高压变频器的性能指标之三输出波形质量包括输出谐波课件

变频器初级培训教材Page 2培训目标培训目标n了解电气传动的基本概念n掌握变频器的基本工作原理和设备结构n能初步理解变频器资料培训目标了解电气传动的基本概念Page 3目录目录n电气传动基础知识n通用变频器的构成及简单工作原理n完美无谐波系列高压变频器特点n提高篇高压变频器设计理念n春晓所用变频器硬件介绍目录：目录：目录电气传动基础知识目录：Page 4电气传动基础知识电气传动基础知识电气传动系统概述电气传动系统概述定义定义 以交流（直流）电动机为动力拖动各种生产机械的系统我们称之为交流（直流）电气传动系统，也称交流（直流）电气拖动系统构成构成中间传动机构交流电源输入终端机械交流电机直流调速装置直流输出皮带轮、齿轮箱等风机、泵等直流电机交流调速装置交流输出执行机构变频器电气传动基础知识电气传动系统概述定义中间传动机构交流电源终Page 5电气传动基础知识电气传动基础知识电气传动系统基本工作原理电气传动系统基本工作原理电力传动系统运动方程式电力传动系统运动方程式lT电机转矩T负载转矩加速运行 T电机转矩6kvkv*91.7%=6.05kv6kv还能输出满载还能输出满载对于6kV系列产品,采用中心点偏移的功率单元技术,在一个功率Page 36ROBICONROBICON完美无谐波系列变频器总结完美无谐波系列变频器总结l正弦波输入，无需滤波器正弦波输入，无需滤波器，输入谐波优于，输入谐波优于IEEE519-IEEE519-19921992标准和国家标准标准和国家标准GB/T14549-93GB/T14549-93l输入功率因数输入功率因数0.950.95以上，无需功率因数补偿器以上，无需功率因数补偿器l高压直接输出，高高压直接输出，高-高结构，没有升压变压器高结构，没有升压变压器l单元串联多电平单元串联多电平PWMPWM专利技术，完美正弦输出波形专利技术，完美正弦输出波形(无无需输出滤波器需输出滤波器)，适用国产普通电机，适用国产普通电机l内部干式变压器和功率单元模块化设计，维护方便内部干式变压器和功率单元模块化设计，维护方便l矢量控制技术矢量控制技术,恒转矩特性恒转矩特性l97%97%系统总体效率系统总体效率(包含变频器和变压器部分包含变频器和变压器部分)l可靠性极高可靠性极高ROBICON完美无谐波系列变频器总结正弦波输入，无需滤波器Page 37提高篇完美无谐波系列高压变频提高篇完美无谐波系列高压变频器的设计思路器的设计思路提高篇完美无谐波系列高压变频器的设计思路Page 38 低压变频技术突破低压变频技术突破 上世纪八十年代，绝缘栅型双极晶体管（IGBT）问世，使低电压的交流电机变频调速获长足发展。九十年代末全世界进入低电压变频器商业化应用阶段。人们自然想到，同样的原理应用到高压电机调速是否可行呢？低压变频技术突破 上世纪八Page 39 “高压高压”可照搬可照搬“低压低压”？低压变频器所用的元件IGBT所能耐受的电压是1200V至1800V，电压再高元件就会损坏。按照低压变频器所用的原理和电路，高压变频器所需的元件耐压是两万伏特以上，期待这种元件是不现实的。“高压”可照搬“低压”？低压变频器所用的元件IPage 40 紧赶赶上狼紧赶赶上狼 慢赶狼赶上慢赶狼赶上如果是业内人士，你可能脱口而出：把二十个低耐压元件串联就够了！很对，这是电力电子行业的经典做法。事实上许多大型国际性电气公司和我国的研究院所都做了大量的工作，证明这是一个代价极高的方案。二十个棒小伙子，个子一样高，肩扛一根铁轨走在平坦的路上，每个人的负重能力是一百公斤，铁轨重两千公斤，有人指挥并且安排好左右腿交替方案。这种只有理论意义的设想，我们不敢将他付诸实际。如果一个小伙打个趔趄，就会压垮全部小伙。但我们必须说明，这个设想的可行性高于二十个低耐压元件串联。紧赶赶上狼 慢赶狼赶上如果是业内人士，你可能脱Page 41 逞强自己被击垮逞强自己被击垮 偷懒会击垮别人偷懒会击垮别人 先考察一个静态的情况：二十个棒小伙子肩扛一根铁轨站在平坦的路面。要求肩一样高，不许偷懒和逞强。二十个低耐压元件串联起来共同承受两万四千伏特的电压。每个分担一千二百伏电压，不可多担也不可少担。多担自己会击垮，少担会击垮别人。怎样才能不多担也不少担呢？要求每个元件自身的“内阻”一致。内阻类似小伙子们的素质。逞强自己被击垮 偷懒会击垮别人 Page 42 动态的情况：二十个棒小伙子肩扛一根铁轨站在平坦的路面，然后协调一致的把铁轨“撂”在路面上。少顷，重新协调一致“扛”到肩上。二十个低耐压元件串联起来共同承受两万四千伏特的电压。每个分担一千二百伏电压，不可多担也不可少担。然后，在统一的时间，各元件变阻抗为导通，变的速度要一致，变得快击垮别人，变的慢击垮自己。同样，少顷，由导通变为阻抗时，变的速度要一致，“扛”得快击垮自己，“扛”的慢击垮别人。怎样才能变的不快也不慢呢？要求每个元件的“内部电容”一致。这类似于小伙子们的敏捷程度。“扛扛”得快击垮自己，得快击垮自己，“扛扛”的慢击垮别人；的慢击垮别人；“撂撂”得快击垮别人，得快击垮别人，“撂撂”的慢击垮自己。的慢击垮自己。动态的情况：二十个棒小伙子肩扛一根铁轨站在平坦的路Page 43 老化问题老化问题 元件从出炉到不断使用，性能会有所改变，经过一段时间后逐渐稳定下来。称为“老化”。就像小伙子们工作一段时间后表现出不同的心理和身体素质，需要调整工作团队。而元件进行这样的调整成本就太高了。通常是牺牲一些有效工作寿命，老化完成后选配组合。老化问题 元件从出炉到不断Page 44 批次问题批次问题 通常同一批次的元件具有相近的参数，我们可以预留同批次元件作为更换备件，也意味着设备的高昂价格。批次问题 通常同一批次的元件具Page 45 若忽略元件问题若忽略元件问题,“高压高压”可照搬可照搬“低压低压”？即使忽略元件问题，“高压”也不可照搬“低压”！又将面临高压变频技术的另一座高山谐波。若忽略元件问题,“高压”可照搬“低压”？Page 46 什么是谐波？什么是谐波？现实中的波形是由基波和谐波合成的，对拖动电机起正面作用的是基波。谐波频率比基波频率高若干倍。可以想象，基波推动电机向前时，谐波以较高的频率一下向前、一下向后的作用电机，在很短的时间里推了一下又拉了一下，相当于在基波上叠加了一个震动。谐波还会带来额外的发热。我们不希望谐波出现，但如影随形，总是困扰着我们。如果“高压”照搬“低压”谐波将是无法承受之痛。谐波带来什么危害？什么是谐波？现实中Page 47电子云电子云 原子由原子核、电子组成，电子围绕原子核高速运转形成球形的电子云，原子核与电子云的重心是重合的。当加上一个直流（左边正、右边负）电场之后，球形就变成了橄榄球形。原子核偏向了负电极（右），电子云偏向了正电极（左）。电场反过来（左负右正），原子核偏向左，电子云偏向右。电子云 原子由原子核、电子组成，电子围绕原子核高Page 48 微波炉微波炉 如果电场交变起来，就是微波炉的原理。原子核与电子云相向对冲，一会向左一会向右，交变电场频率越高、摩擦越重、发热越甚，加热食品很是有效。但这个交变电场加到电机上，电机和电缆的绝缘物就被“烧熟”了，电机和电缆很快就坏了。微波炉 如果电场交Page 49HVF高压变频调速器 臭氧发生器臭氧发生器 如果这个交变电场中有空气就更严重了。其中的氧气会转化为臭氧。在原子核与电子云的摩擦中，三个O2变成两个O3。更令人瞠目结舌的是：电机有散热风扇，不断的将O2喂进来，将转化后的O3扇出去。电机成了效率极高的臭氧发生器。少量的臭氧可杀菌，清新空气，浓度高了就成了杀手。强氧化性，导致呼吸道和其他组织溃疡，我国劳动卫生法中对此有严格规定。HVF高压变频调速器 臭氧发生器 Page 50 电机线圈发热电机线圈发热 前面提到，谐波在很短的时间里把电机推一下又拉一下，没有起到正面作用，又增加了震动。且这个能量要在电机线圈中转化为热，减少电机寿命。这是谐波的又一“贡献”。电机线圈发热 前面提到，谐波在很Page 51再忽略谐波，再忽略谐波，“高压高压”可照搬可照搬“低压低压”否？否？仍然不可！低压变频技术原理 中采用脉冲宽度调制（PWM），元件开关次数太高。再忽略谐波，“高压”可照搬“低压”否？仍然Page 52 元件发热元件发热 元件希望导通时不承受电压；截止时不通过电流。这样电压乘电流为零，元件损耗很小。事实上元件不可能理想，有几个微秒功耗是很大的。比如一百安培乘五百伏特，达五十千瓦。这仅为一个元件的损耗。开关次数（频率）高到一定程度，将无法将产生的热散发出去，无法输出有用的功率，元件将很快烧毁。元件发热 元件希望Page 53 元件寿命元件寿命 即使没有元件发热的问题，开关次数（频率）高也要直面寿命问题。元件的材质是硅材料，属脆性，达疲劳极限就会损坏。开关次数差一百倍，寿命也差一百倍。元件寿命 即使没有元件发热Page 54“经变压器降压，经变压器降压，低压变频，低压变频，再经变压器升压再经变压器升压”可否？可否？西门子公司早期就是这一“高-低-高”方案。过渡性的满足了社会需求。存在的问题也很明显。“经变压器降压，低压变频，再经变压器升压”可否？Page 55 损耗大二百二十五倍损耗大二百二十五倍 就像高压输电损耗较小，采用高压电机也是为了减小损耗。如果又有了低压环节，比如将六千伏降为四百伏，要保持同样功率电流就要高十五倍，损耗是十五的平方倍。损耗大二百二十五倍 就像高压输电损耗较小，采Page 56HVF高压变频调速器 前后变压器的麻烦前后变压器的麻烦 放大谐波，增加损耗。除元件不必串联外，其他问题无一不在。HVF高压变频调速器 前后变压器的麻烦 放大谐波，Page 57 总结总结 我们总结一下：希望存在一种方案：1、采用低耐压、参数正常分布元件。2、谐波很低。3、开关次数很低。4、无功耗加大环节。总结 我们总结一下：希望存在一种Page 58 选个对手选个对手 高压变频项目有四座大山，我应该从哪下手呢？采用普通元件的原理线路应该最关键。先试试再说。不知道发明学老师怎么说，我的做法是：如果这个条路走不通，另外三条路要分别试探一下。多角度试探，为了触发灵感。选个对手 高压变频Page 59 触类旁通触类旁通 就像前面描述的，我通常要将选定的难题与一个自然中存在的类似的现象联系起来。看看类似的情况别人是怎样解决的，或可以怎样解决。普通元件串联就像普通的小伙子扛铁轨。几十个性情不一、素质不一的小伙子，同步扛起、放下一整根铁轨确实不易，怎样就容易了呢？苦恼了很多天。有一天，平平常常，脑中无望的唠叨：要是各自扛起一小段就好了！一小段就好了！把整根铁轨截成小段？触类旁通 就像前面描Page 60铁轨代表什么铁轨代表什么？铁轨代表什么？Page 61 铁轨代表什么？铁轨代表什么？一人一小段就不必心理、身体素质一致，不必同步训练，可以独立完成作业。小伙子是元件，铁轨是什么？小段铁轨代表什么？几十段铁轨代表什么？整根铁轨代表什么？需要整根铁轨时怎么办？怎么接起来？铁轨代表什么？一人一小段就不Page 62铁轨代表什么？铁轨代表什么？铁轨代表电源，整根铁轨代表整个电源，小段铁轨代表一个分立的、独立的电源。许多独立电源合起来形成整个电源。开关元件导通时，独立电源被接入。开关元件关断时，独立电源被移走。这个开关元件就只承受这个独立电源的电压，这个开关元件的导通和关断也不影响其他的开关元件。铁轨代表什么？铁轨代表电源，整根铁轨代表整Page 63高压变频器最基本的元素高压变频器最基本的元素 很快就画出了单元电路图，细长线、粗短线电池符号代表独立电源，串上开关，旁边并上一个二极管，方向同电源，开关断时二极管导通，给别的单元提供通路。这个简单电路被专家认定是高压变频器最基本的元素，虽然只能完成直流功能，但其他的事情已经不难了。高压变频器最基本的元素 很快就画出了单元电路Page 64热冗余热冗余 当某单元故障，安排各相电压变形，保持输出不变。当某单元仅故障一部分时，其它部分仍可贡献力量。比如一个IGBT击穿或断路（此类故障占全部故障90%），会影响半波输出，通过各相配合，另半波可输出，不必全单元退出。热冗余功能除提高了设备可靠性之外，可开发利用元件老化阶段价值。即元件不进行老化，直接进入运行。适当时间后更换缺陷元件。热冗余 当某单元故障，安排各相电压变形，保持输出不变。Page 65 变压器变压器前面提到需要把一个完整电源，切分成许多独立的单元。这个任务是由变压器完成的，移相多副边整流变压器。这种变压器副边较多，一个副边对应一个单元。如果每个输出相八个单元，三相共二十四个单元，就需二十四组副边。变压器前面提到需要把一个完Page 66 移相移相整流桥和电容的作用下各相电流只在很小的窗口时间流入单元。电容值越大，窗口越小。各单元全在这个小窗口时间取电流，总电流波形就会又窄又高。我们已经知道这是高谐波的形态。我们把各单元的窗口错开一点，总电流的峰值被分散，总电流的窗口被扩展。可推导出当各单元电流一致时，均匀安排各单元窗口，总电流谐波最低。当各单元电流不一致时，确定窗口间隔变得异常复杂。这就是我们十分关注单元输出功率相等的原因 移相整流桥和电容的作Page 67 散热方式散热方式早期，高压变频器所用变压器与通用变压器一样，从底部进风，顶部出风。我们想象一个与衣柜相当的立方体，底面积最小，侧面积次之，正面积最大。进深最短，柜宽次之，柜高最长。早期变压器就是从最小面积进风，经过最长距离，从最小面积出风。实测温度发现，变压器底部表温二十度，顶部表温八十度。散热方式早期，高压变频器所用变压Page 68 六度定理六度定理 温度升高六度，变压器寿命降低一半。假如设计温度是六十度，六十六度时寿命为十年，七十二度时寿命为五年，七十八度时寿命仅为二点五年。不足二点五年顶部就要损坏了，底部完好也挡不住变压器整机损坏。六度定理 温度升高六度，Page 69横向通风横向通风 采用横向通透结构，从最大面积进风，经过最短路径，从最大面积出风。实测表面温度：变压器各点温度从最低五十一度，到最高五十五度。理论分析通风效率提高了十倍以上。横向通风 采用横向通透结构，从最大面积进风，经过最短路径，从Page 70网架结构及单元墙网架结构及单元墙 在兴高采烈的气氛中有人提出：变压器通风效果这么好，把功率单元也挂在器身上吧！一不做二不休，设计了网架式支架，细密的结构件透着现代气息，又毫不阻拦进出的空气。功率单元插入支架，整齐的布成“单元阵”墙，俨然“军事装备”，透出威严。网架结构及单元墙 在兴高采烈的气氛中有人提出：变压器通风效果Page 71高压变频器的性能指标之三输出波形质量包括输出谐波课件Page 72高压变频器的性能指标之三输出波形质量包括输出谐波课件Page 73高压变频器的性能指标之三输出波形质量包括输出谐波课件Page 74高压变频器的性能指标之三输出波形质量包括输出谐波课件Page 75高压变频器的性能指标之三输出波形质量包括输出谐波课件Page 76高压变频器的性能指标之三输出波形质量包括输出谐波课件Page 77高压变频器的性能指标之三输出波形质量包括输出谐波课件Page 78高压变频器的性能指标之三输出波形质量包括输出谐波课件Page 79春晓压缩机变频春晓压缩机变频隔离变压器隔离变压器控制柜控制柜功率模块柜功率模块柜春晓压缩机变频隔离变压器控制柜功率模块柜Page 80春晓压缩机变频器实物图春晓压缩机变频器实物图隔离变压器内部隔离变压器内部春晓压缩机变频器实物图隔离变压器内部Page 81春晓压缩机变频器实物图春晓压缩机变频器实物图控制柜内部控制柜内部春晓压缩机变频器实物图控制柜内部Page 82功率模块柜内部功率模块柜内部春晓压缩机变频器实物图春晓压缩机变频器实物图功率模块柜内部春晓压缩机变频器实物图Page 83变频器电源电路图变频器电源电路图变频器电源电路图Page 84高压变频器的性能指标之三输出波形质量包括输出谐波课件Page 85高压变频器的性能指标之三输出波形质量包括输出谐波课件Page 86高压变频器的性能指标之三输出波形质量包括输出谐波课件Page 87高压变频器的性能指标之三输出波形质量包括输出谐波课件Page 88高压变频器的性能指标之三输出波形质量包括输出谐波课件