 控制及矢量控制原理 变频器特殊功能
单元串联多电平高压变频器原理
O u
ωt
O
ωt
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2- 2
水平移相SPWM技术 水平移相SPWM技术 SPWM
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 180 180°相位角，n个功率单 功率单元1 n 元串联时，载波互差 φ=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。
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3 -5-1 无速度传感器矢量控制框图
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3 -5-2 无速度传感器矢量控制的功能
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3- 4
开环前馈型矢量控制框图
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。
1-3-3
功率单元电压输出
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，线电压(有效值)为 4960×√3/√2=6075V。
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1- 4
控制部分
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。
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* 1
fs
}
R
b a
Tm
a--转差补偿以前的机械特性 b--转差补偿以后的机械特性
Te
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单元串联多电平高压变频器基本原理
4
变频器特殊功能
4- 1
功率单元智能旁路功能
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
Kp Tn
I1max I1 -
∆f
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3 -5-2 无速度传感器矢量控制的功能
滑差补偿功能 异步电机要产生电磁转矩，需 f 一定的转差s，在额定转速下， f f 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， 0 因而有必要进行转差补偿，提 高电机的机械特性的硬度。
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单元1 载波 单元2 载波
A1+
B1+
A1
A1+ B1−
+ A2
A
− 1
B
− 1
B1
A 功率单元2
+ 2
B
Baidu Nhomakorabea
+ 2
− B2
A1B1 输出波形
A2
A2− B2−
B2
A2 B2输出波形
A1B2输出波形
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2- 3
SPWM堆波技术 堆波技术
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。
m = 6n ± 1
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1-3-1
功率单元的串联
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。
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4 -2-1 检测残压方式的瞬停功能
当系统主电源消失后，瞬停 检测板通过移相变压器三次绕 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。
Eg = 4.44 N s k Ns f1Φ m
Eg f1 = const
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 Φm— 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 Φm 等于额定值。
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4 -2-2 发送特殊电压方式的瞬停功能
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。
Er = 4.44Cr f1Φr
控制 Φ r = co n st ⇒
Er = co n st f1
矢量控制
获得与直流电动机相同的线性机械特性
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3- 3
V/f 控制框图
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 θ 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
1
变频器系统
1- 1
主回路结构
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。
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单元串联多电平高压变频器基本原理
2
变频器SPWM控制 变频器SPWM控制 SPWM
2- 1
两电平载波型SPWM控制 两电平载波型 控制
u
PWM（ Modulation）控制— PWM（Pulse Width Modulation）控制 —脉冲宽度调制，基本依据为面积等效原理。 a) 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，可分为单极性调制和双 b) 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。
2- 3
SPWM堆波技术 堆波技术
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 3000－620×4=520V，即1级在进行PWM调制。
线间电压
该种堆波技术单元IGBT开关损耗较小，但控制较为复杂。
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单元串联多电平高压变频器基本原理
变频器V/f 控制及矢量控制原理
3
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
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1-3-2
功率单元开关动作
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。
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1- 2
输入电流谐波。
移相变压器
移相变压器的三个功能：降压；绝缘隔离；通过移相减小
移相变压器二次侧相邻两绕组的相位差为： α＝60 o /n ，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。 越多，即移相变压器二次侧绕组越多， 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。 对电网的谐波干扰越小。
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4- 2
瞬时停电再起动功能
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。