1、东方日立培训资料变频器基础董兆杰2016.03.021DIDI系列变频器原理系列变频器原理23DIDI系列变频器特殊功能系列变频器特殊功能4变频器故障保护变频器故障保护 目录目录变频器变频器基本基本知识知识1变频器基础知识变频器基础知识变频器定义变频器定义1- 1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（变频器分类（1 1）1- 2变频器分类（变频器分类（2 2）1- 2变频器分类（变频器分类（3 3）1- 2变频器适用范围变频器适用范围1- 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
2、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2DIDI系列变频器基本原理系列变频器基本原理系统构成系统构成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DIDI系列变频器类型系列变频器类型2- 2基本结构基本结构2- 3电电源源6kV主主回路回路构构成成 IM6kV移相变压器DIDI系列电压等级系列电压等级2- 4电压电压计算计算2- 5 以6KV每相八单元串联为例,电压叠加如图所示： 每相由八个相同的功率单元串联而成
3、，相电压为3464V，每个功率单元输出有效值Ve460V，峰值输出电压Vp= Ve621V2DIDI系列变频器电压标准系列变频器电压标准2- 6电压等级电压等级级数级数单元输入电压单元输入电压单元母线电压单元母线电压3KV4460V620V6KV5690V930V6KV6620V815V6KV8460V620V10KV9690V93010KV10620V815V移相变压器（移相变压器（1 1）2- 7将工频高压电源降为低压（将工频高压电源降为低压（620V或或690V）电源提供给）电源提供给每个功率每个功率单元；单元；将每个功率单元输入隔离，以便于波形叠加将每个功率单元输入隔离，以便于波形叠加
4、；采用移相多脉冲整流方式，降低输入采用移相多脉冲整流方式，降低输入谐波含量谐波含量移相变压器（移相变压器（2 2）2- 7 将将工频高压电源变换为副边的多组低压，各副边绕组在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：每相相 4组组 +30o、+15o、0o、-15o、-30o。 共共4组组3=12组组 6 kV ：每：每相相 6组组 +25o、+15o、+5o、-5o、-15o、-25o。 共共6组组3=18组组 10 kV ：每：每相相 10组组 +27o、+21o、+15o、
5、+9o、+3o、-3o、 -9o、-15o、-21o、-27o 共共10组组3=30组组功率功率单元（单元（1 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。功率功率单元（单元（2 2）2- 8全桥整流全桥整流IGBT逆变桥逆变桥直流滤波直流滤波交流输入交流输入SPWM输出输出功率功率单元（单元（3 3）2- 8调制波（三角波）大于载波（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，由此形成正负半波信号波载波图6-4调
6、制电路Ud+V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoRLurucSPWM波的多重波的多重化（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U1U2U3U4U5U6TcSPWM波的多重化波的多重化（2）2- 910kV单元串联多电平变频器电压叠加原理主主控系统控系统2- 10光通讯母板光通讯子板光纤收发器CPU计算和控制程序存储器参数存储器A/D电流电压信号采集CPLD数字量控制PWM发生器PWM波形产生主控板通讯PLC、人机界面数字量
7、隔离模拟量隔离接口接口板光通板D/A模拟量输出变频器控制原理变频器控制原理-V/F-V/F控制（控制（1 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。mNs1gS44. 4kNfE 定子每相电动势式中式中 Eg 气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值（气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值（V）；）； 定子频率（定子频率（Hz）；）； 定子每相绕组串联匝数；定子每相绕组串联匝数； 基波绕组系数；基波
8、绕组系数； 每极气隙磁通量（每极气隙磁通量（Wb）。）。 f1NskNs m由上式可知，只要控制好由上式可知，只要控制好 Eg 和和 f1 ，便可达到控制磁通，便可达到控制磁通 m 的目的的目的变频器控制原理变频器控制原理-V/F-V/F控制（控制（2 2）2- 11然而，绕组中的感应电动势是难以直接控制的，当然而，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，而认为定子相电压降，而认为定子相电压 Us Eg，则得，则得 这就是是恒压频比的控制方式，即这就是是恒压频比的控制方式，即V/F控制。控制。要保持要保持
9、 m 不变，当频率不变，当频率 f1 从额定值从额定值 f1N 向下调向下调节时，必须同时降低节时，必须同时降低 Eg ，使，使 1gfE常值常值 1fUs常值常值 变频器控制原理变频器控制原理- -矢量控制（矢量控制（1 1）2- 12qdFfiAaiii1TMMiTTirM1（b）坐标下感应电机坐标下感应电机定子电流示意定子电流示意(c) MT坐标下感应电机坐标下感应电机转矩的构成转矩的构成(a) 直流机两个电流分量直流机两个电流分量及其转矩的构成及其转矩的构成以产生同样的旋转磁动势为准则， 异步电机通过三相-两相变换可以等效成两相静止坐标系上的交流电流i 和i ，再通过同步旋转变换，可以
10、等效成同步旋转坐标系上的直流电流Mi和Ti。 站到异异步步机机旋旋转转坐坐标标系系上， 所看到异步机模型的便是一台与下图(a)结构矢量控制的基本原理矢量控制的基本原理变频器控制原理变频器控制原理- -矢量控制（矢量控制（3 3）2- 12既然异步电动机经过坐标变换可以等效成直流电动机， 那么， 模仿直流电动机的控制策略，就可以控制这个等效的“直流电动机”从而获得较好的转矩特性， 也就能够较好控制异步电动机的电磁转矩了。由于进行坐标变换的是电流（代表磁动势）的空间矢量，所以这样通通过过坐坐标标变变换换实实现现的的控控制制系系统统就就叫叫作作矢矢量量控控制制系系统统 （Vector Control
11、 System） ,简简称称 VC 系系统统。 由于是以转子磁链的方向作为 M轴的方向，学术界也将这种控制策略称为转转子子磁磁链链定定向向或磁磁场场定定向向控控制制（Field Orientation Control- FOC） 。 变频器控制原理变频器控制原理- -矢量控制（矢量控制（3 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
12、算出磁链和坐标转角及转速。变频器控制原理变频器控制原理- -矢量控制（矢量控制（4 4）2- 12r反旋转变换三 相静 止到两 相静 止Ueds*ieds*usdsusqsIMiAiBiCr-转 子 磁 链 观 测和 速 度 观 测isis+-+-*r前馈 补偿前馈 补偿+Veqs*Veds*Ueqs*iedsieqsieqs*速 度 调 节 器磁 链 调 节 器电 流 调 节 器r旋转变换usdsusqs电 压型逆 变器 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变频器特殊功能介绍单元旁通单元旁通功能（功能（1 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
13、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A 1A 2A 3A 4A 5A 6B1B2B3B4B5B6C1C2C3C4C5C6MA 1A 2A 3A 4A 5A 6 B1B2B3B4B5B6C1C2C3C4C5C6M单元旁通单元旁通功能（功能（2 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
14、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。A 1A 2A 3A 4A 5A 6B1B2B3B4B5B6C1C2C3C4C5C6MA 1A 2A 3A 4A 5A 6 B1B2B3B4B5B6C1C2C3C4C5C6M瞬时停电再启动瞬时停电再启动功能（功能（1 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PT瞬时停电再启动功能瞬时停电再启动功能（2 2）3- 2当系统主电源消失后，瞬停检测板通过输入PT在10ms
15、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瞬时停电再启动功能（3 3）3- 2速度反馈速度反馈100%100%0.40.4 电源电压电源电压（ （变压器原边变压器原边） ）输出电压输出电压（ （电机电压电机电压） ）瞬停时间瞬停时间1.21.2 5,000V5,000VU U相速度反馈相速度反馈125%125%使相位一致后使相位一致后, ,自动恢复运行自动恢复运行 工变自动工变自动切换（切换（1 1）3- 3工变切换是指在变频
16、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工变自动切换（2 2）3- 3 变切工变切工：正常运行时，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（软充电技术（1 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
17、压及涌流，有效降低了器件的损坏率减少器件，减少故障点软充电技术（软充电技术（2 2）3- 4软充电技术（软充电技术（3 3）3- 4在移相变压器上增设一组380V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；4常见系统故障及处理对策常见系统故障及处理对策输出过流输出过流& &短路故障短路故障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过流过流4- 2IGBT过流故障是指通过IGB
18、T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，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：参考输出过流输出过流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MCTCT+vcccpu采样电阻比较器整流叠加输出过流整定值输出过流整定值4- 4 输出
19、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/AC 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，立即停机过流过流& &短路常见原因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过流过流& &短路故障排除短路故障排除
20、 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 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- 7MCTCTcpu采样电阻A/D过载保护过载保护 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- 8T(s)I(%)150%110%0120%
21、60tI2过载保护故障排除过载保护故障排除 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 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瞬停失败瞬停超时瞬停失败瞬停超时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 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
