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变频器的选型知识
电子经理人EE.ICXO.COM ( 日期:2008-02-13 10:43:33.0)



1 概述


  异步机变频调速已得到广泛的应用。变频器的花样种类繁多,变频器的供应商们为了推销自己的产品,都大力宣传自己的优点,其他产品的缺点,使人眼花缭乱。变频器的应用者在选用时经常提出许多如何合理应用及方案比较的问题,变频器的开发者在方案论证时也常提出产品定位及前景方面的问题。作者根据自己多年来在该领域中的体会,就下面几个问题谈谈自己的看法。
  各种产品,只要它们在市场上站得住脚,就必然有它们各自的优点和缺点。市场是无情的,如果都是缺点,该产品必然被淘汰,若都是优点它必然淘汰别人。作者希望通过本论坛引起讨论,去掉商业炒作,还事物以本来面目。以下均为个人看法,仅供参考。涉及一些价格,均为做方案比较用的价格,不是实际购物价格,不涉及商业行为。
  (1) 大功率节能调速的合理电压等级
  大中功率风机和泵采用变频调速可节约大量电能,大部分功率在0.2-2MW范围内。我们现在200KW以上的电机多是中压,电压等级多为10KV,少量为6KV。选用10KV “直接”变频,从技术和经济角度看都不合理。所有的“直接”变频都不是真正的直接变频,在其输入侧都有变压器,因此电机和变频器没有必要和电网电压一致。本文讨论不同功率段的合理电压等级。
  (2) 高性能调速系统中的矢量控制和直接力矩控制
  高性能调速系统中的矢量控制发明于70年代末,商品化于80年代,至今仍然为多数公司所采用。直接力矩发明于80年代后期,部分公司采用,商品化于90年代初,被广泛宣传为新一代技术。本文介绍作者对这两种系统的看法。
  (3) 有速度(位置)传感器和无速度(位置)传感器系统
  在矢量控制和直接力矩控制系统开发的初期都要求装设速度(位置)传感器(编码器)。有些场合安装编码器困难,所以又开发出无速度(位置)传感器系统,它的性能不如前者,但优于V/f开环系统。现在有些宣传说,无编码器系统的低速起动性能已达到有编码器系统水平,此提法有模糊之处。本文讨论什么时候应装编码器,何时可以不装编码器。

  2 大功率节能调速传动的合理电压等级
  大中功率风机和泵采用变频调速可节约大量电能,大部分功率在200-2000KW范围中。我们现有的交流电动机200KW是个界限,200KW以下是低压380V,200KW以上为中压:3KV、6KV 和10KV。电力部门从减小线损的角度出发,希望提高供电电压,3KV已取消,6KV正在淘汰中,大力推行10KV,将来还可能提至20KW。用户从简化配置出发,很自然的提出要求,希望200KV以上的电机和变压器也都采用10KV,不幸这合乎情理的要求技术上实现困难,经济上价高,因为:
  A. 10KV电机从制造角度并不困难,但随着电压升高,绝缘等级提高,电机重量和价格也增加,以YJS系列4极560KW电机为例:380V重3.6T,价11万;6KV重3.9T,价15万;10KV重4.4T,价20万。
  B. 受电力电子器件电压及电机允许的dv/dt限制,10KV变频器必须多电平,多器件串联。造成线路复杂,价格昂贵,可*性差。对于10KV变频器若使用 1700V IGBT器件,需10串,三相共120支器件。若使用3300V器件,也需5串共60支器件,数量巨大。另一方面电流小,器件的电流能力得不到充分利用,仍以560KW为例,10KV电机电流仅40A左右,现1700V的IGBT电流已达2400A,3300V器件电流达1600A,有大电流器件不采用,偏要用大量小电流器件串联,极不合理。即使电机功率达2000KV,电流也只有140A左右,仍很小。
  为了电平隔离,改善输入电流波形及减小谐波,现在所有的中压“直接变频”器都不是真正的直接变频,其输入侧都装有输入变压器,这种安排短时间内不会改变。既然输入侧有变压器,变频器和电机的电压就没有必要和电网一样,非用10KV和6KV不可,因此就有了变频器和电机的合理电压等级问题。另外,过去电机中低压的200KW分界是考虑电机直接起动,起动电流7-8倍额定电流,10KV/380V电力变压器容量2000KVA,短路阻抗6%左右,电机起动时380V母线压降限制在 5%左右而定的。再加大变压器,短路电流太大,低压开关难以承受。采用变频器调速后,起动电流被限制在额定值内,中低压分界条件也应随之变化。现在660V低压电机容量已达1000-1200KW,它也为讨论合理电压等级提供了基础。
  本文分析合理电压等级的出发点是:
  A. 低压变频器采用1200V或1700V IGBT,器件额定电流小于1800A-2400A,并联数不大于2。并联再多实现麻烦,就不如改为多电平串联,中压变频。
  B. 中压变频采用器件种类及电压等级很多,相应线路方案也不同。本文基于目前市场上流行的产品,它们是基于1700V IGBT的分离直流电源多重化(H桥串联)方案(SDM)及基于3300V,4500V和6000V的IGBT或IGCT或IEGT三电平方案(THL)。
  文献[1]对合理由电压等级进行了分析,这里不再重复,只把几点看法列于下面:
  A.800-1200KW以下的变频调速宜选用380V或660V电压等级。它线路简单,技术成熟,可*性高,dv/dt小,价格便宜。仍以560KW 电机为例,630KW 660V的低压变频器约50万,而同容量2300V的中压变频器约90万。实现的方法有低-低,低-高,高-低和高-低-高等几种形式。由于电机、变压器的价格远低于变频器,即使更换电机、变压器也合理。
  B.1000-1500KW以上的调速可以用中压变频
  国外的中压变频器有多个电压等级:1.1KV,2.3KV, 3KV, 4.2KV, 6KV,它们主要由电力电子器件的电压等级所确定。在THL中器件不串及SDM中桥不串联情况下,器件电压与变频器电压间的关系示于表1。
  表1 在不串联情况下,器件电压与变频器电压间的关系
  器件电压(V) 1700 3300 4500 6000
  变频器电压(KV) 1.1 2.3 3 4.2
  目前器件最高6000V,在不串情况下变频器最高电压4.2KV。6KV变频器必须串联,线路复杂,器件多,可*性受影响。国外很少做6KV变频器, 10KV基本不做。从原理上说SDM通过H桥单元串联,变频器输出电压不受器件电压限制,可以较高,但提高电压的代价是器件大量增加,可*性降低。对于同样输出功率的变频器,使用较高电压较多单元串联所花的代价大于用较低电压,较少数量,电流较大单元的代价,也就是说在器件电流允许条件下应选用尽可能低的电压等级。
  许多应用场合都要求旁路功能,即在变频器故障时将电机旁路,直接接入电网恒速工作。为降低变频器造价,电机电压低于电网电压后,如何旁路是一个需要解决的问题。这问题可以解决,对于不同的变频器旁路方法不同,变频器的旁路指在变频器出现故障时将电机直接接入电网,恒速工作。如果电机电压和电网电压一致,旁路不成问题。为了降低变频器造价,电机电压低于电网电压后,如何旁路,是这里所要讨论的问题。
  如果采用低压变频,变频器输入交流电压与额定输出电压一样,电机可以绕过变频顺直接接低压380V或660V电源。
  如果采用THL中压变频,可以把输入变频器两副边串联起来向电机供电,参见图1。当三个转换开关接“1”时,变频器工作;当三个开关接“2”时旁路,输入变压器的两组副边线电压各等于1.5Vm/2(Vm为电机额定输入电压),并互差300,把它们串起来后电压为1.5Vm cos150= 1.01Vm,正好供电机恒速工作。
  如果采用SDM变频器,输入变频器副边太多,无法通过改变接线来旁路变频器,只能旁路出故障的单元,经触点将故障单元输出短路,单元中IGBT封锁。在这类变频器设计时已考虑了旁路单元的工况。如果一定要旁路变频器,只能另加一台备用降压变压器,这对于在一个电网上挂有多套变频器时是合理的。
  设计旁路电路时需注意校验电机直接起动时的起动转矩。例如变压器短路阻抗为6%,容量为1.1倍变频器容量,电机起动电流为7倍,则电机起动电压为 0.72Vm,起动转矩为0.52倍额定起动转矩,它应大于负载转矩。若起动转矩不够,只能加大变压器容量或选用小短路阻抗变压器。

  3 高性能调速系统中的矢量控制和直接力矩控制
  调速系统的任务是控制速度,速度通过转矩来改变,调速系统的性能取决于转矩控制的好坏,矢量控制(VC)和直接力矩控制(DTC)的任务都是实现高性能转矩控制,它们的速度调节部分相同。
  异步机的转矩等于磁链矢量和定子电流矢量的矢量积。磁链不能直接测量,需要通过定子电压电流及电机参数算得。
  由于定子电压电流都是交流量,处理起来较麻烦,所以在VC控制系统中,借助于坐标变化,把它们变成dq坐标系的直流量,计算得到的控制量再经反变换变回交流坐标轴系去产生PWM信号。为了在高速和低速均能取得好的性能,必须用电压电流两个模型,涉及到电机参数较多。
  在DTC系统中用交流量直接计算力矩和磁链,然后通过力矩、磁链两个Band-Band控制器产生PWM信号,省去了坐标变换。在研制DTC的初期没有考虑低速运行工况,并以定子磁链为基础,涉及电机参数只有Rs一个,因此DTC的供货商大力宣传DTC计算简单,涉及电机参数最少,精度高等。实际上在考虑低速运行工况后,DTC也必须引入电流模型,也要用到转子磁链,涉及的电机参数和VC一样多,所以精度也一样。DTC没坐标变换,计算公式简单,但为了实现Band-Band控制,必须在一个开关周期中计算很多次,要求计算速度快,以ABB公司的ACS600系列为例,它的计算周期是25μs。在VC中测量电压电流在一个开关周期内的平均值,然后一周期计算一次,对计算速度要求低,以Siemens公司的6SE70系列为例,他计算周期是400μs,相差16倍。矢量变换计算只不过4个乘法和两个加法,以现在处理器的能力看,它算不了什么。另外以定子磁链为基础也不是DTC的专利,有的VC系统也以定子磁链为基础。根据产品样本,ACS600(DTC)转矩控制响应时间是5ms,6SE70(VC)也是5ms,再快的响应机械也受不了。
  有人认为,DTC利用磁链幅值的Band-Band控制得到近似圆形磁场,磁链幅值的波动会导致转矩波动,而VC是连续控制,磁链幅值不变,无转矩波动。这种看法也欠妥,DTC中由于存在转矩Band-Band控制,转矩平均值不会受磁链变化影响而波动,磁链变化只影响电流波形;对于VC,由于变频器按 PWM模式工作,在一个开关周期内是不可控制,也不是连续控制,同样存在电流脉动并导致转矩脉动的问题,6SE70的转矩脉动为2%。
  综上所述,作者认为这两种系统无本质区别,只不过在实现转矩控制时走了不同的路,不存在谁优于谁,谁取代谁的问题。

  4 有速度(位置)传感器和无速度(位置)传感器系统
  在矢量控制和直接力矩控制系统开发的初期都要求在电机轴上装设编码器,测取速度(位置)信号,有些场合安装编码器困难,所以又开发了无速度传感器系统。无速度传感器系统现在是热门话题,方法很多,但真正用于工业产品的都基于同样原理--电压、电流模型法。
  电压模型使用电机参数较少,在速度高于5-10%(高速)时,计算精度较高,低于5-10%(低速)时,由于电压太小,计算误差大。电流模型使用电机参数多,特别是受转子电阻变化影响大,计算误差略大,但这误差与转速无关。在有速度传感器的系统中,高速时使用电压模型,控制精度高;低速时使用电流模型,精度虽不如高速时,但仍能正常运行。在无速度传感器系统中,高速时转速角速度*比较电压电流模型计算结果辨识得到,因此只能达到有速度传感器系统的低速时水平;低速时由于电压模型不准,基准没了,无法辨识 ,系统只能抛弃矢量控制,改为开环工作。现在市场上的无速度传感器矢量控制系统在低速时都是开环系统,性能差。它们只适合用于无长期低速运行工况,且高速时调速精度要求不高的场合。
  有的公司宣称它的无速度传感器矢量控制系统在静止时也能产生满力矩,这话没错,但也有宣传成分。因为在静止时,速度为零是已知的,不需辨识,但一转起来,长期低速运行就不行了。
  在表2中列出了6SE70系列变频器在有、无编码器时的性能。
  6 结论
  1) 大功率节能调速一律采用6kv,10kv“直接变频”不合理,应根据功率选择合理电压等级。大功率的变频器采用高电压,尽量采用电流大的器件,降低器件的串联个数。
  2) 矢量控制和直接力矩控制各有优缺点,只是不同公司走了不同路,并无谁优于谁,谁取代谁的问题。
  3) 无速度传感器系统只适用于无长期低速工况,高速时性能要求不高的场合。
  4) 200kw-315kw功率档次的电机,国内的实际情况是380v电压等级占很大一部分。
  5) vc和dtc的优劣,商业宣传成分较大让他们去争论吧。
  6) 从性价比角度考虑变频电压等级选择的合理性,315kw以下可选380v,250-800kw可选用660v,500kw以上可选用6kv高-高变频或6kv、10kv高-低-高变频。
  7) 高-高产品价格高。高-低-高产品占变压器的位置本身功耗略高,但可*性好价格也好。

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