1、东方日立（成都）电控设备有限公司,东方日立用户培训资料,变频器基础,赖成毅 2007年11月,1,DI系列变频器原理,2,3,DI系列变频器特殊功能,4,变频器故障保护,目录,变频器基本知识,1,变频器基础知识,致力于中国变频事业的新发展,变频器定义,1,- 1,定义,将固定不变的工频交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置,变频器分类（1）,1,- 2,分类,按电压等级分：通用变频器：1kV以下中压变频器：1kV3kV高压变频器：3kV以上,按逆变中间环节分：交 交 变频器：没有直流环节，通过可控整 流方式直接变频交直交变频器：有直流环节，通过可控开关 逆变改变频率,变频器分类（2）,1,-
2、 2,按直流回路储能方式分：电流型变频器：直流储能器件为电感，直接 控制电流电压型变频器：直流储能器件为电容，控制 电压基波幅值和频率,分类,按有无低压回路分：高低高变频器：有低压环节，通过变压器降 压，逆变后再升压高 高 变频器：用多个低压器件串联直接将 高压逆变，无低压环节,变频器分类（3）,1,- 2,按电平数分：两电平变频器：输出波形只有两个电平三电平变频器：中性点钳位，输出三个电平多电平变频器：多个低压模块串联，多电平,分类,1,3,节能原理（1）,对于风机、泵类平方转矩负载，电机的输出功率与电机转速的立方成正比,P=Kp*n3 P为负载功率 Kp为常数 n为电动机拖动负载的转速,1
3、,3,节能原理（2）,变频调速节能的一般原理,Q流量：单位时间内进入风机的气体体积；H压力：单位气体通过风机后所获得的能量；P流体功率，PQH；=流体功率/轴功率,管网阻力HKQ2 其中K为管网总阻力系数 风机在运行时，其工作点是风机 H-Q曲线与管网H-Q曲线的交点,风机性能曲线,管网特性曲线,1,3,节能原理（3）,风机的正常工作点为A，当风量需要从Q1调到Q2时，采用挡板调节，管网特性曲线由R1改变为R2，其工作点调至B点，其功率为OQ2BH2所围成的面积，其功率变化很小，而其效率却随之降低。当采用变频调速时，可以按需要升降电机转速，改变设备的性能曲线，图中从n1到n2,其工作点调至C点
4、，使其参数满足工艺要求，其功率为OQ2BH2所围成的面积，同时其效率曲线也随之平移，依然工作在高效区。由于功率随转速3次方变化，故节能效果显著。节能量P（ H2H2） Q2,风机、水泵(平方根转矩负载)的相似定律变速前后流量、压力、功率与转速之间关系为：Q1/Q2=n1/n2 H1/H2=（n1/n2）2 P1/P2=（n1/n2）3,1,3,节能原理（4）,对泵、风机进行调速控制, 可获得明显的节能 效果, 原理如右图所示。比如有一台泵, 带100%负载时所需的流量为 700ton/h。在电机由工频电流驱动恒速运转的情况下, 用调节阀来控制流量, 这时, 扬程为图中的A（140m）, 耗电量
5、为C点（450kW）。,1,3,节能原理（5）,通过变频器进行调速控制时, 扬程为图中的 B点（100m）, 耗电量则为D点（340kW）。可节省的功率为450kW-340kW=110kW。,1,3,节能原理（6）,假设一天的运行负载情况如右图所示,一天所节省的电能：110kW3h + 210kW14h + 260kW7h= 5090kWh如每周休息一天, 年运行天数为365天- 52天 = 313天一年所节省的电能为：5090kWh313日 = 1593MW 如电费以元kWh计算： 1593MWh 1000 元 = 1,593,000 元这就是在一年里可获得的节能效果。,变频器适用范围,1,
6、- 4,火力发电锅炉引凤机，鼓风机，锅炉给水泵，冷凝泵，灰浆泵，循环泵等；石油化工油田注水泵、循环泵、管道泵、潜油泵等；供水行业生活用水泵，工业用水泵等；冶金行业高炉鼓风机、除尘风机、冲渣泵等；水泥行业炉尾风机，鼓风机、除尘风机等；造纸行业打浆泵等；交通工业机车电气传动、轨道交通电气传动等,适用范围,2,DI系列变频器基本原理,致力于中国变频事业的新发展,系统构成,2,- 1,高压变频器主回路由输入移相变压器、功率单元、主控系统和电气控制构成，基本拓扑结构如图所示,高压变频器基本框图,DI系列变频器类型,2,- 2,DI系列高压变频器类型,DI系列变频器属于：高压：3kV10kV交直交：变压器
7、-整流-逆变电压型：用电容储能高 高：无需升压变压器，模块串联多电平：410级模块串联，线电压1741个电平,基本结构,2,- 3,面向节能的直接高压变频器电路结构,采用变频器功率单元多重化连接,简单易行地直接输出到原有电机,提供驱动电压。 (下图是6kV的例子),DI系列电压等级,2,- 4,分为3kV、6kV和10kV系列,3kV ：每相四个功率单元串联，共12个6kV ：每相五个功率单元串联，共15个或每相八个功率单元串联，共24个10kV：每相九个功率单元串联，共27个或每相十个功率单元串联，共30个,电压计算,2,- 5,以6KV每相八单元串联为例,电压叠加如图所示：每相由八个相同的
8、功率单元串联而成，相电压为3464V，每个功率单元输出有效值Ve460V，峰值输出电压Vp= Ve621V,构成电压计算方法,DI系列变频器电压标准,2,- 6,各电压等级的电压标准,移相变压器（1）,2,- 7,移相变压器的主要作用,将工频高压电源降为低压（620V或690V）电源提供给每个功率单元； 将每个功率单元输入隔离，以便于波形叠加； 采用移相多脉冲整流方式，降低输入谐波含量,移相变压器（2）,2,- 7,移相变压器的原理,将工频高压电源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。3 kV ：每相 4组 +30o、+15o、0o、-15o、-30
9、o。 共4组3=12组6 kV ：每相 6组 +25o、+15o、+5o、-5o、-15o、-25o。 共6组3=18组10 kV ：每相 10组 +27o、+21o、+15o、+9o、+3o、-3o、 -9o、-15o、-21o、-27o 共10组3=30组,功率单元（1）,2,- 8,功率单元是使用功率电力电子器件进行整流、滤波、逆变的高压变频器部件。功率单元是构成高压变频器主回路的主要部分。,功率的主要作用,功率单元（2）,2,- 8,全桥整流,IGBT逆变桥,直流滤波,交流输入,SPWM输出,功率单元的基本结构,功率单元（3）,2,- 8,功率单元的基本原理,调制波（三角波）大于载波（
10、正弦波）时，输出低电平，否则输出高电平。在正弦波的正半周期，输出高电平时，由V1和V4开通，在正弦波负半周期，输出高电平时，由V2和V3开通，由此形成正负半波,SPWM波的多重化（1）,2,- 9,每个功率单元由H桥构成，输出一组SPWM波，每相N个单元，通过叠加输出一组有2N+1个电平的正弦波一相中的每个功率单元的采样频率一致，用同一个载波进行调制，载波相差了N分之一个采样周期,SPWM波的多重化（2）,2,- 9,10kV单元串联多电平变频器电压叠加原理,变频器A相10个功率单元的输出电压波形图变频器A相的输出电压叠加图，电平数为2相单元数量1，即21电平。,主控系统,2,- 10,主控系
11、统的基本结构,变频器控制原理-V/F控制（1）,2,- 11,在进行电机调速时，常须考虑的一个重要因素是：希望保持电机中每极磁通量 m 为额定值不变。如果磁通太弱，没有充分利用电机的铁心，是一种浪费；如果过分增大磁通，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时会因绕组过热而损坏电机。,定子每相电动势,式中 Eg 气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值（V）；,定子频率（Hz）；,定子每相绕组串联匝数；,基波绕组系数；,每极气隙磁通量（Wb）。,f1,Ns,kNs,m,由上式可知，只要控制好 Eg 和 f1 ，便可达到控制磁通m 的目的,变频器控制原理-V/F控制（2）,2,- 11,然而，
12、绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当电动势值较高时，可以忽略定子绕组的漏磁阻抗压降，而认为定子相电压 Us Eg，则得这就是是恒压频比的控制方式，即V/F控制。,要保持 m 不变，当频率 f1 从额定值 f1N 向下调节时，必须同时降低 Eg ，使,常值,常值,变频器控制原理-矢量控制（1）,2,- 12,（b）坐标下感应电机 定子电流示意,(c) MT坐标下感应电机 转矩的构成,(a) 直流机两个电流分量 及其转矩的构成,矢量控制的基本原理,变频器控制原理-矢量控制（3）,2,- 12,变频器控制原理-矢量控制（3）,2,- 12,无速度传感器矢量控制基本思路,交流感应电动机的无速度传感器
13、高动态性能控制,是为了实现有速度传感器的矢量控制(或直接转矩控制)相当的转矩和速度性能的方案,被用于无法设置速度传感器的设备或新一代高性能通用变频器之中。 无速度传感器矢量控制就是利用电动机电流、电压信息，通过电流模型法或者电压模型法计算出磁链和坐标转角及转速。,变频器控制原理-矢量控制（4）,2,- 12,无速度传感器矢量控制系统原理图,3,变频器特殊功能介绍,致力于中国变频事业的新发展,单元旁通功能（1）,3,- 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，在条件满足后，用最短的时间将出现故障
14、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,单元旁通功能（2）,3,- 1,当引发功率单元出现旁通的故障消失之后，功率单元将该信息通知主控系统，主控系统根据实际情况自动恢复该功率单元的正常工作。由于上述过程是自动完成的，所以大大降低了停机的几率。,瞬时停电再启动功能（1）,3,- 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瞬停功能能够满足系统310秒的失电或欠压瞬停功能需要增加一个瞬停检测板和输入、输出的P
15、T,瞬时停电再启动功能简介,瞬时停电再启动功能（2）,3,- 2,当系统主电源消失后，瞬停检测板通过输入PT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来到时，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之前的状态,瞬时停电再启动功能原理,瞬时停电再启动功能（3）,3,- 2,瞬时停电再启动功能波形,工变自动切换（1）,3,- 3,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,工变自动切换（2）,3,- 3,变切工：正常运行
16、时，QF1和KM1合，QF2断开，当出现重故障或者人工给切换指令时，变频器断开QF1和KM1，经过电机去磁时间后合上QF2，电机进入工频运行状态工切变：人工给出切换指令，变频器先合上QF1，变频器进入预充电状态，变频器就绪以后自动运行并断开QF2，当确认QF2断开后合KM1，变频器检测电机的状态，并以检测到的转速开始将电机带回50Hz,软充电技术（1）,3,- 4,解决了高压变频器因合通、分断高压期间产生的操作过电压及涌流，有效降低了器件的损坏率 减少器件，减少故障点,采用软充电技术的优点,软充电技术（2）,3,- 4,软充电技术的原理图,软充电技术（3）,3,- 4,在移相变压器上增设一组3
17、80V辅助绕组，用作充电（高压未合时）和风机供电电源（高压已合时）； 用适当的电阻串如充电回路，限制充电的电流，并在充电一段时间内分别断开电阻，以满足充电电压需求； 当高压合闸时，需立即断开充电回路，以避免并网；,软充电技术原理说明,4,常见系统故障及处理对策,致力于中国变频事业的新发展,输出过流&短路故障,4,- 1,过流故障有两种检测保护的方式 IGBT过流 输出过流过流故障属于重故障，当故障确认后，立即停机,IGBT过流,4,- 2,IGBT过流故障是指通过IGBT的电流超过了IGBT能够承受的值，一般为IGBT额定电流的610倍，时间约为10us，检测原理如图，当通过IGBT的电流变大
18、，IGBT的Vce上的压降增大，当超过保护值时，驱动保护电路立即进行保护，并向主控系统报警，其检测原理如下图：,输出过流,4,- 3,过流保护由电流传感器、采样电阻、整形电路和比较器组成两个传感器采集两相输出电流，通过采样电阻将电流信号转换为电压信号整形电路将两路电流的信号变为三路，并整流为六脉波信号 通过比较器检测信号的峰值，超过设定值（由电位器调整）时，输出过流报警信号,输出过流整定值,4,- 4,输出过流保护检测和反应时间约为5ms由于变频器的过流能力远小于电机，所以一般过流值按照IGBT的额定值整定，如IGBT额定电流为100A/DC，则实际整定的过流值为1001.41470.7A/A
19、C变频器出厂时已根据工程安装了相应的采样电阻，调整了过流检测的电位器，所以一般不需要再调整输出过流故障属于重故障，一旦确认，立即停机,过流&短路常见原因,引起过流故障的原因一般有以下几种电机绝缘问题输出电缆问题负载剧烈变化或在变化时调节变频器变频器输出波形异常（功率单元故障）移相变压器或功率柜绝缘问题电流传感器损坏控制板件损坏,4,- 5,过流&短路故障排除,检测电机及电缆绝缘，检查移相变压器绝缘等排除系统扰动和调节方式的问题检查变频器空载输出波形检查电流传感器对变频器主控系统做模拟试验，检查其整定值,4,- 6,过载保护,过载保护回路如图电流传感器采集的电流信号经过采样电阻转换为电压信号后送
20、至A/D芯片完成模数转换CPU读取输出电流值，通过计算的方法检测是否发生过载故障,4,- 7,过载保护,过载保护的曲线如图过载保护计算原理为在输出电流为额定的110时，可以长期运行一般整定为额定电流的120，运行时间60秒在输出电流为额定的150时立即保护,4,- 8,过载保护故障排除,检查过载整定参数检查显示电流与实际电流是否一致检查电流传感器,4,- 9,高压失电,高压失电故障是指在正常运行过程中，变频器检测到输入主电源消失的保护在不具有瞬停信号的变频器上，主控系统检测到用户高压开关位置信号消失，则立即停止输出并报警排除方法检查小车开关位置信号检查控制柜内信号线检查接口板,4,- 10,瞬
21、停失败瞬停超时,4,- 11,瞬停失败是指在发生高压失电后，电源重新来到，但变频器无法检测到电机当前的转速时报出的故障瞬停超时是指发生高压失电后，电源在指定时间内未重新投入时报出的故障瞬停超时瞬停失败都会立即停机,瞬停失败瞬停超时故障排除,检查瞬停相关功能号检查输入和输出PT和其保险检查瞬停板与主控系统的连接线及其功能号用模拟的方法检测瞬停板的高压检测功能和残压检测功能,4,- 12,模拟量断线,模拟量断线故障是指用户调节变频器运行频率的420mA信号异常检测条件有模拟量输入电流信号小于4mA或者大于22mA模拟量输入电流信号变化率超过1mA/ms模拟量断线故障确认后，变频器保持最近一次有效的输入，并报警排除方法 检测用户输入的电流信号是否稳定可靠，范围是否超过420mA 检查接口板,4,- 13,谢谢各位垂听。东方日立今后将本着“合作、进取、务实、创新”的精神，为推进我国高新技术产业不断进步做出不懈的努力。,结语,东方日立（成都）电控设备有限公司,
